Способ регистрации биомеханических свойств длинных трубчатых костей
Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может найти применение в диагностике повреждений и заболеваний длинных трубчатых костей. Способ позволяет изучать биомеханические свойства костей на основе анализа механических откликов после осуществления стандартного ударного диагностического воздействия. Способ заключается в том, что осуществляют дозированный удар в определенной точке кости с последующим приемом, усилением и анализом механических откликов в других частях кости при помощи широкополостных сейсмоприемников, после чего производится анализ полученных параметров по времени появления сигнала, максимальной амплитуде, длительности, частоте и степени затухания механического импульса. При этом диагностические датчики располагают по обе стороны от предполагаемого патологического процесса как с противоположной, так и на стороне, с которой осуществляют ударное воздействие. После этого производится сравнение полученного сигнала с идеальной экспонентой, в результате чего определяется степень влияния мягких тканей. Степень контакта отломков при переломах вычисляется по снижению максимальной амплитуды сигнала с отдаленного сейсмоприемника, а так же времени и максимальной амплитуде отраженного сигнала с ближайшего сейсмоприемника. Минеральная плотность и однородность костной ткани определяется по изменению частоты и степени затухания механических откликов с различных сейсмоприемников. Способ обеспечивает повышение точности диагностирования биомеханических свойств костей. 15 ил.
Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может найти применение в диагностике повреждений и заболеваний длинных трубчатых костей.
Известен способ исследования костной ткани на основе ультразвуковой эхоостеометрии, заключающийся в установке на поверхности диагностируемой области излучателя и приемника-преобразователя ультразвуковых импульсов, приеме, регистрации ультразвуковых импульсов и оценке состояния костной ткани, при этом излучатель и приемник-преобразователь устанавливают по одну сторону от диагностируемой области, а в качестве диагностического параметра принимают длительность полуволны прошедшего импульса (Патент РФ №2071274, А 61 В 8/00, 1997.)
Способ ультразвуковой эхоостеометрии обладает рядом недостатков, в том числе:
- не обеспечивает достаточно точной топической диагностики локализации патологических процессов и остеопороза;
- диагностическая информация в значительной степени зависит от импеданса параоссальных тканей;
- ультразвуковые колебания для костной ткани являются подпороговыми и быстро затухают, что не позволяет в полном объеме извлекать важные диагностические параметры;
- аппаратура для ультразвукового исследования отличается дороговизной, громоздкостью, требует присутствия врача-функционалиста и специально обученного медицинского персонала, что затрудняет использование при динамическом наблюдении.
Известен способ диагностики дегенеративно-дистрофических изменений костной ткани на основе определения коэффициента абсорбции рентгеновского излучения на компьютерном томографе (а.с. СССР №1680082 А 61 В 6/00).
Недостатками способа являются:
- высокая лучевая нагрузка на пациента и медицинский персонал;
- длительность исследования;
- большая энергоемкость;
- дороговизна исследования, требующая использования сложной аппаратуры;
- необходимость присутствия врачей-радиологов, специально обученного медицинского персонала.
В то же время известно, что адекватной нагрузкой для костной ткани является механическая, для которой она была создана эволюционно, и при патологических процессах биомеханические свойства костей изменяются в первую очередь, что эффективно используется в клинической практике (А.И.Анисимов, 1993). Наиболее чувствительными способами неинвазивной остеометрии являются те, которые основаны на регистрации характера распространения звуковых колебаний в костной ткани, что позволяет диагностировать биомеханические свойства костей в норме и при патологиях, включающие переломы, остеопороз, остеомиелит, опухоли и т.д. Однако все описанные способы основаны на сравнении показателей здоровой и пораженной конечности, что не применимо при двустороннем поражении. При остеопорозе сравниваются механические свойства костей у лиц разных возрастных групп, без учета индивидуальных параметров. В качестве основного диагностического параметра используется лишь максимальная амплитуда сигнала, а влияние мягких тканей не учитывается.
Наиболее близкими к предлагаемому способу являются способ регистрации физиологических параметров зубочелюстной системы и способ диагностики жевательной функции. Сущность первого способа состоит в возбуждении механических колебаний в одной точке зубочелюстной системы путем дозированного удара в средней части нижней челюсти, прием откликов в виде преобразованных механических колебаний в других точках системы с помощью измерительной аппаратуры, вставленной в наружный слуховой проход, после чего осуществляется сравнение полученных показателей между собой и с эталонными (Патент РФ №2141788, 1998, А 61 В 8/00, А 61 С 19/04, 1999 г.).
