Способ определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма и компьютеризированное устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицине, в частности к патофизиологии, а более конкретно к способам и устройствам для определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма. Способ предусматривает локацию тканей живого организма ультразвуковым доплеровским датчиком и последующее определение скоростных характеристик перфузии с помощью компьютеризированного устройства. Датчик устанавливают так, чтобы в области прозвучивания отсутствовали сосуды диаметром более 1,0 мм. Максимальный и средний объемы кровотока Qmax, Qср определяют по формуле Qmax/ср=Vmax/ср•Sпр, мл/с, где Vmax/ср - скорость движения крови на участке ткани, Sпр - площадь сечения приведенного сосуда, Sпр=Кпл•d/2•H, где Н - глубина зондирования, d - диаметр рабочей поверхности датчика, К_пл - коэффициент плотности заполнения микрососудами среза тканей в зоне зондирования, для рабочих частот 20, 10 и 5 МГц он равен 0,02; 0,24 и 0,33 соответственно. Устройство для осуществления способа содержит ультразвуковой доплеровский датчик, соединенный с согласующим устройством, между которым и устройством звукового контроля размещена звуковая карта, связанная с интерфейсом пользователя, включающим блок базы данных и соединенным с устройствами визуализации и регистрации. Использование изобретения позволяет повысить достоверность определения результатов характеристик перфузии. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к медицине, в частности к патофизиологии, а более конкретно к способам и устройствам для определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма, и может быть использовано как при экспериментальных исследованиях на животных и в физиологии труда, так и в клинической практике, например, для контроля перфузионных процессов при фармакологическом, физиотерапевтическом воздействии при лечении заболеваний, связанных с нарушением жидкостного обмена в тканях организма.

Наиболее успешно заявляемое изобретение может быть использовано для исследования жидкостного обмена в слизистых и мышечных тканях.

Наиболее известен и распространен способ исследования объемного кровотока методом электроплетизмографии (Кедров А.А. Электроплетизмография как метод объективной оценки кровообращения. Автореф. дисс. докт., Л., 1949), основанный на изменении импеданса участка тела между наложенными на его поверхность электродами, между которыми пропускается ток малой амплитуды и высокой частоты (60-600 КГц). Приращение импеданса пропорционально приращению объема кровотока. На регистрацию электроплетизмограммы влияют дыхание, межклеточные потенциалы, качество контакта кожа-электрод и прочие условия проведения измерений.

Электроплетизмография (реография) - сугубо косвенный метод для исследования показателей кровотока. Кроме того, реографический метод дает возможность получить данные о полном кровотоке в объеме между электродами, т.е. во всех сосудах данного участка тела, но преимущественно артериального типа, т. к. регистрируется и обсчитывается кривая пульсовой волны, которая определяется наличием крупных артериальных сосудов в исследуемом участке тела.

Таким образом, выделить перфузионную составляющую кровотока методом реографии практически невозможно, т.к. известно, что на уровне микроциркулярного кровотока пульсация практически отсутствует.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип изобретения (способа и устройства, соответственно), являет способ измерения тока крови микрососудов пародонта и устройство для его осуществления- ультразвуковой доплеровский индикатор кровотока, описанные в заявке 98113703/14 от 10.07.98г., кл. А 61В 8/06, по которой принято решение Экспертизы от 24.02.00 г. о выдаче патента на изобретение.

Способ предусматривает получение числовых значений величины и направления скорости кровотока единичного микрососуда в тканях пародонта методом ультразвуковой доплерографии путем их локации с помощью ультразвукового доплеровского датчика и последующей обработки полученных данных - обсчета доплерограммы выбранного участка в соответствии с заложенной в программное обеспечение (персональный компьютер) устройства программой обработки доплеровского сигнала и вывода информации на монитор или внешний носитель.

Недостатком прототипа является невозможность его использования для определения скоростных характеристик - линейных и объемных скоростей перфузии (жидкостного обмена) в тканях живого организма на различной глубине и в конкретно выбранной точке из-за того, что в прототипе программа обработки доплерограмм предназначена для расчета параметров только артериального кровотока.

