Измерение температуры тела и ее взаимосвязь с болезнями это один из самых старых способов диагностики в медицине. Известно, что заболевания протекают с нарушением энергетического обмена организма [1] или отдельных тканей, т.е. изменение температуры вызвано нарушением энергетического обмена. Однако температура на поверхности кожи распределена неравномерно и имеет характерные особенности для больного и здорового организма. Инфракрасное тепловидение в медицине основано на анализе распределения кожной температуры. При этом распределение температуры определяется в основном кожным кровотоком и подкожной температурой внутренних органов, но в любом случае изменения температуры вызваны отклонением энергетического обмена. Диагностика патологий внутренних органов может осуществляться несколькими способами. Один из них основан на анализе тепловизионного изображения соответствующего геометрической проекции на кожу внутреннего органа с патологией. Для другого способа, анализ тепловизионного изображения осуществляется на определенных участках кожи (зоны Захарьна-Геда или Head zone) не соответствующих геометрической проекции внутреннего органа. Проекционные зоны Захарьина-Геда были открыты еще в 1883 году известным русским терапевтом Г.А.Захарьиным, а несколько позже, в 1898 году, - Гедом. Зоны Захарьина-Геда - ограниченные участки кожи (зоны), в которых при заболеваниях внутренних органов часто появляются отраженные боли, а также изменения чувствительности в виде болевой и температурной гиперестезии. Анатомо-физиологиче-ской основой возникновения таких зон является метамерное строение сегментарного аппарата спинного мозга, имеющего постоянную анатомическую связь как с определенными участками кожи (дерматомами), так и с внутренними органами (спланхнотомами). В процессе эмбрионального развития взаиморасположение внутреннего органа и иннервирующего его сегмента спинного мозга значительно изменяется, однако их нервные связи сохраняются [2]. У здорового человека эти зоны почти не отличаются от соседних участков кожного покрова, но при нарушении функции соответствующего органа, даже когда еще нет клинических проявлений болезни, в этих зонах изменяются температура, чувствительность, электрические потенциалы и обмен веществ. Поэтому температурные изменения зон рассматриваются как патологические данные. Далее будем рассматривать особенности изменения температур в зонах Захарьина-Геда.
Цель данного исследования - разработать математическую модель, позволяющую осуществить количественную оценку отклонения энергетических процессов внутреннего органа от нормы.
Рис. 1. Схема расположения зон Захарьина-Геда
Так как эти зоны не соответствуют проекциям внутренних органов, то температурные изменения в этих зонах вызваны изменением кровотока. Нервная система, регулирующая кровоток, делает возможным отвод тепла в определенные зоны. Экспериментальные данные, полученные в институте РАН радиофизики и электроники им. Котельникова, представлены на рис. 2. Справа изображена шкала относительного распределения температур на теле пациента.
Рис. 2. Термокарта пациента с заболеванием стенокардия
А - без нагрузки Б - при небольшой нагрузке (сжатые кулаки) В - область наибольшего изменения температуры (после компьютерной обработки)
На рис. 2 показано, как человек с больным сердцем реагирует на функциональную пробу, сжатие кулаков в течение нескольких минут. В результате температура соответствующих зон Захарьина-Геда (над сердцем и на левом предплечий) понижается. В [3] также приводится термокарта человека с больной печенью, у которого нагрузка на печень (сахарная проба) приводит к существенному понижению температуры в зоне Захарьина-Геда.
В [2] указано, что на слабые сигналы организм отвечает положительной обратной связью и отрицательной - на сильные. Отклик организма на слабое тепло коренным образом отличается от отклика на сильное. Слабые сигналы воспринимаются как активирующие, а сильные как противодействие внешнему воздействию.
Инфракрасное тепловое изображение этих зон можно количественно оценить с помощью описанной ниже численной модели. Мы рассмотрим взаимосвязь патологического органа с участком кожи на примере сердца.
Сначала мы рассмотрим модель на основе уравнений теплового баланса для человека, находящегося в комфортных условиях. Она включает уравнения теплового баланса для каждого органа. Величины потребления кислорода и минутного объема сердца физиологические параметры модели [4]. Мощность теплопродукции была рассчитана на основании потребления кислорода, а минутный объем крови использовался для оценки теплопереноса кровью.