Недостатками способа являются то, что диагностическое заключение о наличии патологических изменений в костной ткани делается по наличию асимметрии времени сигнала и его амплитудно-частотной характеристике с правой и левой половины исследуемой области, что невозможно использовать, например, при сочетанном двустороннем поражении. Кроме того, диагностическая информация извлекается не полностью ввиду того, что сигнал анализируется как единое целое, не рассматриваются изолированные изменения амплитуды и частоты сигналов, при нарушениях целостности и минеральной плотности костной ткани. Кроме того, недостатком способа является то, что время появления механического отклика регистрируется посредством измерения временного интервала от момента воздействия до появления отклика, что технически на практике трудно реализуемо и ведет к высокой погрешности измерений.
Сущность способа диагностики жевательной функции состоит в возбуждении механических колебаний в одной точке зубочелюстной системы путем дозированного удара в средней части нижней челюсти, приема откликов в виде преобразованных механических колебаний в других точках системы с помощью измерительной аппаратуры, при этом производится расшифровка механических откликов на составные части по максимальной амплитуде, средней амплитуде, частоте и длительности импульса (Патент РФ №2210309, А 61 В 5/103, 10/00, 2000).
Недостатком способа является то, что отклики не анализируются по степени затухания импульса, в то время как это один из информативных параметров. Кроме того, не оценивается влияние мягких тканей, возможно, потому, что в челюстно-лицевой области они оказывают незначительное влияние на характер кривой, диапазон регистрации ограничивается лишь изучением одного механического отклика, и не изучаются сигналы, отраженные от мест нарушений целостности и патологических изменений кости. В связи с вышеперечисленным применение этих способов ограничивается челюстно-лицевой областью и мало информативно по отношению к длинным трубчатым костям.
Целью настоящего изобретения является повышение точности диагностики биомеханических свойств длинных трубчатых костей на основе анализа дополнительных параметров механических откликов.
Поставленная цель реализуется тем, что согласно способу регистрации биомеханических свойств длинных трубчатых костей производится возбуждение механических колебаний в одной точке системы путем дозированного удара, с последующим приемом, усилением и анализом механических откликов в других частях системы при помощи измерительной аппаратуры, после чего производится анализ механических откликов по времени прохождения, максимальной амплитуде, частоте и длительности импульса, сравнение полученных показателей между собой и с эталонными, при этом механические отклики регистрируют как с ближайшего, так и с отдаленного сейсмоприемника по отношению к точке механического воздействия, скорость распространения звука по кости определяют на основе разницы во времени появления откликов, после чего осуществляют дополнительный анализ механических откликов по степени затухания, наличию отраженных волн, анализ величины влияния мягких тканей производят посредством сравнения полученного сигнала с идеальной экспонентой, при переломах величину смещения отломков анализируют по снижению максимальной амплитуды механического отклика с отдаленного сейсмоприемника по сравнению с эталонным, а так же времени и амплитудно-частотной характеристике отраженного сигнала с ближайшего сейсмоприемника, степень интерпозиции мягких тканей вычисляют как разницу амплитуд между прямым сигналом от ближайшего сейсмоприемника, отраженным сигналом от ближайшего сейсмоприемника и сигналом с отдаленного сейсмоприемника, минеральную плотность костной ткани определяют измерением частоты и степени затухания механических откликов, снижение частоты сигнала и степени затухания на всех сейсмоприемнаках по сравнению с эталонным расценивают как остеопороз, различная степень затухания механических откликов при одинаковой частоте на ближайшем и отдаленном сейсмоприемниках свидетельствует о неоднородности костной ткани, кроме того, локализацию патологического очага или места перелома определяют по промежутку времени между механическими откликами прямого и отраженного сигнала от ближайшего сейсмоприемника.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации показали, что предлагаемый способ не известен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Способ осуществляется следующим образом.