Кроме того, недостатком устройства для реализации данного способа является невозможность оперативной смены датчиков в процессе медицинского исследования, а также отсутствие возможности выявления полезного сигнала на фоне собственных шумов, например путем подавления последних непосредственно программными средствами устройства.

Изобретение направлено на повышение достоверности результатов определения скоростных и объемных характеристик микроциркулярного кровотока и перфузии методом ультразвуковой доплерографии в любых системах, органах и тканях живого организма.

При этом решена задача создания простого, надежного и эффективного способа и устройства, позволяющих с минимальными временными и материальными затратами осуществлять определение скоростных и объемных характеристик микроциркулярного кровотока и перфузии в тканях живого организма на различной глубине и в конкретно выбранной точке с выявлением направления составляющих перфузии.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма, предусматривающем локацию тканей ультразвуковым доплеровским датчиком с последующей математической обработкой доплерограмм по программе с помощью компьютеризированного устройства, в отличие от прототипа, ультразвуковой датчик и его частоту зондирования выбирают в зависимости от задачи исследования, например глубины исследуемого участка ткани организма, и устанавливают в точке зондирования, преимущественно таким образом, чтобы в области прозвучивания отсутствовали крупные сосуды, например диаметром более 1,0 мм, а последующее определение числовых значений объемных характеристик перфузии - максимального Q_max и среднего Q_cp. объемов микрокровотока - через исследуемый участок ткани осуществляют с использованием предварительно рассчитанных по программе величин линейных скоростей кровотока, например максимальной V_max и средней V_cp в этом участке, по формуле Q_{max/ cp}=V_{max/ cp}•S_пp, где V_{max/ cp} - максимальная или средняя скорость движения крови, а S_np - площадь сечения приведенного сосуда, которую определяют исходя из выражения S_np=К_пл•d/2•Н, где Н - глубина зондирования (локации ); d - диаметр рабочей поверхности датчика; К_пл - коэффициент плотности заполнения микрососудами среза тканей в зоне ультразвукового зондирования, при этом числовые значения коэффициента К определяют экспериментально-расчетным путем и /или путем экспертных оценок в зависимости от частоты выбранного датчика и глубины локации, например эмпирически по данным патофизиологических исследований различных видов тканей.

В зависимости от конкретных целей медицинского исследования ультразвуковой датчик и его частоту зондирования выбирают, как правило, в диапазоне 5-25 МГц, что на практике осуществляют применением набора датчиков с разными зондирующими частотами, перекрывающими весь вышеуказанный диапазон. При этом контроль положения датчика относительно исследуемого участка ткани в процессе его установки осуществляют визуальным и/или акустическим способом, например с помощью компьютеризированного устройства.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Для получения данных о линейной скорости движения жидкости в исследуемом участке тканей выбранный в соответствии с задачами исследования ультразвуковой датчик (рабочие частоты 5, 10, 20 (25) МГц) устанавливают в точке УЗ-зондирования и, изменяя положение УЗ-головки датчика, добиваются такого положения, при котором в области прозвучивания отсутствуют крупные сосуды (D>1,0 мм) и проявляется максимальный доплеровский сигнал - слабо пульсирующий низкочастотный сигнал, который контролируют на слух и визуально по экрану монитора компьютеризированного устройства (прибор ММ-Д-К); затем обрабатывают полученный график - доплерограмму - по специальной программе (содержащей специальный математический аппарат) и получают в результате этого данные о максимальной, средней и минимальной линейных скоростях (мм/с) кровотока в исследуемом участке ткани; после этого объемные характеристики перфузии - максимальный и средний объем микрокровотока - через исследуемый участок ткани (мл/с) рассчитывают по программе при введении данных о диаметре так называемого приведенного сосуда D_пр, который в свою очередь определяют из площади приведенного сосуда S_пр, формально равной суммарной площади сечений сосудов, проходящих через прозвучиваемый участок ткани, площадь которого равна произведению длины хорды, равной 1/2 диаметра излучающего пьезоэлемента, на расчетную глубину зондирования Н, но т.к. насыщенность кровеносными сосудами для разных видов тканей организма различна, то при расчете _пр, а через нее и D_пр, вводят учитывающий этот показатель коэффициент К_пл, который рассчитывают, как правило, эмпирически по данным патофизиологических исследований различных тканей, так, например, для рабочих частот 20, 10 и 5 МГц он равен 0,02; 0,24 и 0,33 соответственно, а приведенные диаметры для прибора ММ-Д-К: для 20 МГц - 0,35 мм при исследовании микрокровотока слизистых и 0,95 мм для остальных тканей; для 10 МГц - 5 мм и для 5 МГц -10 мм.

