способ оценки напряженно-деформированного состояния кожи

Формула изобретения

Способ оценки напряженно-деформированного состояния кожи, заключающийся в том, что закрепляют на объекте оптический индикатор, выполненный в виде прозрачного фотоупругого слоя, освещают индикатор поляризованным белым светом с формированием интерференционной картины, и отсчитывают по интерференционным полосам величину деформации, отличающийся тем, что формирование интерференционной картины осуществляют при взаимно перпендикулярном положении плоскости поляризатора и плоскости анализатора, ось поляризации луча направляют перпендикулярно плоскости оптического индикатора, выполненного из синтетического каучукового эластомера, а величину механических напряжений в коже оценивают по цвету интерференционных полос, причем предварительно проводят градуировку зависимости цвета полос интерференционной картины от деформаций и напряжений в коже.

Описание изобретения к патенту

Способ оценки напряженно-деформированного состояния кожи относится к области медицины – пластической хирургии.

Принцип измерения механических напряжений и деформаций при помощи метода фотоупругих покрытий был предложен М.Менаже в 1930 г. В основе метода, являющегося разновидностью поляризационно-оптического метода исследования напряжений - метода фотоупругости, лежит свойство некоторых материалов при напряжении приобретать временное двойное лучепреломление. Изменение оптических свойств изотропных прозрачных материалов, вызванное внутренними напряжениями, может быть измерено поляризационными приборами. Измерение напряжений и деформаций в исследуемом объекте при помощи фотоупругих покрытий осуществляется следующим образом. На исследуемый объект наносится тонкий слой оптически активного материала – оптический индикатор. При деформации вследствие прочного сцепления индикатора с объектом деформируется и оптически активный (фотоупругий) слой. Поляризованный луч света, направленный на фотоупругое покрытие, отражается от поверхности объекта или специального отражающего слоя оптического индикатора и проходит через его толщину дважды. Из слоя фотоупругого покрытия свет выходит в виде двух лучей, поляризованных в направлении действия главных напряжений. Возникает эффект интерференции. Исследование механического поведения кожи имеет большое практическое значение для оценки функционального и косметического эффекта пластических и реконструктивных операций.

Хирург обычно пользуется личным опытом для оценки поведения кожи во время пластических операций и прогнозирует предполагаемый исход. По завершении операции перераспределение внутренних натяжений может со временем вызывать смещения тканевых комплексов и, как следствие, искажение планируемого эффекта пластики. Отсутствие у хирурга объективных прогностических критериев потенциальных деформаций не дает возможности вносить необходимую интраоперационную коррекцию. Особое значение такого рода исследования приобретают при дефектах и деформациях тканей периорбитальной области из-за своеобразия ее архитектоники и анатомо-функциональных особенностей. Объективные (инструментальные) клинические методы контроля механического поведения биологических тканей, в частности кожи человека, отсутствуют. Таким образом поиск подходов к решению данной проблемы остается актуальной задачей.

В последнее время в Японии, США, Англии стоматологами и ортопедами предприняты попытки применения метода фотоупругих покрытий при оценке механических напряжений в костных структурах (см. Y.Takayma, K.Takakuda, H.Miyairi Mechanical analusis of the denture bases using the photoelastic-caating method. Upper complete denture bases under uniform bending moment load/ Shica Lairyo Kikai – 1989 – vol. 8, № 6 – P.803-811.

Используя этот метод, было исследовано распределение механических напряжений при производимых деформациях в передней и жевательной поверхностях зуба, покрытого кобальто-хромовой коронкой. После нанесения на исследуемую поверхность эпоксидного клея, его полимеризации, отвердевания имитировали воздействие противолежащих зубов. В плоскополяризованном свете получали интерференционную картину в соответствии с распределением механических нагрузок в коронке.

Недостатками такого решения являются: недостаточная эффективность и точность оценки упругих деформаций, возникающих в коронке зуба, т.к. предел упругости и деформации используемых фотоупругих покрытий не позволяет использовать их на коже человека и особенно на лице в области глаз, т.е. несоответствие механических характеристик (предел упругости и деформации) используемых фотоупругих покрытий для коронки зуба.

Наиболее близким решением является использование метода фотоупругих покрытий при оценке распределения нагрузки в бедре в процессе лечения переломов верхней трети: использовали цементируемый и нецементируемый медуллярный имплантат в сравнении с интактной костью, (см. Finlay J.B., Rorabeek C.H., Bourne R.B. In vitro analysis of proximal femoral strains using PCI femoral implants and hip-abductor muscle simulator / J.Artroplasty. – 1989. Vol. 4, № 4 – P.335-345).

На бедренную кость наносили фотоупругое покрытие из уретанового пластика и определяли напряженно-деформированное состояние при различных имплантатах, применяемых в лечении переломов. Регистрация данных и оценка деформаций была фиксирована в плоскополяризованном свете в виде интерференционной картины (кольца Ньютона).

Недостатками такого решения являются: 1. Неэффективность фотоупругого покрытия, используемого в этом методе при фиксации на коже человека в клинических условиях; 2. Механические свойства покрытия значительно отличаются от механических свойств кожи человека, что позволяет точно и качественно оценивать напряженно-деформированное состояние кожи.

