Ветеринарный ультразвуковой эхоостеометр для оценки физических характеристик костей скелета животных при их функциональных и патологических изменениях
VETERINARY ULTRASOUND ECHO-OSTEOMETER FOR ASSESSING THE PHYSICAL CHARACTERISTICS OF THE BONES OF THE SKELETON OF ANIMALS WITH THEIR FUNCTIONAL AND PATHOLOGICAL CHANGES

Изобретение относится к ветеринарной технике, а конкретно для неинвазивного измерения ультразвуком механических свойств твердых материалов, а также может быть использовано в инструментальной диагностике, связанной с оценкой состояния костной ткани.
Известен ультразвуковой эхоостеометр Синицына Л.Н., Иванникова А.П. и др. (1993) «Ультразвуковой частотно-сканирующий эхоостеометр» данный прибор представлен как медицинский и основное его назначение это использование в травматологии и ортопедии [1].
В патенте Белоусовой М.А., Колдырина С.В. И др. (2015) «Способ эхоостеометрии челюстей в ретенционном периоде ортодонтического лечения» эхоостеометр применяется как стоматологический прибор, предназначенный для определения физических характеристик костной ткани челюсти человека [2].
В работе Омара Х.М. и Цымбалова О.В. (2011) Приведены доказательства, что адекватным методом для диагностики диастаза костных отломков и оценки эффективности лечения может служить эхоостеометр [3].
В патенте Вербового А.Ф., Косаревой В.В. и др. (2002) «Способ диагностики степени выраженности вибрационной болезни» Представлен способ лучевой диагностики, который направлен на определение плотности костной ткани и скорости распространения ультразвука в костной ткани [4].
В патенте Иванникова А.П. и Фукиной Н.А. (2018) «Устройство акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани» Представлено устройство акустической диагностики костной ткани [5].
Известен прибор Эхоостеометр ЭОМ-02, который поменялся в диагностике остеодистрофии и мониторинге заболеваний костей. Главным недостатком данного прибора это его ограниченная мобильность в связи с питанием от сети. Данный прибор не выпускается на территории Российской Федерации (Производитель: ВЗРИП (завод радиоизмерительных приборов), Литва, г. Вильнюс. Год регистрации: 1990 г.).
Также известен ультразвуковой диагностический прибор УА-725 "Остеометр", который применяется для контроля костного регенерата. Действие прибора основано на симметричном сравнении задержки продольной волны ультразвука в поврежденной и здоровой костях.
Недостатком этого прибора является регистрация только динамики акустических параметров ультразвука без уточнения изменений свойств костной ткани.
Наиболее близким к изобретению является остеометр ЭОМ-01-Ц, содержащий генератор импульсов ГИ1, передающую ультразвуковую диагностическую головку УДГ2, приемную ультразвуковую диагностическую головку УДГ3, синхронизатор С4, усилитель сигнала УС5, устройство индикации УИ6. Данный прибор работал только от сети, в результате чего лишен мобильности. Выпускался до 1990 г в г. Махачкала. На настоящее время в практике не используется.
В патентной и научно-технической литературе заявителями не обнаружены сведения о применении прибора с заявленными техническими характеристиками для усовершенствования диагностики при нарушениях минерального обмена и физиологических состояний животного, что позволяет предположить наличие изобретательского уровня предложения и новизны.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание мобильного ультразвукового эхоостеометра для ветеринарного использования, в котором предусмотрены упрощение конструкции, уменьшение габаритов, увеличение скорости обработки сигнала, снижение погрешности в измерениях, наличие аккумуляторной батареи, возможность подключения к компьютеру и мобильному телефону через Wifi и Bluetooth адаптеры и USB кабель, наличие сенсорного экрана с интерфейсом, наличие программируемой логической интегральной схемы с аналого-цифровым преобразователем.
Технический результат достигается за счёт наличия в изобретении измерительного модуля, состоящего из блока управления с Wifi- и Bluetooth-контроллером и USB-адаптером, сенсорного экрана с доступным интерфейсом, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), высокочастотного генератора, вырабатывающего ультразвуковой импульс, и драйвера, при этом измерительный модуль соединен с внешней сборкой датчиков, включающей ультразвуковой излучатель и приемники ультразвуковых колебаний.
Функционирование осуществляется за счёт размещения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) на одном блоке, что снижает влияние внешних электромагнитных помех тем самым, увеличивает скорости обработки сигнала и снижает погрешность. Контроллер и устройство беспроводной передачи и обработки сигнала занимает меньше места, что позволяет уменьшить габариты.
