СПОСОБ СКРИНИНГОВОЙ ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЙ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
SCREENING DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR LOCOMOTOR DISORDERS

Изобретение относятся к области медицины, а именно к диагностике заболеваний опорно-двигательного аппарата в травматологии и ортопедии, педиатрии, а также невропатологии. Способ предназначен для скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы у детей и взрослых, таких как нарушения осанки, патология верхних и нижних конечностей (раннее обнаружение деформаций позвоночника и конечностей, мониторинг состояния пациентов, объективная оценка эффективности проводимого консервативного и оперативного лечения, направленного на коррекцию деформации). Способ не оказывает негативного воздействия на организм, обеспечивает получение достоверной и оперативной информации об особенностях осанки, а также формы и размеров конечностей и других показателей ортопедической системы.
Частота распространения ортопедической патологии в Европейских странах составляет от 6,3 до 8,9% от общего числа населения. С этими данными коррелируют сведения, полученные при исследованиях в России: 8,3% взрослых страдают заболеваниями костно-мышечной системы. Заболеваемость ортопедическими заболеваниями опорно-двигательного аппарата детского контингента в России составляет в среднем 15,46% (82,6% от этого числа приходится на статические деформации позвоночника - сколиозы, нарушения осанки, плоскостопие, выявляемые в школьном возрасте).
Заболевания опорно-двигательной системы занимают 2-3 место среди заболеваний, являющихся причиной инвалидизации населения.
Проблема ранней диагностики связана с нехваткой квалифицированного медицинского персонала и высокой стоимостью расходов при своевременном и тотальном проведении диагностических мероприятий и характеризует глобальные тенденции.
Целью предлагаемого способа диагностики нарушений опорно-двигательной системы является ранняя экспресс-диагностика нарушений статических и динамических отклонений опорно-двигательной системы (автоматизированная консультативно-диагностическая система).
Существуют различные способы неинвазивной ортопедической диагностики. С начала 70-х годов во многих странах мира для ранней диагностики - сколиотическая болезнь - у детей и подростков стали использовать оптико-топографические методы обследования формы поверхности тела, получившие развитие, начиная с работ японского ученого Такасаки, который впервые применил метод муаровой топографии для диагностического обследования пациентов.
С начала 80-х годов на смену муаровому пришли альтернативные - компьютерно-ориентированные оптические методы, основанные на проецировании структурированных изображений в виде матриц точек, систем линий и полос. Первой такой установкой была английская ″ISIS″, за ней последовали немецкая ″JENOPTIC formetric″ и английская ″Quantec″. Отечественная топографическая установка для скрининг-диагностики деформации позвоночника у детей и подростков был создана в 1994 году в Новосибирском НИИТО во главе с В.Н. Сарнадским и называется: метод компьютерной оптической топографии (КОМОТ).
Несмотря на очевидные достоинства метода, ему присущи значительные недостатки: метод оценивает только состояние позвоночника (туловища), для применения метода требуется специально оборудованное помещение, что также ограничивает применение данного метода, высокая стоимость аппаратуры для проведения обследования, высокая квалификация обслуживающего персонала, что затрудняет широкое применения на практике.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ диагностики нарушений опорно-двигательной системы заключающийся в проведении визуального анализа снимков пациента во фронтальной, сагиттальной и горизонтальной плоскостях путем нанесения точек-ориентиров границ регионов непосредственно на тело пациента, анализа полученных данных и последующего составления диагноза по наличию и отсутствию параллельности верхней и нижней границ региона, отличающийся тем, что пациента помещают в центр расположенной строго горизонтально площадки-основания, образованный нанесенными на нее взаимно перпендикулярными пересекающимися линиями, проходящими через середины всех ее сторон между двумя вертикально расположенными отвесами, опущенными к центрам передней и задней сторон площадки основания, и двумя мерными лентами, закрепленными к серединам левой и правой боковых сторон площадки основания, расположенными параллельно отвесам, и последовательно проводят графическую регистрацию изображения тела пациента, для чего выполняют два фотоснимка спереди и сзади во фронтальной проекции, располагая пациента так, чтобы продольная линия площадки проходила между его соединенными стопами, а поперечная - в проекции переднего края голеностопного сустава и справа и слева в сагиттальной проекции, располагая пациента так, чтобы поперечная линия проходила между стопами, продольная - соответственно в проекции переднего края голеностопного сустава, причем снимки выполняют при условии совмещения в видоискателе регистрирующего устройства двух отвесов, затем проводят программный анализ изображения с целью выявления нарушения параллельности горизонтальных линий границ-регионов позвоночника, определяют величину суммы углов отклонения, а также укорочения мышц, влияющих на статику соответствующего региона, и при выявлении значений соответствующих показателей, отличающихся от нормы, диагностируют нарушение осанки [RU 2238673 от 02.06.2003 г. Кл A61B 5/103, A61B 5/107, «Способ дифференциальной диагностики нарушений осанки»].
