Развитие биомеханики в XIX-XX вв.

К предыдущей странице




Механика кровообращения

         Многие существенные результаты в области биологической механики были получены в период с начала XIX до середины XX века. Английский физик Томас Юнг (1773-1829), один из создателей волновой теории света, занимался фундаментальными исследованиями механики человека. Он разработал теорию цветного зрения, изучал механику речеобразования. Он впервые показал, что речь представляет собой звуковые колебания, генерируемые голосовым аппаратом и обусловленные эластичностью его тканей. После получения медицинской степени в Геттингене Юнг должен был выступить с лекцией, посвященной медицинской тематике, для которой он избрал тему формирования звука голосовым аппаратом человека. Исследование речеобразования привело к необходимости ставить оригинальные эксперименты и размышлять над природой звука [Singer 59]. В труде «Наблюдения за процессом зрения» (1793) Юнг привел данные об аккомодации глаза как связанных с сокращением глазных мышц изменениях кривизны хрусталика и его оптических свойств. Он выделил три типа волокон в сетчатке, ответственных за восприятие трех цветовых компонент и сформулировал теорию цветного зрения. В примитивной форме положения трехкомпонентной теории цветного зрения были предложены еще в трудах Михаила Ломоносова (1711-1765). Ему принадлежат также фундаментальные исследования артериального кровообращения и сердечной деятельности, функций сердца и артерий [Young 1808, 1809]. Он построил исторически первую модель ветвящегося артериального русла в виде правильного дихотомически ветвящегося дерева. Без пояснений отношение диаметров сосудов последовательных порядков ветвления было принято им равным 0.8, что соответствует современным морфометрическим данным и результатам моделирования оптимальных систем (см.разд.12.2, 30.4). Юнг рассмотрел волны малой амплитуды, распространяющиеся в упругой трубке, заполненной несжимаемой жидкостью, и получил выражение для скорости распространения волн в виде , где - плотность жидкости, причем модуль упругости стенки Юнг определил путем экспериментов [История механики в России]. Знаменитый немецкий физик, физиолог, психолог Герман Гельмгольц (1821-1894) был многосторонней личностью и внес существенный вклад в механику, термодинамику, оптику, акустику, электродинамику, физиологию и медицину. В механике он заложил основы теории вихревых движений жидкости, в термодинамике разработал теорию химических процессов и ввел понятие свободной энергии, в электродинамике выдвинул идею атомарной природы электричества, провел основополагающие исследования процессов в колебательном контуре. В разные годы он был профессором физиологии и патологии в Кенигсберге, профессором анатомии и физиологии в Бонне, профессор физиологии в Гейдельберге, профессором физики в Берлине. В своей работе «О сохранении силы» (1847) он первым сформулировал в математической форме и обосновал универсальность закона сохранения энергии. Гельмгольц ввел понятие потенциальной энергии и обосновал невозможность существования вечного двигателя. В 1845 г. он опубликовал работу "О расходовании вещества при действии мышц", а в первом томе журнала «Успехи физики» в 1846 г. выходит его обзор по теории физиологических тепловых явлений. Гельмгольц исследовал процесс мышечного сокращения, впервые обнаружил и провел измерения теплопродукции в сокращающейся мышце и показал, что теплопроизводство мышц является важной компонентой энергетического обмена организма. Гельмгольц является автором фундаментальных трудов по физиологии слуха и зрения ("Физиологическая оптика", 1856 г.). С помощью изобретенного им офтальмоскопа (1851 г.) он проводит первые исследования сетчатки глаза. Он изобрел также прибор для измерения размеров глаза – офтальмометр – и оптическое приспособление, известное теперь даже детям, с помощью которого для плоских изображения накладываются таким образом, что наблюдатель получает впечатление трехмерного предмета – стереоскоп [Fung история бм]. Офтальмоскоп и офтальмометр широко используются в клинической практике, а стереоскоп, помимо развлекательного, имеет важное медицинское применение – он используется для профилактики и лечения косоглазия [Б+Е]. Следуя Юнгу, Гельмгольц разрабатывает теорию трехцветового зрения, исследует механизмы аккомодации глаза. Исследуя механику слуха, он построил модель уха, позволившую исследовать воздействие звуковых волн на слуховой аппарат, разработал теорию восприятия звуков и изобрел акустическую колебательную систему - резонатор Гельмгольца. В 1863 г. увидела свет его книга "Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики". Создав теорию резонанса, он создал затем на ее основе учение о слуховых ощущениях, о голосе, о музыкальных инструментах. Гельмгольц изучал процесс распространения нервного импульса по волокну и провел первые измерения скорости распространения нервного импульса у лягушки. Впоследствии в 1867-1870 гг. он провел совместно с русским ученым Н.