Для осуществления предлагаемого способа решена задача создания компьютеризированного устройства для определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма, позволяющего реализовать на практике заявленный способ определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма непосредственно в медицинских целях.

Это достигается тем, что предлагаемое компьютеризированное устройство для определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма, включающее последовательно соединенные ультразвуковой датчик, согласующее устройство, звуковую карту, устройство звукового контроля, модуль интерфейса пользователя с устройством ввода данных, блок обработки данных, устройство визуализации с дисплеем и устройство регистрации, в отличие от прототипа дополнительно содержит взаимосвязанные между собой анализатор спектра доплеровского сигнала и программно-управляемый фильтр, при этом анализатор спектра соединен со звуковой картой и блоком обработки данных, а последний взаимосвязан с упомянутым программно-управляемым фильтром.

Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей компьютеризированное устройство (КУ) дополнительно снабжено блоком базы данных по отдельным видам органов и тканей живого организма, например человека, выполненным с возможностью отображения на экране дисплея отдельных видов органов и тканей живого организма и соединенным с блоком обработки данных и устройствами визуализации и регистрации.

В заявляемом устройстве основная структурная схема такая же, как у вышеуказанного устройства-прототипа, однако программное обеспечение, в отличие от прототипа, позволяет устранить недостатки последнего, а именно производить смену датчиков с различной рабочей частотой непосредственно в процессе исследования тканей живого организма, а ввод новых данных используемого датчика может быть произведен в процессе или после записи полезного сигнала перед началом обработки данных с помощью КУ. Кроме того, в процессе осуществления способа на рабочий экран основной программы (на дисплее) могут быть дополнительно выведены вспомогательные технические экраны, с помощью которых можно определять уровень собственных шумов, наличие полезного сигнала с параметрами, которые в некоторых случаях невозможно контролировать на слух (без выраженного "артериального или венозного звука" кровотока) или по экрану основного программного окна КУ.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема КУ.

Примером конкретного выполнения изобретения является компьютеризированное устройство для реализации способа определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма (компьютеризированный доплерограф), состоящее из последовательно соединенных ультразвукового доплеровского датчика 1, устройства согласующего 2, звуковой карты 3, устройства звукового контроля 4, интерфейса пользователя 5, который состоит из блока анализатора спектра 6 и взаимосвязанных с ним фильтра 7 и блока обработки доплеровского сигнала 8, а также блока создания базы данных (карточек) пациентов по отдельным системам организма 9, устройства ввода 10, устройства визуализации 11 (дисплей) и устройства регистрации 12 (принтер).

Звуковая карта 3 соединена с анализатором 6 и обеспечивает обмен данными между датчиком 1 и интерфейсом пользователя 5 через согласующее устройство 2. Устройство звукового контроля 4 последовательно подключено к 3 в карте 3, управление которой осуществляется через интерфейс 5. Блок обработки доплеровского сигнала 8 с помощью соединенного с ним блока визуализации 11 отобразит доплерограмму на экране диссплея 11.

Для различных сигналов перфузии и единичного сосуда (d > 1мм) в зоне УЗ-локации датчика 1 используется анализатор спектра 6 и управляемый им фильтр 7, который позволяет выделить сигнал единичного сосуда на фоне сигнала перфузии и исключить последний из спектра доплеровского сигнала кровотока единичного сосуда. При отсутствии сигналов крупных сосудов анализатор отключает фильтр.

Интерфейс пользователя 5 позволяет создавать карточки пациентов при исследовании сосудов различных систем организма (голова, туловище, руки, ноги и пр. ) и базу данных 9 для архивации. Блок регистрации 12 обеспечивает распечатку рабочих экранов программы: доплерограмм отдельных сосудов и карточки пациента в целом. Создание базы данных карточек пациентов с классификацией по отдельным системам, а также анализ и сравнение данных обеспечиваются модулем 9.

