Механических свойств склеры и сосудистой оболочки

При исследовании механических свойств склеры и сосудистой оболочки для ориентации вводят систему координат с началом в сре­динной поверхности. Ось х₁ направляет по касательной к меридиа­ну, х₂ — по касательной вдоль экватора глаза, а х ₃ — по толщине ткани. Вдоль оси х₁ глаз разделен на три пояса одинаковой толщи­ны: I — передний; ІІ — экваториальный; III — задний.

Рис. 2 - Пояса и зоны глаза	Рис. 3 - Значение нормального модуля упругости при ВГД=2,67 кПа в различных поясах нормального (1) и близорукого глаза (2)

 

Пояса I и II характеризуются плотной упаковкой продольно и поперечно направленных коллагеновых волокон. В поясе II имеются также направленные волокна с хорошо выраженной вол­нистостью. Разнонаправленность и волнистость волокон усили­вается в поясе III и в области заднего полюса (ЗП). Жесткость мате­риала склеры различается по поясам, что видно из рисунка 3.

В поясе I отношение деформаций / равно 0,9, в поясах II, III и на заднем полюсе оно составляет 1,2; 1,25 и 1 соответствен­но. Следовательно, при повышении внут­риглазного давления склера растягива­ется больше в переднезаднем, чем эк­ваториальном направлении.

Сосудистая оболочка глаза, испытывающая внутреннее давле­ние со стороны стекловидного тела и наружное со стороны вязкой жидкости глазницы, находится в состоянии двухсторон­него растяжения. Модули упругости Е₂ сосудистой оболочки в поясах II и III выше модулей E₁.

Склера в макулярной зоне (зоне пятна) имеет максимальную толщину. Тем не менее деформация растяжения в этой зоне боль­ше, чем в экваториальной. В норме при одинаковом относитель­ном удлинении напряжения в окружном направлении больше, чем в меридиональном. Это физиологически целе­сообразно, так как рефракция регулируется в основном изменени­ем длины оси глаза. При высокой степени близорукости толщина склеры в заднем отделе и роговицы меньше, чем в норме. При структурной не­полноценности ткани склеры проявляют свойство накапливать микродеформации. Это при­водит к необратимому растяжению глазного яблока и прогрессиру­ющей близорукости.

 

 

№4 Механические свойства роговицы и склеры

Роговица и склера, представляя собой два сопряженных квазисферических сегмента с различным радиусом кривизны, образуют единую опорную корнеосклеральную оболочку глаза. Несмотря на то, что обе эти структуры являются соединительно-тканными образованиями, они обладают разными оптическими и механическими свойствами.

1. Эпителий;

2, 3. Кератоциты стромы;

4. Эндотелий;

5. Боуменова мембрана;

6, 7. Внеклеточный матрикс стромы: коллагеновые фибриллы и протеогликаны;

8. Десцеметова мембрана.

Роговица, благодаря своему регулярному строению (рис. 2, 3), характеризуется прозрачностью и высокой преломляющей способностью. Основная часть роговой оболочки – строма – сформирована параллельно расположенными (на расстоянии 20–40 нм друг от друга) коллагеновыми фибриллами, а также связующим веществом. Фибриллы, действующие как нагруженные опорные элементы, уложены, в свою очередь, в переплетающиеся пластины [41, 47, 92]. Тем самым, напряженно-деформированное состояние ткани роговицы определяется, прежде всего, механическими свойствами самих волокнистых структур, их особой архитектоникой, внутри- и межмолекулярными связями, а также биохимическим составом [37, 68, 76]. Кроме того, важную роль в формировании биомеханического статуса роговицы играют ее макропараметры (геометрическая форма и размеры, толщина, радиусы кривизны), характеризующиеся значительными колебаниями в зависимости от пола, возраста, общей преломляющей способности глаза (клинической рефракции) и т.п. Поэтому при построении биомеханических моделей, описывающих напряженное состояние роговицы и включающих область ее перехода в склеру (например, моделей радужно-роговичного угла) нужно учитывать достаточно большое число параметров, отражающих гетерогенность, анизотропность и асимметричность роговицы, а также воздействие на нее внутриглазного давления (ВГД) и глазодвигательных мышц.

Распределение механических напряжений в роговице во многом определяется соотношением ее биомеханических параметров с соответствующими параметрами сопряженной с роговицей склеральной оболочки глаза.