На рис. 3 сплошными линиями показано направление кровотока, а пунктирные показаны потоки тепла в окружающую среду. Каждый структурный элемент характеризуется мощностью теплопродукции - P, минутным объёмом крови - G и температурой - t с соответствующими индексами (элемент «остальное» включает кости, костный мозг, жировую и соединительную ткань и т.д. [4]). Поток тепла в окружающую среду поступает через органы дыхания (Qд) и кожу (Qвк) (испарение, излучение, конвекция). Параметрами окружающей среды являются температура tс, влажность φc, скорость движения воздуха υc, давление pб.
Рис. 3. Структурная схема теплового баланса для человека
В построенной модели были приняты следующие допущения:
1) перенос тепла осуществляется только системой кровообращения;
2) структурные элементы, изображенные на рисунке 3, приняты за идеальные теплообменники;
3) теплообмен в кровеносных сосудах, соединяющих структурные элементы, не учитывается;
4) теплообмен между сердцем и перекачиваемой им кровью не учитывается.
Для вычисления теплообмена мозга было сделано первое допущение [5]. Это вычисление показало основную роль кровообращения в теплообмене.
Из второго допущения следует, что температуры крови, покидающей орган, равна температуре этого органа. Это было подтверждено косвенными измерениями и теоретическими расчетами [6].
Третье и четвертое допущение основано на незначительном теплообмене больших сосудов [6]. Для аорты и верхней и нижней полых вен число Грейца>1000, что означает малый теплообмен с тканью. Артериолы, капилляры и венулы являются идеальными теплообменниками, т.е. кровь, покидающая их, равна температуре ткани. Для них число Грейца<0.4. Для промежуточных кровеносных сосудов 6<число Грейца<54.
На основании структурной схемы, представленной на рис. 3, была решена следующая система уравнений теплового баланса в программе MathCad:
(1)
где с - теплоемкость крови; tп-жкт - средняя температура крови, поступающая от почек и желудочно-кишечного тракта; tвх - средняя температура крови, поступающая от всех структурных элементов. Значения коэффициентов системы уравнений (1) приведены в [4].
Получены следующие результаты: tc=37.98°С, tл=37.48°С, tвх=37.51°С, tмг=37.80°С, tп=37.55°С, tжкт=37.55°С, tп-жкт=37.55°С, tпь=37.68°С, tост=37.73°С, tм=37.76°С, tк=32.05°С.
Заболевание органа может сопровождаться изменением метаболических процессов больного органа. В модели этому изменению соответствует изменение мощности теплопродукции больного органа. Чтобы поддержать постоянной температуру тела необходимо, чтобы скорость теплопродукции была равна скорости теплоотдачи - это условие теплового баланса, при этом основная часть теплообменных процессов осуществляется через кожу (85%). Наиболее быстрым и эффективным способом изменения теплоотдачи является изменение кровотока кожи. При этом температура органа может не изменяться, а область измененной температуры кожи совпадает с областью измененного кровотока.
Рассмотрим отвод тепла в зоны Захарьина-Геда на примере сердца. На рис. 4 изображена схема, по которой осуществлялся расчет.
Рис. 4. Структурная схема расчетной модели для заболевания сердца
На рис. 4 приняты следующие обозначения: Pсз - мощность теплопродукции сердца, Gсз - минутный объем крови сердца, tсз - температура сердца, Pкз - мощность теплопродукции кожи в зоне Захарьина-Геда, Gкз - минутный объем крови в участке кожи зоны Захарьина-Геда, tкз - температура кожи в зоне Захарьина-Геда, Sкз - площадь участка кожи зоны Захарьина-Геда с отклонением температуры. Величина Pсз задается с некоторым отклонением (шаг 5%) от нормы.
Так как изменения Gсз и tсз неизвестны, необходимо решить системы уравнений для двух крайних случаев:
1 - Gсз равно нормальному значению, это соответствует максимальному изменению tсз;
2 - tсз равно нормальному значению, это соответствует максимальному изменению Gсз.
Для каждого случая была решена система уравнений (2) с заданным отклонением Pсз и Sкз: для первого случая относительно неизвестных f(tсз,Gкз,tкз); для второго случая относительно неизвестных f(Gсз,Gкз,tкз). Было предположено, что все параметры всех органов, кроме органа с патологией и участка кожи зоны Захарьина-Геда, остаются неизменными.