Управление работой устройства производят через устройство ввода 10, которое обеспечивает ввод исходных данных, регулировку параметров звуковой карты, перемещение информации в базу данных и выборку из базы и пр.

Компьютеризированное устройство получило коммерческое обозначение - "ММ-Д-К".

Сущность заявляемого способа поясняется следующим примером.

Для оценки состояния показателей перфузии в различных участках тела использовался прибор ММ-Д-К. Исследования эффективности лечебного воздействия массажа проводились с применением датчиков с рабочей частотой 5 и 10 МГц, терапевтического лазера (датчики с рабочей частотой 10 и 20 МГц), электролиполиза (датчик с рабочей частотой 10 МГц). Данные по состоянию перфузии мышц спины (длинная мышца спины в поясничной области и широкая мышца спины) после 15-минутного массажа отличались на 50-200% от исходного уровня; значения параметров перфузии в ногтевой фаланге среднего пальца руки изменились на порядок по сравнению с исходным фоном после воздействия терапевтическим лазером на артерии в верхней трети предплечья, при этом наблюдалось увеличение оттока крови (МЦ "Новгороднефтегаз"); данные, полученные при контроле лечения целлюлита методом электролиполиза на приборе ММ-Д-К на базе кафедры косметической хирургии МАЛО СПб (пациент С., 23 г.), приведены в таблице.

Таким образом, заявляемый способ с помощью компьютеризированного устройства позволяет определять скоростные характеристики перфузии тканей практически в любой выбранной врачом точке, не содержащей крупных сосудов в поле прозвучивания. При наличии в зоне прозвучивания крупного сосуда на дисплее прибора появляется его доплерограмма, а низкочастотная часть спектра (менее 180 Гц), соответствующая перфузии, автоматически отфильтровывается. При изменении положения датчика, когда крупный сосуд выходит из поля зрения датчика, фильтр автоматически отключается. При этом линейную скорость кровотока определяют прямым способом - по изменению частоты доплеровского сдвига, а применением набора датчиков с разными зондирующими частотами получают возможность исследования микроциркуляции на различной глубине и в конкретно выбранной точке с выявлением направления составляющих перфузии.

Весьма важным является то, что способ и компьютеризированное устройство для его осуществления позволяют получать скоростные линейные и объемные характеристики перфузии в цифровом виде непосредственно в режиме реального времени.

Формула изобретения

1. Способ определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма путем локации тканей ультразвуковым доплеровским датчиком, установленным в точке зондирования, и получения числовых значений характеристик перфузии посредством компьютеризированного устройства, отличающийся тем, что датчик устанавливают так, чтобы в области прозвучивания отсутствовали крупные сосуды диаметром более 1,0 мм, максимальный Q_max и средний Q_ср объемы кровотока определяют по формуле Q_max/ср=V_max/ср•S_пр, мл/с, где V_max/ср - максимальная или средняя скорости движения крови в исследуемом участке ткани;
S_пр - площадь сечения приведенного сосуда;
S_пр= К_пл•d/2•H, где Н - глубина зондирования, d - диаметр рабочей поверхности датчика, К_пл - коэффициент плотности заполнения микрососудами среза тканей в зоне зондирования, для рабочих частот зондирования 20, 10 и 5 МГц он равен 0,02; 0,24 и 0,33 соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту зондирования ультразвукового датчика выбирают от 5 до 25 МГц.

3. Компьютеризированное устройство для определения скоростных характеристик перфузии в тканях живого организма, содержащее ультразвуковой доплеровский датчик, соединенный с согласующим устройством, устройство звукового контроля, блок анализатора спектра доплеровского сигнала, устройство ввода данных, блок обработки доплеровского сигнала, дисплей и устройство регистрации, отличающееся тем, что между согласующим устройством и устройством звукового контроля установлена звуковая карта, соединенная с блоком анализатора спектра, управляющим программно-управляющим фильтром и соединенным с блоком обработки доплеровского сигнала, связанным, в свою очередь, с программно-управляемым фильтром, при этом блок анализатора доплеровского сигнала, программно-управляемый фильтр, блок обработки доплеровского сигнала и блок базы данных составляют интерфейс пользователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2