В отличие от роговицы, склера, вследствие хаотического расположения фибрилл и волокон, обладает высокой рассеивающей способностью, препятствующей проникновению боковых потоков света в полость глаза, и характеризуется другими механическими свойствами (см. ниже). Соотношение биомеханических показателей этих опорных оболочек (роговицы и склеры) до сих пор изучено явно недостаточно, хотя информация такого рода в настоящее время необходима офтальмологам для построения адекватной модели, позволяющей, в частности, прогнозировать эффект весьма распространенных рефракционных операций на роговице [66, 84]. Кроме того, изучение патогенеза кератоконуса и прогрессирующей миопии, в развитии которых большую роль играет повышенная растяжимость роговицы и склеры, также требует детальных знаний о биомеханическом взаимодействии этих глазных структур [3, 76].

Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что материал роговицы отличается биомеханической анизотропией и неоднородностью [41, 42]. Целый ряд работ посвящен определению основных упруго-прочностных показателей этой уникальной ткани в норме и даже при некоторых патологических состояниях [1, 2, 57, 61, 65, 67, 78, 100].
Определение механических параметров изолированной роговицы дает большой разброс показателей, обусловленный, по всей видимости, как различными условиями эксперимента, так и нелинейными биомеханическими свойствами материала роговицы (59). Зависимость "напряжение–деформация" для роговичной ткани обычно описывается не законом Гука, а экспоненциальным уравнением вида
σ=A[exp(Bε)-1],
где A и B – физические константы [76, 94, 100].

№5 Определение напряжения в склере, возникающее под действием внутриглазного давления.

Рассмотрим результаты испытаний на разрывной машине ме­ханических свойств роговицы и склеры. Из каждого глаза спе­циальным штампом вырезают серийные образцы. Об­разец 3 вырезают строго в радиальном направлении относитель­но продольной оси глаза, образцы 1,2 и 4,5 — в окружном направлении. Направление вырезания образцов 6 и 7 — мериди­ональное и окружное соответственно. Кроме того, вырезают еще один образец таким образом, чтобы в его рабочей части находил­ся лимб.

 

 

Рис.1 - Расположение образцов, вырезаемых из роговицы (І) и склеры (ІІ) для механических испытаний.

 

 

Материал каждого образца считают однородным и нелинейно-упругим; Роговицу и склеру рассматривают как обо­лочки из ортотропного (по-разному деформирующегося во вза­имно перпендикулярных направлениях) материала, оси упругой симметрии которого совпадают с координатными осями роговицы и склеры.

Истинное напряжение в момент разрыва * образца определяли как отношение разрывной нагрузки Р к площади поперечно­го сечения S, а относительное удлине­ние * в момент разрыва — как отно­шение максимального удлинения образ­ца в момент разрыва к его первоначальной длине . В результате эксперимента получены следую­щие результаты:

Номер образца	Напряжение в момент разрыва *, МПа	Относительное удлине­ние * в момент разрыва
	9,99	0,446
2, 4	8,49	0,445
1, 5	5,49	0,370
6, 7	4,53	0,345
Образец, включающий лимб	3,72	0,412

 

Матери­ал роговицы в радиальном направлении (образец 3) обладает наибольшей проч­ностью и запасом деформационной способности. Резко снижается прочность в образцах, включающих в себя лимб.

Диапазон напряжений в роговице при внутриглазном давлении 2,72 кПа находится в пределах 1−1,2∙10⁵ Па, в склере 1,6 −1,7∙10⁵ Па. Соответственно этим значениям напряжений модуль нормальной упругости для радиального направления роговицы бу­дет равен 3,8−4,5∙10^б Па, для окружного направления 2,8−3,4∙10⁶ Па; склеры 5,1−5,4∙10⁶ Па.Коэффициент Пуассона при внутриглазном давлении 2,72 кПа составил для склеры 0,33-0,35; для роговицы в радиальном направлении 0,45, в окружном от 0,29 (образцы 2, 4) до 0,35 (образцы 1, 5). Наибольшая жесткость в роговице наблюдается при растяжении в радиальном направлении. При растяжении в окружном направ­лении материал роговицы проявляет примерно одинаковые свойства по окружности роговицы. Модуль упругости в этом направ­лении на 25 % меньше модуля упругости в радиальном направ­лении при внутриглазном давлении 2,72 кПа.

№6 Лечение отслоения сетчатки (биомеханика).