Перед обследованием пациенту проводят стандартное антропометрическое исследование, включающее измерение роста, веса тела, длины конечностей, длины отдельных сегментов, окружности здоровой и пораженной конечности на разных уровнях. Полученные параметры заносятся в компьютерную базу данных. Затем пациенту объясняют смысл исследования, после чего устанавливают один или группу широкополостных сейсмоприемников в определенных точках, которые пальпируются под кожей. Например, для бедренной кости это - большой вертел, надмыщелки, для голени - мыщелки большеберцовой кости, часть ее диафиза, головка малоберцовой кости, лодыжки. Для костей предплечья - локтевой отросток локтевой кости, шиловидные отростки, часть диафизов лучевой и локтевой кости. Для плечевой кости головка и надмыщелки. При этом сейсмопремники располагаются по обе стороны от предполагаемого патологического процесса, например сейсмопремник, расположенный на латеральном надмыщелке бедра, в то время как удар наносится по медиальному надмыщелку, условно обозначен как «ближайший», а сейсмоприемник, расположенный на большом вертеле бедра, обозначен как «отдаленный». Фиг.10 (а - ближайший сейсмоприемник, в - отдаленный сейсмоприемник). Затем производят стандартный дозируемый удар, после которого производится прием, усиление и анализ механических откликов, с последующей расшифровкой их по следующим параметрам:
- время появления отклика (t1);
- длительность импульса (t2);
- максимальная амплитуда сигнала (Amax);
- частота сигнала (sin(x));
| - степень затухания сигнала (e-x). |
Процесс анализа кривых показан на фиг.4, 5, 6. Время появления сигнала - время между появлением отклика между ближайшим и отдаленным сейсмоприемником t1 на фиг.4, что при известном расстоянии позволяет вычислить скорость распространения механического импульса по участку кости, например если при расстоянии между сейсмоприемниками, равном 35 см, фиксировано время между откликами А и В≈0,00023 сек, то скорость будет равна 0,35 м/0,00023 сек ≈1521,73 м/с. Максимальная амплитуда - расстояние между максимальной и минимальной точкой сигнала. Длительность - время от появления до полного затухания сигнала. Частота - длительность отклика, деленная на количество положительных и отрицательных критических точек перегиба фиг 5. На фиг.6 изображен анализ степени затухания сигнала посредством измерения максимального отклонения всех амплитуд от средней линии. На фиг.7 представлена кривая, отражающая степень затухания механического отклика, представленного на фиг.6. В последующем производится сравнение полученных параметров с ближайшего и отдаленного сейсмоприемника не только со здоровой конечностью и с эталонными, которые получены при обследовании здоровых лиц соответствующего пола, возраста и конституции, но и между собой, что более информативно, так как не бывает двух одинаковых людей и антропометрические параметры конечностей у одного человека в норме и при патологиях так же могут не совпадать, поэтому в предлагаемом способе сейсмоприемники расположены в пределах одной кости.
При исследовании костей, лишенных мягких тканей, механические отклики приближаются к идеальной экспоненте фиг.1, поэтому оценка величины влияния мягких тканей производится посредством сравнения сигнала с идеальной экспонентой, построенной на основе полученных данных о максимальной амплитуде, частоте, степени затухания, посредством подставления их в формулу: f(x)=Amaxe-x sin(x), фиг.2.
На фиг.9 изображено вычисление кривой «С», характеризующей влияние мягких тканей на механических отклик, посредством вычитания полученного сигнала «В» от идеальной экспоненты «А», представленной на фиг.8, что после сравнения полученного параметра со здоровой конечностью позволит судить о наличии патологии в мягких тканях, например такой как отек.
В норме после диагностического удара сигналы со всех датчиков, расположенных в тестируемых точках, имеют вид затухающей экспоненты, показанной на фиг 3. Максимальная амплитуда сигнала с отдаленного сейсмоприемника составляет не менее 95% от ближайшего фиг.10.
При переломах определяется зависимость между величиной контакта отломков и снижением максимальной амплитуды механического отклика с отдаленного сейсмоприемника по сравнению со здоровой конечностью.
В норме после удара отклики со всех датчиков регистрируются лишь однократно, так как механический импульс хорошо проходит через суставные поверхности (Андреев В.Н. 1982), однако при исследованиях поврежденных костей, при расположении датчиков со стороны нанесения удара, кроме закономерно ожидаемого первого отклика, через определенный промежуток времени отмечается появление отклика, отраженного от линии перелома, который был взят в качестве дополнительного диагностического параметра и условно обозначен как отраженный сигнал «С» - фиг.11. При этом анализируется время его появления и максимальная амплитуда (Amax2), частотная характеристика и степень деформации по отношению к первому сигналу «А», который обозначен как прямой сигнал, что позволяет судить о площади контакта отломков и степени интерпозиции мягких тканей. При этом влияние интерпозиции мягких тканей вычисляется по формуле Инт.м/тк=А-В-С. «А» - прямой сигнал ближайшего сейсмоприемника, «В» - отклик с отдаленного сейсмоприемника, «С» - отраженный сигнал с ближайшего сейсмоприемника. Например, при смещении отломков по длине максисмальная амплитуда отклика с отдаленного сейсмоприемника составляет менее 10% от прямого сигнала с ближайшего сейсмоприемника, в то время как максимальная амплитуда отраженного сигнала с ближайшего сейсмоприемника доходит до 80% от прямого. При смещении отломков по ширине на 50% максимальная амплитуда отклика с отдаленного сейсмоприемника составляет около 30% от прямого сигнала с ближайшего сейсмоприемника, а максимальная амплитуда отраженного сигнала с ближайшего сейсмоприемника составляет приблизительно 20% от прямого фиг.12.
