Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в офтальмологии имеется ряд проблем, которые не могут быть полностью решены только с помощью известных клинических и экспериментальных методов. В частности,
до настоящего времени в офтальмологии не существует общепринятой концепции внутреннего строения и функционирования структурных элементов глаза;
врачи-офтальмологи в большинстве случаев вынуждены производить оценку степени тяжести патологий только качественно;
существует необходимость в совершенствовании ранее разработанных и создании новых перспективных методов диагностики и лечения глазных патологий.
Многие выдающиеся ученые: профессор В.В. Волков, профессор С.Н. Федоров, профессор Э.С. Аветисов и др. отмечают, что прогресс в решении этих вопросов может быть достигнут на стыке офтальмологии и точных наук, в частности, при применении математического моделирования и системного анализа строения и функционирования внутриглазных.структур.
Основная регуляция оттока водянистой влаги (ВВ), участвующей в метаболизме органов и тканей и поддерживающей определенный уровень внутриглазного давления (ВГД), осуществляется через дренажную систему глаза путем воздействия цилиарной мышцы на ее структурные элементы. Цилиарная мышца также участвует в процессе аккомодации (изменении рефракции). Так, например, при сокращении волокон этой мышцы хрусталик округляется и глаз получает способность видеть предметы, расположенные вблизи, но с другой стороны, при этом натягивается трабекула, изменяется просвет шлеммова канала (ШК), и отток водянистой влаги меняется.
Проведение исследований особенностей связанного и независимого функционирования дренажной и аккомодационной регуляторных гистем глаза позволило бы на современном уровне объяснить некоторые закономерности нормального и патологического функционирования знутриглазных структур, предсказать и предупредить нарушения регуляции ВГД при операциях, вносящих изменения в аккомодационную :истему (удалении катаракты, имплантации интраокулярных линз), сказать перспективные направления создания новых, более прогрес-зивных методов лечения и диагностики некоторых глазных болезней, :вязанных с патологическим изменением ВГД: глаукомы, преглаукомы, эфтальмогипертензии, а также свести до минимума сложные оператив-
ные методы лечения таких патологий. Так, начальные стадии глаукомы, возможно, могли бы лечиться не сложными хирургическими операциями, связанными со вскрытием глазного яблока, а лишь ношением специально подобранных очков.
Многие исследователи отмечают, что известные клинические, включая физиологические, методы не в состоянии обеспечить исследования на системном уровне (Горизонтов П.Д., 1981; Ананин В.Ф., Ананин В.В.,1994 и др.). При этом, именно системный, математический и биомеханический подход позволил бы проанализировать и объяснить процессы связанного и независимого функционирования основных внутриглазных систем регулирования (управления), особенно -дренажной и аккомодационной, дав импульс для соответствующих исследований в офтальмологии.
Цель работы. Цель настоящей работы заключалась в разработке и анализе математических моделей с прямым управлением связанного и независимого функционирования дренажной и аккомодационной внутриглазных систем регулирования в норме и при патологиях, с учетом современных данных о строении и работе структур человеческого глаза.
Достоверность полученных результатов обеспечивается их качественным, а в отдельных случаях, количественным совпадением с данными офтальмологической практики и клинических экспериментов, а также использованием апробированных методов построения и исследования математических и биомеханических моделей.
Научная новизна. Качественно проанализировано с точки зрения теории управления взаимосвязанное функционирование основных внутриглазных регуляторних систем: дренажной, аккомодационной, пупил-ломоторной и продукционной, выбраны необходимые гипотезы об особенностях их взаимосвязанной работы.
Разработана и проанализирована математическая модель с прямым управлением связанного функционирования дренажной и аккомодационной регуляторных систем, опирающаяся на новейшие клинические данные о строении и функционировании рассматриваемых систем. В рамках общей модели разработана математическая модель кинематической схемы связанного функционирования.
Построены уточненная общая биомеханическая модель, а на ее основе, различные математические модели независимого функционирования дренажной регуляторной системы, учитывающие индивидуальные
биомеханические особенности строения и функционирования дренажной зоны глаза в норме и при патологиях нарушения оттока.