Техническим результатом предложенного способа является повышение качества и точности оценки определения напряжений и деформаций в коже человека.

Этот результат достигается тем, что в способе оценки напряженно-деформированного состояния кожи, заключающемся в регистрации напряженно-деформированного состояния кожи с закрепленным на нем оптическим индикатором посредством освещения индикатора поляризованным белым светом с формированием интерференционной картины и отсчитывания по интерференционным полосам величины деформации, при регистрации напряженно-деформированного состояния кожи формирование интерференционной картины осуществляют при взаимно перпендикулярном положении плоскости поляризатора и плоскости анализатора, при этом ось поляризации направляют перпендикулярно плоскости оптического индикатора, а величину механических напряжений в коже оценивают по цвету интерференционных полос, причем перед регистраций напряженно-деформированного состояния кожи проводят градуировку зависимости цвета полос интерференционной картины в оптическом индикаторе от деформаций и напряжений в коже.

Способ оценки напряженно-деформированного состояния кожи человека заключается в нанесении на исследуемую поверхность кожи человека (на объекте) оптического индикатора и освещении его поляризованным белым светом посредством полярископа Т-образного типа, специально разработанного для регистрации напряжений и деформаций на коже (чертеж). Свет от источника 1 проходит поляризатор 2, отражается под углом 90 от полупрозрачного зеркала 3 и попадает на оптический индикатор 4, закрепленный на объекте 5. Затем свет отражается от оптического индикатора 4, проходит через полупрозрачное зеркало 3 и анализатор 6. Получаемая интерференционная картина в результате взаимодействия поляризованного света и оптического индикатора рассматривается глазом наблюдателя 7 в микроскоп или может фиксироваться на фото- или видеопленку. Полярископ работает в режиме темного поля. Поляризатор и анализатор находятся во взаимно перпендикулярном положении (т.е. скрещенном), ось поляризации перпендикулярна поверхности оптического индикатора, т.е. поверхности оптического индикатора, т.е. поверхности оптически прозрачного тонкого (0,5 мм) фотоупругого слоя (синтетического каучукового эластомера (СКЭ)). При отсутствии напряжений световое поле темное. Если в коже возникают напряжения и деформации, то меняется угол поляризации и поле наблюдателя становится светлым аналогично светоклапанной системе. Одноосное равномерное растяжение (т.е. растяжение, при котором направления главных напряжений и деформаций одинаковы для всех точек объекта) приводит также к просветлению поля. При освещении деформируемого оптического индикатора белым поляризованным светом в поле полярископа наблюдают цветную картину интерференции (ИФ). Интерференционная картина содержит два семейства полос: изохромы и изоклины. Изохромы – цветные полосы (это геометрическое место точек, где разность хода лучей одинакова), изоклины – темные полосы (это геометрическое место точек, где направление главных напряжений совпадает с направлением плоскости поляризации). При освещении источником белого света в общем случае наблюдают темные полосы на фоне цветной картины. Темные полосы соответствуют изоклинам и изохромам нулевого порядка (нулевой разности хода), цветные полосы – изохромам. При отсутствии деформаций в уретановом эластомере – поле полярископа остается темным. Одноосное растяжение приводит к просветлению поля. Каждый цвет интерференционной окраски соответствует определенной разности хода световых лучей (кольца Ньютона). Увеличение разности главных напряжений и соответственно разности хода лучей сопровождается последовательной сменой цвета. Цвета появляются в следующем порядке: желтый, красный, фиолетовый, синий, зеленый. Все цвета между начальной темной окраской и первым зеленым относят к цветам первого порядка. Затем появляются цвета второго, третьего и т.д. порядков. Величины разности главных напряжений в оптическом индикаторе можно оценить, сопоставляя цвета интерференционной картины. Установлена зависимость окрашивания оптического от величины действующих напряжений (Н/мм²) и величины относительной деформации (%). После предварительной градуировки зависимости цвета от величины напряжений получены следующие значения (таблица).

Порядок цветов интерференции определен при постепенном повышении нагрузки и соответственном увеличении напряжений в оптическом индикаторе. Картина интерференции была визуализирована уже при деформации от 2%.

Таким образом количественные и качественные характеристики оценки – это оптическая разность хода и параметр изоклины интерференционной картины, связанные с оптической чувствительностью оптического индикатора, распределением напряжений (по направлениям) и деформации на исследуемой поверхности объекта.