Отслоение сетчатки глаза

Самым тяжелым заболеванием органов зрения является отслоение сетчатки глаза. При несвоевременном диагностировании и неправильном лечении отслоения сетчатки глаза, оно может привести к слепоте.
Отслоение происходит в результате разрыва сетчатки глаза, при котором под сетчатку попадает внутриглазная жидкость и отделяет ее от сосудистой оболочки. Этот процесс называется первичным отслоением.
Вторичное отслоение происходит в результате появления между сетчаткой глаза и сосудистой оболочкой опухолей или других образований. Среди причин, вызывающих отслоение сетчатки глаза, можно выделить нарушения кровообращения, вирусные заболевания, сильные физические нагрузки, травмы, стрессовые ситуации.
Отслоение сетчатки может диагностировать только врач-офтальмолог с использованием специальных аппаратных средств, после чего необходимо лечение и укрепление сетчатки глаза.
Существует ряд симптомов, сигнализирующих о необходимости посетить кабинет окулиста и, возможно, начать срочное лечение отслойки сетчатки. Это, прежде всего, появление нехарактерных зрительных эффектов: вспышек, искорок, мушек, затуманивания зрения. В большинстве случаев наблюдается снижение поля зрения, деформация и колебание видимых предметов. Отслоение сетчатки глаза нередко сопровождается повышением давления, снижением остроты зрения и ощущением косоглазия.
Лечение отслоения сетчатки глаза

В ходе диагностики в зависимости от подвижности, высоты и распространенности отслоения определяется тип заболевания и назначается соответствующее лечение и укрепление сетчатки глаз. В большинстве случаев лечение сетчатки проводится хирургическим путем. Самыми распространенными методами являются экстрасклеральное балонирование (пломбирование) и витрэктомия.

Первый метод лечения сетчатки позволяет "присоединить" сетчатку к сосудистой оболочке и укрепить ее при помощи лазера. Второй метод заключается в удалении рубцов, крови и прочих образований из стекловидного тела.

7.Ударное нагружение позвоночника. Все живые существа подвергаются динамическим воздействиям независимо от того, в покое они или в движении. Мы тратим массу усилий на борьбу с земным притяжением и во сне, и наяву. Это сила огромная. Именно земное притяжение является главной причиной механических повреждений. И здесь речь идет не столько о травмах – ушибах, вывихах, переломах, сотрясениях и ссадинах, вызванных падениями, сколько о последствиях постоянно действующих ударных нагрузок при обыкновенной ходьбе, беге, прыжках, поездках. В основе главной, хоть и незаметной проблемы – так называемый молотковый эффект. При падении тело испытывает ускорение и приземляется на твердую поверхность с силой, в несколько раз превышающей вес тела. Величина повреждающей силы равна весу падающего предмета, умноженному на отношение высоты падения к расстоянию, на котором происходит амортизация. Если расстояние амортизации всего 2 см, то при падении с высоты 5 см возникает ударная сила в 2.5 раза превышающая вес предмета. При отсутствии амортизации земное притяжение действует крайне разрушительно. В медицинской практике зарегистрированы случаи компрессионного перелома позвоночника, когда человек просто неудачно садился на твердый пол. Поэтому даже обычная ходьба может приводить к возникновению повреждающей ударной нагрузки.

Процесс ходьбы и бега – это процесс непрерывного падения. Ударная нагрузка зависит от того, насколько близко мы подносим ногу к поверхности, на которую будем опираться в следующем шаге, и насколько хорошо мы будем амортизировать оставшиеся сантиметры падения. Разница между бегом и ходьбой только в том, что при ходьбе одна из ног всегда опирается на поверхность и в образовании ударной нагрузки участвует только половина или даже меньше половины веса тела. Сколько именно - зависит от походки и от неровности дороги. Важен момент переноса веса тела с одной ноги на другую - насколько плавно переносится этот вес и как близко вторая нога находится от поверхности в момент этого переноса. Эта сложная динамика и определяет мягкость походки. Бег же, по сути, сплошная вереница прыжков: ноги касаются земной тверди лишь на мгновение, чтобы оттолкнуться.

Ударные нагрузки зависят от того, с какой энергией наше тело обрушивается на опорную конечность, и от способности ее смягчать столкновение с землей. На амортизацию ударных нагрузок телу требуется не меньше мышечных ресурсов, чем на то, чтобы отталкиваться от земли. Если у организма их недостаточно, то человек быстро устает, переходит на шаг, замедляет темп ходьбы, начинает волочить ноги, сутулиться и мечтает только о том, чтобы где-нибудь присесть. С ходьбой то же самое, а все потому, что организм должен защищаться от толчков, ударов и сотрясений. К ударным нагрузкам наиболее чувствительны элементы скелета: отдельные кости, подвижные сочленения костей – суставы и позвоночник.

Как организм защищает суставы и позвоночник от ударных нагрузок? Главным амортизирующим элементом при ходьбе и беге является ступня, а главной амортизирующей мышцей – передняя мышца голени, управляющая положением ступни. Ступня снижает ударную нагрузку до 17 раз, тогда как остальные элементы амортизации – не более чем в 2-3 раза. Вторым эшелоном защиты являются мышцы ног, но они включаются в процесс амортизации только при беге и прыжках.