Для достижения указанного технического результата изобретение конструктивно оформлено в виде переносного прибора со съемным аккумулятором и возможностью его зарядки от сети 220 В. В ветеринарном эхоостеометре имеется встроенная диагностика работоспособности основных функциональных узлов. Ветеринарный эхоостеометр обеспечен собственным сенсорным экраном с интерфейсом для отражения настроек меню и регистрации результата исследований.
Фигура 1 схематично отображает ветеринарный ультразвуковой эхоостеометр для измерений механических свойств жестких материалов, например, кости в составе конечности животного. Ветеринарный ультразвуковой эхоостеометр представляет собой измерительный модуль (1) соединённый проводами с внешней сборкой датчиков (2). Измерительный модуль (1) в заключён корпус (3), а сборка датчиков (2) включает ультразвуковой излучатель (4) и приемник ультразвуковых колебаний (5). При этом, сборка датчиков (2) представляет собой ряд пьезоэлементов, залитых компаундом с зазором между ультразвуковым излучателем (4), и приемником ультразвуковых колебаний (5), включающим два приемных пьезоэлемента (6) и (7). Частота резонанса пьезоэлементов составляет 1 МГц. Измерительные элементы объединены в единый блок - измерительный модуль (1), состоящий из блока управления (8) с Wifi-и Bluetooth-контроллером и USB-адаптером, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) (9), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (10), формирователя импульса (11) - высокочастотного генератора, вырабатывающего ультразвуковой импульс, и драйвера (12). К блоку управления (8) подключены высокочастотный генератор, а через программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) (9), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (10). Между этими компонентами взаимосвязь происходит посредством Low Voltage Differential (LVD) сигнала. Также, к блоку управления (8) присоединен сенсорный экран с интерфейсом для отражения настроек меню и регистрации результата исследований.
Излучающий пьезоэлемент (4), соединенный через быстродействующий мостовой драйвер (драйвер STHV748) с формирователем импульса (11) - высокочастотным генератором (12), возбуждается серией биполярных импульсов амплитудой 100В с периодом полного колебания 1 мкс. Приёмные пьезоэлементы (6 и 7) подключены к быстродействующим 10-битным аналого-цифровым преобразователям (АЦП) AD9608 с модулем сбора и измерения данных STEM Lab RedPitaya 125-10, данный модуль обеспечивает синхронизацию АЦП, сбор и выдачу данных измерений сигнала по протоколу Ethernet.
Приёмные пьезоэлементы (6 и 7) расположены на расстоянии соответственно S1 и S2 от излучателя (4). Возможно прямое взаимодействие излучателя (4) и приемника (5) с поверхностью кости через ультразвуковой акустический гель.
Ультразвуковой излучатель (4) инициирует ультразвуковую волну, которая распространяется по мягким тканям до поверхности кости животного в виде продольных колебаний. Когда указанная волна достигает поверхности кости животного, в кости возникают и распространяются продольная, поперечная и поверхностная волны [расчет скорости продольной, поперечной и поверхностной волн]. Часть продольной волны распространяется от кости животного по мягким тканям в направлении приёмных пьезоэлементов (6 и 7) ультразвуковых колебаний. При этом волны, принятые приёмным пьезоэлементом (6) и пьезоэлементом (7) пройдут равный путь от поверхности кости до приемника. Таким образом, скорость распространения ультразвука в кости может быть рассчитана как отношение расстояния между приёмными пьезоэлементами (6 и 7) к разности времен приема ультразвуковой волны приёмным пьезоэлементом (6) и приёмным пьезоэлементом (7).
Принятые радиоимпульсы от приемников (6 и 7) обрабатываются полосовым фильтром, затем сигнал детектируется, и по разнице времён пиков огибающей с приемника (6 и 7) рассчитывается скорость ультразвука. Опрос модуля сбора данных, вычисление и отображение результатов измерений выполняется одноплатным компьютером. Полученный результаты выводится на сенсорный экран с интерфесом.
Расчёт происходит по формуле:
,
уз
Где, U - скорость ультразвука м/с; I сегмента - длинна исследуемой кости; t1 - время принятия сигнала первым датчиком; t2 - время принятия сигнала вторым датчиком.
В функционировании ветеринарного эхоостеометра новым является то, что ультразвуковая волна распространяется через твердый материал в виде трех волн: продольной, поперечной и поверхностной. При этом исключается значение промежуточных сред. От твердого тела ультразвуковая волна проходит через вторую толщину к первому приемнику и через третью толщину ко второму приемнику, расположенному на определенном расстоянии от первого приемника.