(2)
где k(Sкз) - доля поверхности участка кожи от общей поверхности тела (S):
(3)
Qвкз - тепловой поток от участка кожи зоны Захарьина-Геда определяется как сумма тепловых потоков, возникающих при конвекции (Cкз), излучении (Rкз) и испарении (Eкз):
(4)
Pкз - определяется формулой:
(5)
На рис. 5 представлены результаты решения системы уравнений (2) для двух случаев. Повышающееся отклонение мощности теплопродукции построено на рис.5А. Понижающееся отклонение мощности теплопродукции построено на рис.5В. Мы видим, что для двух крайних случаев отклонения незначительны. Так как рассмотренный случай характеризуется понижением температуры в зоне Захарьина-Геда, то определить величины отклонения метаболизма от нормы можно с помощью рис.5В. Известно, что стенокардия сопровождается понижением метаболизма и снижением минутного объема крови [4].
A - повышающаяся теплопродукция; B - понижающаяся теплопродукция
Рис. 5. Зависимость отклонения температуры от площади участка кожи зоны Захарьина-Геда при различных мощностях теплопродукции сердца (сплошная линия для первого случая; пунктирная линия для второго случая)
Чтобы перейти от среднего значения температуры кожи к измеренному используем равенство:
(6)
где tизм - среднее значение температуры кожи, измеренное в зоне Захарьина-Геда при заболевании;
tнорм - среднее значение температуры кожи в зоне Захарьина-Геда для нормального состояния.
Конечно, для получения более точных результатов необходимо проанализировать влияние введенных допущений на результаты вычислений. Построенные зависимости могу быть использованы для определения величины терапевтического воздействия и могут быть построены для других внутренних органов с патологией. Как было отмечено в [7,8] клиническая эффективность лазерной терапии при воздействии на зоны Захарьина-Геда подтвердила свое благоприятное действие. Было отмечено улучшение клинических и внешних параметров дыхания у пациентов, подвергающихся воздействию вибромассажа в зонах Захарьина-Геда - трахеи-бронхи-легкие [9]. Однако для каждого случая необходим индивидуальный подход, предложенная модель может быть полезна для определения продолжительности и силы воздействия физиотерапевтических процедур на зоны Захарьина-Геда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беркович Е. М. Энергетический обмен в норме и патологии / Е. М. Беркович. - М.: Медицина, 1964. - 282 с.
2. Мороз
О.П. Исследователи радиотехники
и электроники изучают экстрасенсов / Литературная газета,
1988. http://
www.galactic.org.ua/pr-nep/Fiz-98.htm
3. Годик Э.Э. Динамическое картирование физических полей и излучений биологических объектов /Э.Э. Годик, Ю.В. Гуляев // http://www.ras.ru/FStorage/download.aspx?Id=683377dc-0a84-4fdd-9c5d-21529851b8d9
4. Фолков Б. Кровообращение / Б. Фолков, Э. Нил. - М.: Медицина, 1976.- 465 с.
5. Ермакова И.И. О переносе тепла кровью. / И.И. Ермакова, К.П. Иванов. Физиология человека// 1987. т. 13, № 1. С. 103-108
6. Ермакова. И.И. Математическое моделирование процессов терморегуляции у человека. Итоги науки и техники. ВИНИТИ, Физиология человека и животных. 1987. т.33. 136 с.
7. Stazhadze L.L. The treatment and prevention of ischemic heart disease in stress states by using laser radiation and transcutaneous electric nerve stimulation / L.L. Stazhadze, V.P. Lapshin, I.Z. Nemtsev at al// Aviakosmicheskaia i ekologicheskaia meditsina. 1992.V.26, № 5-6. P.75-78
8. Korochkin I.M. Helium-neon laser therapy in the combined treatment of unstable stenocardia / I.M. Korochkin, G.M. Kapustina, E.V.Babenko at al // Sovetskaia meditsina. 1990; V.3, P.12-15
9. Seraia E.V. Comparative efficacy of various massage techniques in the rehabilitation treatment of patients with inhalation trauma early after admission to the hospital. // E.V. Seraia, V.P. Lapshin, L.P. Loginov at al // Vopr Kurortol Fizioter Lech Fiz Kult. 2002. V.5, P.32-3.