Проведена постановка задачи и разработка математических моделей воздействия результирующего вектора усилия цилиарной мышцы и радужки на шлеммов канал, на основе математического и последующего компьютерного моделирования проанализировано изменение параметров оттока ВВ через ШК. впервые на основе биомеханического анализа клинических данных установлена и математически описана возможность возникновения гидравлического блока ШК.
Практическая значимость работы. На основе разработанных и проанализированных в работе математических моделей независимого и связанного функционирования внутриглазных систем предложено биомеханическое обоснование современных методов диагностики и лечения некоторых заболеваний, связанных с нарушением дренажного оттока ВВ, а также - отдельных заболеваний, связанных с патологическим изменением аккомодационной системы глаза. В частности, предложено теоретическое обоснование и сделаны практические рекомендации по применению наиболее распространенной в настоящее время антиглаукомной операции - лазерной трабекулопластики; разработана рабочая биомеханическая классификация контузионного подвывиха хрусталика (КПХ) и проанализированы его патологические последствия для основных регуляторных систем глаза с учетом биомеханического типа ушиба глазницы.
На основе проведенных исследований впервые разработан новый способ лечения заболеваний, связанных с нарушением дренажного оттока водянистой влаги: глаукомы, преглаукомы, офтальмогипертензии (приоритетная справка на патент N 97113551 от 6.08.97).
Внедрение результатов работы в практику. Основные перспективные разделы выполненного диссертационного исследования внесены в Отраслевую Программу по борьбе с глаукомой на 1998-2001 год, головным исполнителем которой является МНИИ глазных болезней (ГБ) им. Гельмгольца.
Отдельные перспективные направления диссертационного исследования продолжаются в виде договорных работ по проекту "Разработка принципов построения антропоморфных манипуляторов", входящему в научно-техническую программу "Робототехника для экстремальных условий" и выполняемую в отделе перспективных разработок и математического моделирования ЦНИИ "Робототехники и технической
- A -
кибернетики" .
Материалы диссертации используются в лекциях и практических занятиях на различных циклах усовершенствования врачей, а также при обучении интернов и клинических ординаторов в Санкт-Петербургской Медицинской Академии последипломного образования. Ярославской Государственной медицинской Академии (ЯГМА). Ведется апробация предложенного по результатам диссертационного исследования способа лечения глаукомы на кафедре глазных болезней ЯГМА и в отделении патологии глаз у детей МНИИ ГБ им. Гельмгольца.
Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на: Российской научно-технической конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России" (Санкт-Петербург, 1995); Всероссийской студенческой конференции-олимпиаде "Динамика и прочность машин" (Санкт-Петербург, 1995); Научно-технической конференции студентов СПбГТУ (1995); лекциях в Санкт-Петербургском филиале МНТК "Микрохирургия глаза" (1996); заседании кафедры "Теоретическая механика" СПбГТУ (1996); Всероссийской научной конференции "Биомеханика-96"(Нижний Новгород, 1996); научно-технической конференции студентов СПбГТУ поев. 25-й недели науки (1996); заседаниях Санкт-Петербургского научного медицинского общества офтальмологов(199б-1998); заседании кафедры глазных болезней ЯГМА (Ярославль, 1997); научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 1997); XXV-й летней школе-семинаре по нелинейной механике (Санкт-Петербург, Репино, 1997); I Российском семинаре-коллоквиуме по биомеханике глаза в МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца (Москва, 1997); лекциях на кафедре офтальмологии СП6МАП0 (1997, 1998). Работа в целом докладывалась на заседании-семинаре кафедры "Теоретическая механика" СПбГТУ (1998).
Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (одна глава) и собственных исследований (три главы), заключения, выводов, указателя литературы и приложения. Диссертация изложена на 195 страницах машинописного текста Работа иллюстрирована 52 рисунками, содержит 2 таблицы. Список литературы включает 97 работ отечественных и 76 работ иностранных авторов.