Однако данный способ имеет ряд недостатков, а именно является недостаточно точным и информативным, требует дополнительных специальных условий для оборудования места обследования, не позволяет проводить автоматическую обработку и анализ зарегистрированной информации.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящие изобретение, заключается в создании способа скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы для увеличения точности оценки и достоверности имеющихся нарушений, полноценного комплексного обследования опорно-двигательной системы человека, применения на ранних этапах диагностики, повышения удобства пользования.
Технический результат в предлагаемом способе скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы, заключающийся в выполнении снимков пациента в различных плоскостях и проекциях, с определением размеров, направления осей, границ, асимметрии регионов тела и конечностей и последующим сравнением полученных данных с нормальными значениями соответствующих показателей, с учетом возраста и анамнеза пациента, и при определении отклонений, от которых диагностируют соответствующее нарушение опорно-двигательной системы, отличающийся тем, что выполняются цифровые снимки пациента в режиме 3D сканирования во фронтальной, сагиттальной, горизонтальной плоскостях и функциональные снимки в положении сгибания, прогиба назад, наклонов, ротации регионов туловища и конечностей, в условиях, позволяющих вычислить абсолютные размеры тела и его регионов, с помощью компьютера проводят количественный анализ и оценку размеров, направления осей, границ, асимметрии регионов туловища и конечностей с вычислением их линейных размеров, площади, рельефа, оценкой изменений длины региона, его перемещения, амплитуды его движения.
Для создания условий, позволяющих вычислить абсолютные размеры исследуемого объекта фотографирования, производят либо на фоне эталона размера (масштабной линейки, калибровочная камера и т.п.), либо на установленной длине от объектива с заданным масштабом, либо иным способом, позволяющим вычислить соответствие пикселя фотографической матрицы к истинному размеру объекта.
Полученное изображение обрабатывается при помощи специально созданной программы. При этом тело пациента отделяют от фона фотографии, после чего программно выделяются регионы туловища и ключевые точки для оценки и проведения математического анализа изображения. При проведении математического анализа изображения тела пациента определяют регионы туловища пациента, оси регионов туловища пациента, вычисляют абсолютные и относительные размеры регионов туловища, сравнивают направление осей регионов туловища и их взаимоотношения, выявляют асимметричности. Для наиболее полного обследования выполняют функциональные фотоснимки, например, в положении сгибания, прогиба кзади, наклонов в стороны или ротации.
Полученные в результате математического анализа фотографий данные оцениваются интегрально с учетом возраста пациента и его анамнестических данных. Все вычисления и моделирование осуществляются программно, а показатели представляются в абсолютных и относительных значениях.
Для выполнения 3D сканирования используют портативный 3D сканер либо место съемки оборудуют калибровочным углом (камерой), в качестве источника света используют проектор со специальной проекционным изображением, лазер или лампу, оборудованные для создания перемещаемых световых полос. 3D сканирование тела может быть осуществлено как в видимом спектре света, так и в инфракрасном спектре. Полученные изображения обрабатываются программно с получением цифровых значений и трехмерного изображения тела пациента. Применение 3D сканирования позволит более точно характеризовать объемные размеры, направления осей и границы регионов тела, а также более наглядно представлять графически рельеф тела, в том числе получить полное 3D изображение тела пациента.
Совокупность признаков, изложенных в п.2 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что снимки тела пациента выполняются в режиме 3D сканирования. Для выполнения 3D сканирования место съемки оборудуют калибровочным углом (камерой), в качестве источника света используют проектор со специальным проекционным изображением, лазер или лампу, оборудованные для создания перемещаемых световых полос. Полученные изображения обрабатываются программно (например, с помощью пакета для 3D-анимации Мауа) с получением цифровых значений и трехмерного изображения тела пациента. Применение 3D сканирования позволит более точно характеризовать объемные размеры, направления осей и границы регионов тела, а также более наглядно представлять графически рельеф тела, в том числе получить полное 3D изображение тела пациента.
Совокупность признаков, изложенных в п.3 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что установка эталонных значений показателей опорно-двигательной системы выполняется вручную или автоматически в соответствии с программой диагностики. Ручной ввод эталонных может быть необходимо, например, для учета национальных антропометрических характеристик.
Совокупность признаков, изложенных в п.4 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что полученные данные документируются или архивируются в электронном виде. Это необходимо для автоматизации процессов и использования в документе-обороте с электронными историями болезней.
Совокупность признаков, изложенных в п.5 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что полученные данные передаются по каналам связи. Это может быть необходимо в трудных диагностических случаях с консультативно-диагностической целью либо для создания единой медицинской базы.
Совокупность признаков, изложенных в п.6 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что снимки тела пациента выполняются при помощи смартфона (планшетного компьютера или иного портативного электронного устройства), а программная обработка полученных изображений осуществляется приложением на этом же устройстве. Такой вариант способа диагностики может быть использован, например, для самостоятельной экспресс-диагностики родителями у детей.