В норме частота анализируемого сигнала отражает минеральную плотность костной ткани и зависит от пола и возраста (А.И.Анисимов, В.И.Карпцов, 1993). При остеопорозе наблюдается значительное снижение частоты сигналов со всех датчиков на всех конечностях, до 85% от эталонных. При системном остеосклерозе, например при мраморной болезни, наблюдается увеличение частоты сигнала по сравнению с нормой, в среднем на 10%, фиг.13.
Степень затухания сигналов отражает однородность костной ткани и в норме одинакова на всех участках кости. При очаговых изменениях в костной ткани в виде очагового остеопороза, например при остеомиелите, отмечается уменьшение степени затухания на датчиках со стороны, противоположной от нанесения удара, по сравнению со здоровой конечностью, фиг.14. При очаговом остеосклерозе, например при костеобразующих опухолях, отмечается увеличение степени затухания сигнала на датчиках со стороны, противоположной от нанесения удара, по сравнению со здоровой конечностью, фиг.15. При этом локализация патологического очага или места перелома определяются по промежутку времени между механическими откликами прямого и отраженного сигнала от ближайшего сейсмоприемника - t3 на фиг.11, 12, 14, 15.
Способ повышает точность диагностики биомеханических свойств длинных трубчатых костей посредством анализа дополнительных параметров механических откликов, что позволяет провести дифференциальную диагностику различных патологий с возможностью точного определения топической локализации. Способ является легковоспроизводимым, неинвазивным, не требует предварительного обследования, не несет лучевой нагрузки, не имеет противопоказаний, что допускает возможность использования на всех этапах оказания медицинской помощи как самостоятельно, так и в сочетании с рутинными методами обследования, как в амбулаторной практике при первичной диагностике, так и в стационарных условиях для динамического наблюдения в процессе лечения.
Литература:
1. Патент РФ №2071274, А 61 В 8/00, 1997.
2. а.с. СССР №1680082 А61 В 6/00, 1988.
3. Патент РФ №2141788, 1998, А 61 В 8/00, А 61 С 19/04, 1999.
4. Патент РФ №2210309, А 61 В 5/103, 10/00; 2000.
5. А.И.Анисимов, В.Н.Карпцов Остеометрия, функциональная оценка состояния костной ткани, С.-П. 1993. Приложение.
Способ регистрации биомеханических свойств костей, включающий возбуждение механических колебаний в одной точке костной системы путем дозированного удара, последующий прием механических откликов широкополосными сейсмоприемниками, усиление полученных механических откликов и анализ параметров распространения механического импульса с помощью измерительной аппаратуры, отличающийся тем, что широкополосные сейсмоприемники располагают по обе стороны патологического очага так, чтобы ближайший из них находился ближе к точке механического воздействия, регистрируют разницу во времени появления механических откликов А и В соответственно на ближайшем и отдаленном сейсмоприемниках, а в качестве параметров для анализа используют скорость распространения механических импульсов по кости, их степень затухания и наличие отраженного отклика С с определением времени его появления и максимальной амплитуды, а также частотной характеристики этого сигнала, при этом анализ величины влияния мягких тканей производят посредством сравнения полученного сигнала механического отклика А с экспонентой, полученной при исследовании костей, лишенных мягких тканей, величину смещения при переломах определяют по снижению максимальной амплитуды механического отклика с отдаленного сейсмоприемника по сравнению с эталонным показателем, в качестве которого используют амплитуду механического отклика с ближайшего сейсмоприемника или параметры, полученные при исследовании здоровой конечности, степень влияния интерпозиции мягких тканей вычисляют по разности сигналов механических откликов (А-В-С), при определении минеральной плотности костной ткани используют значения частоты и степени затухания механических откликов на сейсмоприемниках, при равномерном снижении которых по сравнению с эталонными показателями диагностируют остеопороз, неоднородность костной ткани определяют по различию частоты и степени затухания механических откликов на ближайшем и отдаленном сейсмоприемниках, а локализацию патологического очага или места перелома определяют по промежутку времени между механическим откликом А на ближайшем сейсмоприемнике и отраженным от него откликом С.