Работа ветеринарного эхоостеометра имеет следующие технические характеристики:
• диапазон измерений временных интервалов в пределах от 3 до 300 мкс;
• пределы допускаемой погрешности измерения временных интервалов при абсолютном методе составляют ±(0,02t+0,1) мкс, где t - измеряемый временной интервал;
• верхний предел допускаемой погрешности измерения временных интервалов составляет не менее 60 дБ;
• пределы допускаемой погрешности измерения скорости УЗ в диапазоне длин от 60 до 190 мм в тест-объекте ±2%;
• затухание ультразвука в мягких тканях - ~ 0,5 дБ/см-МГц;
• частотный диапазон работы системы с возможностью настройки частоты сканирования - от 0,5 до 5,0 МГц;
• мощность потребления измерительной части 6,8 Вт.
Ветеринарный эхоостеометр обеспечивает возможности исследования кости следующими методами:
Первый метод - теневой (абсолютный или режим осевой передачи). Распространение ультразвука вдоль поверхности кости животного. Использование данного режима подходит для диагностики длинных костей животного (большеберцовая, лучевая, ребро). При этом источник и приемник ультразвуковых сигналов находятся на одной стороне кости животного.
Второй метод основан на распространении ультразвука поперек кости, т.е. режим поперечной передачи. Данный метод позволяет измерить скорость ультразвука в кости при оценке состояния губчатых костей животного (хвостовые позвонки, пяточный бугор). Датчики приема и передачи ультразвуковых волн расположены на противоположных сторонах диагностируемой кости животного.
Исходя из этого в ветеринарном эхоостеометре предусмотрены 4 режима работы:
1-й - измерение времени прохождения импульсов по исследуемому участку кости животного в продольном направлении между двумя ультразвуковыми преобразователями (УЗП) (метод приращения «базы»), расположенными на фиксированном расстоянии; автоматизированный расчет скорости прохождения УЗ между двумя приемными УЗП. Этот режим позволяет исключить влияние мягких тканей за счет эхо-метода.
2-й - измерение времени и скорости прохождения УЗ импульсов по исследуемому участку в продольном направлении, между передающим УЗП и приемным УЗП с учетом влияния мягких тканей.
3-й - измерение времени и скорости распространения УЗ в исследуемом участке кости в поперечном направлении, между передающим и приемным УЗП без учета мягких тканей.
4-й - измерение времени и скорости прохождения УЗ сигналов между двумя приемными УЗП в поперечном направлении с учетом влияния мягких тканей.
График уровней принимаемого эхо-сигнала, прошедшего через кость и мягкие ткани животного представлен на фигуре 2. Канал 1 (синий график) подключен к датчику 1, канал 2 (оранжевый график), соответственно, к датчику 2, расположенному после датчика №1 по пути следования сигнала.
В районе отсчетов 6000-8000 расположены пики принимаемого сигнала близкой формы, что говорит о прохождении фона распространения ультразвуковой волны сначала вдоль датчика 1, затем вдоль датчика 2. По разнице во времени наступления пиков каналов 1 и 2, с учетом известного расстояния между датчиками 1 и 2 делается вывод о скорости распространения ультразвуковой волны в кости животного, рассчитанное значение скорости приведено на графике справа вверху.
Пример реализации изобретения.
Испытания ветеринарного ультразвукового эхоостеометра производились в условиях животноводческого предприятия на молочных коровах черно-пестрой породы в возрасте 4-6 лет с удоем в 5 тыс. л молока в год на фуражную корову.
С этой целью была сформирована группа из 12 животных, которые оценивались в динамике меняющихся периодов технологического цикла с периодичностью в 1 месяц в течение полугода.
Животные в течение опыта пользовались полноценным кормлением исходя из текущих потребностей, в зависимости от физиологического состояния. Вода давалась вволю. Показатели микроклимата были в пределах нормативных значений.
В течение всего опыта учитывались данные скорости ультразвука в трех костях скелета: пястной, последнем ребре и пятом хвостовом позвонке.
Для снятия показателей поверхности исследуемых областей тела обрабатывались гелем для сонографического исследования. После наложения датчиков устанавливалось их наиболее плотное прилегание к поверхности тела, что подтверждалось стабильностью сигнала на мониторе прибора. Учитывали средний показатель из трех замеров в каждой области исследования.
Сведения, полученные в результате каждого цикла исследований были статистически обработаны с использованием стандартных методов вариационной статистики.