Для оценки напряженно-деформируемого состояния кожи были использованы следующие инструменты и приборы: был разработан совместно Военно-медицинской академией (ВМА) с Государственным Оптическим институтом им. С.И.Вавилова (ГОИ) полярископ Т-образного типа (с фотощелевой лампой фирмы “Carl Zeiss”). Полярископ может работать в режимах “темного” и “светлого” полей. Наиболее распространенным и эффективным режимом является первый. Этот полярископ, работающий с фотощелевой лампой, позволил получить наиболее полную информацию о биомеханической системе исследуемого объекта (кожи) с исследуемым заданным исследователем параметром изоклин, а также измерения в любой точке характеристик двулучепреломления. Полярископ к операционному микроскопу позволил осуществить интраоперационное наблюдение за биомеханической системой оперируемого объекта. Анализатор и поляризатор изготовлены из заключенной между двумя стеклянными пластинами двух поливиниловых поляризационных пленок для видимой части спектра с поглощением 38% ГОСТ 344-11-82, находящихся в одной плоскости, но во взаимно перпендикулярных направлениях. При работе с полярископом на базе фотощелевой лампы наблюдаемую ИФ-картину фотографировали на черно-белую пленку КН-3 чувствительностью 90 единиц ГОСТ или на цветную негативную пленку АGFА чувствительностью 100 ед АSА фотоаппаратом “Зенит–ЕТ”. Энергия ксеноновой лампы фотовспышки составила 34 Дж/сек при относительном отверстии диафрагмы 1:64. Ось поляризации полярископа располагалась под углом 45 к направлению растягивающих усилий при одноосном продольном внешнем воздействии к испытуемым образцам материала. Работы были произведены при стандартном 10-кратном увеличении. Фотосъемку периорбитальной области глаза осуществляли в плоскополяризованном свете и белом свете, поляризованном по кругу, ф/а “Зенит–ЕТ” на цветную негативную фотопленку AGFA чувствительностью 400 ед АSА через наблюдательную зону полярископа. Документирование процесса деформирования через полярископ операционного микроскопа осуществлялось на видеокассету через штатную видеосистему микроскопа МИКО–ОФ. На полярископе отражательного Т-образного типа, смонтированном на фотощелевой лампе “Carl Zeiss”, была визуализирована и зафиксирована картина ИФ на всех стадиях процесса: до нагрузки (напряжений), после нагрузки, после проведения разреза, после накладывания швов. При линейном разрезе кожи и ее последующем ушивании было видно, что в первом случае на фоне равномерно деформированной поверхности (фон, окрашенный белым цветом) появляется участок потемнения (т.е. разность хода уменьшается). Происходит локальное уменьшение нагрузки. При ушивании дефекта наблюдаются следующие изменения картины. На фоне равномерно деформированной поверхности (фон, окрашенный белым цветом) появляется участок желто-красного окрашивания (т.е. разность хода возрастает). Это свидетельствует о локальном увеличении нагрузки. Используя метод сопоставления цветов и градуировочной таблицы соответствия цвет - относительная деформация была определена величина деформации в области узлового шва. Используя оптический индикатор на основе СКЭ толщиной 0,5 мм по градуировочной таблице, было определено, что белый свет вызывается при разности хода лучей вследствие деформации 8% и напряжений 0,1 Н/мм². Красный – при деформации 20% и напряжении 0,4 Н/мм². Таким образом, перегрузка в месте наложенного шва более чем в 2 раза превысила фоновое напряженно-деформированное состояние кожи. В клинических условиях метод был применен во время оперативных вмешательствах на органе зрения (по поводу глаукомы и катаракты) и было исследовано изменение напряженно-деформированного состояния мягких тканей периорбитальной области после выполнения акинезии. 10 пациентам в возрасте от 45 до 72 лет была выполнена акинезия по Ван-Липту 2% раствором лидокаина. Оптические индикаторы размерами 305 мм, предварительно стерилизованные химическим способом, (погружали на 5 минут в раствор “Sept”), были установлены прижатием к коже периорбитальной области после ее стандартной обработки. В поляризованном свете фотографировали оптические индикаторы через полярископ.

Использование изобретения “Способ оценки напряженно-деформированного состояния кожи” согласно прототипа позволяет повысить качество и точность оценки напряженно-деформированного состояния кожи, благодаря тому что в этом способе при регистрации напряженно-деформированного состояния кожи человека формирование интерференционной картины осуществляют при взаимно перпендикулярном положении плоскости поляризатора и плоскости анализатора, при этом ось поляризации направляют перпендикулярно плоскости оптического индикатора, а величину механических напряжении в коже человека оценивают по цвету интерференционных полос, причем перед регистрацией напряженно-деформированного состояния кожи проводит градуировку зависимости цвета полос интерференционной картины в оптическом индикаторе от деформаций и напряжений в коже. Данный поляризационно-оптический метод, основанный на комплексном анализе картины интерференции, позволяет объективно в условиях клинического осмотра и в ходе операции определить величину и направление вновь формируемых действующих в тканях кожи тракционных сил. Способ имеет большую практическую значимость, т.к. позволяет оптимизировать косметические исходы офтальмологических операций. Метод позволяет изучить закономерности послеоперационных изменений напряженно-деформированного состояния мягких тканей при отработке новых типов пластических операций, при реконструктивных операциях, позволяет изучать физиологию (направление, величину усилий) мимической мускулатуры, степень асимметрии ее сокращений. Предлагаемый способ оценки напряженно-деформированного состояния кожи позволяет инструментально (а не на глаз) количественно и качественно с высокой точности (до долей мкм) определить состояние кожи человека, что очень актуально при всевозрастающих пластических операциях, а также операциях после ранений. Все это предопределяет широкое применение предлагаемого способа.