Бакстом подобные измерения для человека. Скорость оказалась равной 30 см/с. До него считалось, что распространение возбуждения по нерву не является физическим процессом и не поддается измерениям. В области электрофизиологии он сконструировал «маятник Гельмгольца» - прибор, который позволял проводить периодические раздражения ткани с заданным интервалом. Примером синтеза физики и физиологии служит плодотворная работа немецких исследователей братьев Веберов. Старший, Эрнст Генрих (Emst Heinrich 1795-1878), анатом и физиолог, исследовал работу органов чувств и явился одним из основоположников экспериментальной психологии, заложив основы количественных измерений ощущений. В 1846 году он установил закон, который называется законом Вебера-Фехнера - чувствительность уха человека к звуку пропорциональна логарифму интенсивности звука (см.п.). Ощущение человека является субъективным процессом, поэтому абсолютные измерения силы ощущений невозможны, и Вебер предложил искать минимальные регистрируемые различия в ощущениях. Так, он установил, что минимальное изменение интенсивности звука dI, фиксируемое ухом человека, не зависит от интенсивности I слышимого звука и dI~0.1*I. Для осязания минимальное различие в ощущении тяжести груза dP не зависит от веса груза P и dP~0.3*P, а для зрения минимальная воспринимаемая разница в интенсивности света dJ не зависит от интенсивности J и соответственно dJ~0.01*J. Средний брат Вильгельм Эдуард, известный физик, именем которого названа единица магнитного потока, совместно с К.Ф.Гауссом разработал абсолютную систему электрических и магнитных единиц. Младший брат Эдвард (Eduard Friedrick Wilhelm Weber 1806-1871), физиолог, выполнил первые количественные измерения укорочения отдельных сокращающихся скелетных мышц. Он измерил скорость распространения пульсовых волн в артериях человека и установил пропорциональность силы, развиваемой мышцей, и площади ее сечения. В 1836 г. увидел свет совместный труд Вильгельма и Эдварда Веберов «Die Mechanik Der Menschlichen Gerverzeuge». В 1838 году вышел труд Эдварда Вебера «Quaestiones physiologicae de phaenomenis galvano-magneticis in corpore humano observatis». В этих работах, в частности, были впервые описаны последовательные перемещения центра масс тела при выполнении различных движений, проведены расчеты динамики отдельных кинематических звеньев тела человека как систем рычагов, определены параметры сегментов тела человека. Авторы считали, что поддержание вертикального положения тела обеспечивается натяжением связок при относительно небольшом участии мышечного напряжения. Тело человека они сравнивали с маятником, а процесс ходьбы рассматривался как обусловленное силой тяжести падение тела вперед и торможение падения, обусловленное весом и перемещением другой части маятника – опорной конечности. Немецкие исследователи Кристиан Бройн (Christian Wilhelm Braune 1831-1892) и Отто Фишер (Otto Fischer 1861 - 1917) выполнили первые биомеханические исследования движения тела человека в трехмерном пространстве при свободном перемещении и при наличии разных видов нагружения. В их книге «Der Gang des Menschen» (1895-1904) предложена методика анализа походки, которая используется и в наше время. Известный немецкий хирург Фридрих Тренделенберг (Friedrich Trendelenberg 1844-1924) исследовал особенности походки больных с врожденными вывихами бедра и последствиями неудачного сращивания перелома. Он обнаружил укорочение поврежденной конечности и описал компенсаторные изменения походки таких больных. Тренделенберг предложил располагать больных на операционном столе под углом 45 к горизонту вниз головой для пассивного оттока крови от нижних конечностей при проведение хирургических операций на варикозных венах и для перемещения кишечника при проведении гинекологических операций. Классические результаты, относящиеся к распространению пульсовых волн по кровеносным сосудам, были получены голландскими учеными Дидериком Кортевегом (1848-1941), его учеником Густавом де Фризом и Г.Лэмбом (1849-1934) [Korteweg]. Русский механик Ипполит Степанович Громека (1851-1889) заложил основы современной теории капиллярных явлений и теории винтовых движений жидкости, исследовал влияние деформации стенок сосудов на волновые течения крови [Громека 1883]. О.Франк (1865-1944) предложил теорию упругого резервуара для описания системы кровообращения [Frank 1930]. В трудах немецкого физиолога Карла Людвига (1816-1895) получили разрешение многие вопросы механизмов газообмена организма, деятельности сердечно-сосудистой системы, была предложена механическая теория мочевыведения (1846 г.) [БСЭ 1974 т.15]. Русский механик, основоположник аэродинамики и теории полета Н.Е.Жуковский (1847-1921) изучал также механику полета птиц («О парении птиц») и равновесия стеблей растений. Представление о роли щелочных и щелочноземельных ионов в процессах жизнедеятельности начало формироваться в конце XIX века (в том числе в работах С.Рингера). Современный этап исследований, в которых детально изучается взаимодействие ионов Ca2+ с наружной поверхностью возбудимой мембраны начался, как считают, в 1956-1957 гг., т.