Результаты исследования изложены в таблице 1.
В результате исследования было установлено, что в пястной кости, последнем ребре и пятом хвостовом позвонке скорость ультразвука имеет неодинаковые значения, что обусловлено различной степенью физической плотности и структурой костной ткани в этих участках скелета. Также была определена динамика исследуемых показателей, зависимых от срока беременности и лактации.
Так при оценке изменения скорости ультразвука в костях скелета было выявлено, что за последние три месяца беременности скорость ультразвука снижается в пясти на 5,8%, в ребре - на 6,2%, а в теле пятого хвостового позвонка на 10,2%.
В первые 10 дней после родов происходит повышение скорости ультразвука относительно завершения беременности: в пястной кости - на 3,2%, в последнем ребре - на 4,3%, в хвостовом позвонке на 6,2%.
В первый месяц лактации в исследуемых костях отмечается снижение показателя в пясти на 0,5%, в последнем ребре - на 3,2%, в пятом хвостовом позвонке на 4,3%.
На третий месяц лактации сохраняется тенденция к снижению скорости ультразвука в исследуемых костях скелета. Относительно первого месяца лактации исследуемый показатель снизился в пясти на 3,1%, в последнем ребре - на 7,0%, в пятом хвостовом позвонке - на 8,5%.
Таким образом, в эксперименте с использованием ветеринарного ультразвукового эхоостеометра было установлено, что данный прибор способен регистрировать стабильный показатель в однотипных костях скелета, что подтверждается невысокими значениями коэффициента вариации, который варьировал в пределах 1,18-3,67%.
Помимо этого, была выявлена зависимость скорости ультразвука, а следовательно и плотности костной ткани, от физиологического периода молочных коров. Из чего следует, что в период поздней беременности с нарастанием сроков стельности животных плотность костной ткани динамически снижается. В первые десять дней послеотельного периода у животных плотность ткани незначительно возрастает, а затем с увеличением сроков и интенсивности лактации усиливается резорбция минеральных солей из костной ткани, что приводит к уменьшению ее плотности.
Наиболее выраженные изменения из всех исследуемых костей были отмечены в пятом хвостовом позвонке, что характеризует эту область скелета, как наиболее пригодную для оценки быстрых изменений в организме животных.
Данное исследование показывает диагностические возможности ветеринарного ультразвукового эхоостеометра, который в результате скрининг исследования позволяют выявлять изменения в костях скелета, зависимые от минерального обмена. Использование предлагаемого диагностического подхода создает перспективы для оценки как изменений в организме функционального характера, так и при патологии.
Разработка успешно внедрена в КФХ ИП Ермаков Н.В. Красноармейский район, Самарской области и в АО «Самараплем» Кинельский район, Самарской области.
Источники информации.
1. Пат. РФ №2076635. Ультразвуковой частотно-сканирующий эхоостеометр / Синицын Л.Н., Иванников А.П., Лоскутов Ю.П., Соколов В.В. - Опубл. 15.12.1993.
2. Пат. РФ №2541038. Способ эхоостеометрии челюстей в ретенционном периоде ортодонтического лечения / Белоусова М.А., Колдырин С.В., Ермольев С.Н., Красноголовый В.А. - Опубл. 10.02.2015.
3. Омар X.М. Оценка эффективности применения рекомбинантного интерлейкина-1В при оперативном лечении больных с переломом нижней челюсти / Х.М. Омар, О.В. Цымбалов // Кубанский научный медицинский вестник. - 2011. - С. 100-103
4. Пат. РФ №2194451. Способ диагностики степени выраженности вибрационной болезни / Вербовой А.Ф., Косарев В.В., Цейтлин О.Я. - Опубл. 20.12.2002.
5. Пат. РФ №2654006. Устройство акустической диагностики с частотным скармливание костной ткани / Иванников А.П., Фукина Н.А. - Опубли. 15.05.2018.
6. Johannes F. Comparative osteology and osteometry of the coracoideum, humerus, and femur of the green turtle (Chelonia mydas) and the loggerhead turtle (Caretta caretta) / F. Johannes, K. Hans, C.,  C. Ҫakirlar // International Journal of OsteoarchaeologyVolume 29, Issue 5.
7. Belyaev R.I. A mechanistic approach for the calculation of intervertebral mobility in mammals based on vertebrae osteometry / R.I. Belyaev, A.N. Kuznetsov, N.E. Prilepskaya // Journal of AnatomyVolume 238, Issue 1.