е. всего 35 лет назад [Костюк 86]. В первой половине XIX века были известны механизмы реснитчатого транспорта слизи в дыхательных путях (У.Шарпи, 1830), нелинейный характер упругости мягких тканей (М.Вертхейм, 1847). Упругие свойства тканей глаза обсуждал в это же время M.Bowman (1849). Ботаник Роберт Броун (Brown 1773-1858) в 1828 г. (по данным Энцикл словаря – 1827) наблюдал хаотическое движение частичек цветочной пыльцы и вначале полагал, что открыл новую микроскопическую форму жизни (парадокс состоит в том, что теперь хаотические движения действительно живых существ анализируются в терминах броуновского движения). После исследования мелких частиц минералов, мертвых и ископаемых образцов, Броун понял, что это движение свойственно достаточно мелким частицам любой природы и не объясняется присутствием живых организмов или конвективными потоками и испарением жидкости [Ford 1985]. Впоследствии Броун обнаружил и описал течения протоплазмы в тычинках традесканции, ядра в растительных клетках. Многие использующиеся поныне медицинские приборы и диагностические приемы были созданы в XIX веке. Французский врач Лаэннек (R.Laennec, 1819) разработал метод выслушивания звуков – тонов сердца, шумов над крупными сосудами, дыхательных хрипов – с помощью медицинской трубки, стетоскопа [БСЭ 1970 с.414]. В 1901 г. аускультация была впервые использована в ветеринарной практике венгерским исследователем Й.Мареком. Перкуссия появилась в арсенале практикующего врача в начале XIX века в результате обобщения работ Л.Ауэнбруггера (1761), Ж.Н.Корвизара (1808) и теоретического обоснования, проведенного в работах Й.Шкоды (1839) [БСЭ /перкуссия]. В 1895 г. известный немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген(1845-1923) обнаружил излучение (икс-лучи), которое теперь названо его и именем, позволяющее исследовать строение костей и скелета живого организма, неоднородности в структуре кости, характер и виды переломов костей – открытие, существенно повлиявшее на весь ход развития экспериментальной медицины, способствовавшее развитию биомеханики, в том числе молекулярной биомеханики (см.п.мышцы). В 1881 г. С.Баш (S.Bash) осуществил первое непрямое измерение систолического артериального давления по величине силы, которую надо было приложить извне с помощью специального баллона, чтобы исчез пульс лучевой артерии [БСЭ /медицина]. Более простой метод определения систолического давления в режиме декомпрессии артерии с помощью манжеты предложен в 1896 г. Рива-Рочи (S. Riva-Rocci). Рис. . Н.С.Коротков.Современный метод, основанный на прослушивании звуков, появляющихся после расправления стенки поджатой артерии, введен в медицину в 1905 году русским врачом Н.С. Коротковым (1874-1920) (см.п. 15.П.) [БМЭ /медицина, Lenichan 1980 GEN, Shevchenko 1996]. Доклад с изложением нового метода был заслушан на научном семинаре Императорской Военно-медицинской академии в Санкт-Петербурге 8 ноября 1905 г., а его перевод на английский язык появился лишь в 1941 г. [Shevchenko 1996]. Усовершенствование Коротковым метода Рива-Рочи состояло в более точном определении моментов времени, в которые измеряемое давление должно идентифицироваться с систолическим и диастолическим давлением артериальной системе. Эти моменты времени связаны с появлением механических колебаний звуковой частоты (звуки Короткова), а исследование закономерностей и условий их появления стало предметом детальных теоретических исследований (см.п.). Рис. . Сфигмоманометр Рива-Рочи, использо- вавшийся Н.С.Коротковым [Shevchenko 1996]. В конце XIX века начала развиваться экспериментальная реология. Принцип капиллярного вискозиметра был предложен еще в 1751 г. М.В.Ломоносовым, который назвал свой прибор «инструментом для исследования вязкости жидких материй по числу капель» [Чернух 1984]. В 1900 г. Хюрле (Hurle) использовал принцип капиллярной вискозиметрии для измерения вязкости крови in vivo. При этом в сосуд вставлялась микроканюля, соединенная с капилляром, по которому кровь попадала в мерную емкость, позволяющую определить ее объемный расход (flow-out-viscosimetry). В 1889 г. Ф.Н.Шведов впервые описал коаксиально-цилиндрический вискозиметр, с помощью которого он исследовал упруговязкие свойства растворов желатины, а через год появилось сообщение о вискозиметре М.Куэтта [Белкин 1968]. Физические явления все активнее использовались для количественных исследований физиологических процессов. В 1858г. Немецкий физиолог профессор медицины Karl von Vierordt (1818-1884) использовал стробоскопический эффект для измерения скорости кровотока в микрососудах плавательной перепонки лягушки. Считая, что эритроциты в сосудах движутся равномерно со скоростью v так, что разделяющие их средние расстояния h остаются неизменными, он определял скорость по частоте вспышек света, при которой наблюдалась кажущаяся остановка движения (каждая последующая клетка перемещалась на место предыдущей вниз по течению) [Чернух 1984]. При этом . Впоследствии стробоскопический метод использовался для измерения скорости кровотока в сосудах брыжейки и уха кролика.

К следующей странице