Совокупность признаков, изложенных в п.7 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что фотосъемка пациента осуществляется с расположенными на его теле опознавательными маркерами (или точками). Это может быть необходимо при плохих условиях освещенности, а также при оценке функциональных снимков.
Совокупность признаков, изложенных в п.8 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что пользователь может вручную корригировать положение распознанных границ и осей регионов тела пациента. Подобная функция может быть использована при желании оператора смоделировать желаемые границы или оси тела, или для математического моделирования функциональных проб.
Совокупность признаков, изложенных в п.9 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что снимки выполняют на контрастном и (или) маркированном фоне. Съемка в темноте также необходима, например, при выполнении 3D сканирования.
Совокупность признаков, изложенных в п.10 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что по функциональным снимкам программно-количественно вычисляют амплитуду движений и перемещения регионов тела пациента. Оценка амплитуды движений и числовая ее характеристика - необходимая составляющая для оценки статуса ортопедической системы.
Совокупность признаков, изложенных в п.11 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что программно анализируются результаты функциональных ортопедических тестов. Среди функциональных тестов можно будет использовать неспецифические: например, сила и выносливость мышц туловища и конечностей, а также специфические авторские тесты (например, тест Matthiassh - работоспособность мышц спины и туловища при поднятии рук) [1]. Учет функциональных тестов будет полезен при комплексной оценке ортопедического статуса пациента.
Совокупность признаков, изложенных в п.12 формулы изобретения, характеризует способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы тем, что программно моделируются пути коррекции существующей ортопедической патологии с практическими рекомендациями. Это может быть полезным дополнением при рекомендациях пациенту. Помимо этого, рекомендованные пути коррекции могут быть смоделированы, в том числе с представлением объемного изображения пациента и влияния рекомендаций на прогнозируемые изменения ортопедического статуса пациента.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами фиг.1-5.
На фиг.1 представлен один из возможных алгоритмов способа скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы.
На фиг.2А-Г представлены возможные варианты снимков, по которым выполняется способ диагностики. А - снимки выполнены во фронтальной плоскости, человек стоит прямо, Б - снимки во фронтальной плоскости, человек в наклоне вперед, В - снимки в сагиттальной плоскости, человек стоит прямо, Г - снимки в сагиттальной плоскости, человек в наклоне вперед [1].
На фиг.3А-Д представлены некоторые оцениваемые диагностические критерии: А - длина и асимметрия плеч; Б - наклон надплечий, таза; шейно-плечевые углы, треугольники талии: В - наклон головы, надплечий, ось позвоночника: Г - асимметрия длины и положения осей ног; Д - положение таза [1].
На фиг.4А-Г представлены некоторые функциональные снимки: А - наклоны туловища вперед; Б - изолированная подвижность в отделах позвоночника; В - наклоны туловища в бок; Г - амплитуда движения руки [1].
На фиг.5А-Г представлены возможные способы выделения регионов тела, их сравнения и измерения: А - сравнение симметрии тела путем наложения друг на друга, симметрично; Б - сравнение симметрии тела путем наложения друг на друга, асимметрия в области надплечья и талии; В - вписывая в тело геометрические фигуры и оценивая их характеристики, симметрично; Г - вписывая в тело геометрические фигуры и оценивая их характеристики, асимметрия в области талии, плечевого пояса.
Способ скрининговой диагностики нарушений опорно-двигательной системы осуществляет следующим образом (фиг.1).
В установленной последовательности выполняют ряд снимков пациента (видео или фотосъемка) (фиг.2-4). Снимки пациента выполняют на контрастном фоне либо в случае необходимости получают 3D изображение тела пациента в калибровочной камере (либо с текстурным освещением). Калибровочная камера для выполнения 3D сканирования позволяет многократно уменьшить размеры используемого для работы помещения (в отличие от метода компьютерной оптической топографии, описанного ранее). При помощи специально созданной программы изображение тела пациента выделяется от фона фотографии. Далее в соответствии с типом выполненного снимка (фронтальная, сагиттальная плоскость, снимки с наклоном и т.п.) программно распознаются регионы тела пациента. После этого распознанные регионы тела пациента программно оцениваются: вычисляются их линейные размеры, площадь, рельеф, выстраивается их ось. Для математического анализа характеристик регионов тела при написании обрабатывающей программы могут использоваться любые выбранные алгоритмы обработки изображений (фиг.5). Среди используемых критериев оценки обязательно должны быть выполнены оценка длины и осей туловища и конечностей, положение головы и шейно-плечевых линий, уровень стояния лопаток, симметричность треугольников талии, величина физиологических изгибов позвоночника, положение таза, соотношение длин регионов тела и другие фундаментальные критерии. Дополнительно программно оцениваются функциональные снимки пациента, по которым оценивается изменение длины региона тела и амплитуда движения (фиг.4). Также дополнительно в интегральной оценке могут быть оценены такие функциональные показатели, как сила и выносливость. При оценке диагностических критериев учитывается возраст, пол и анамнез пациента. Полученные данные сравниваются с эталонными (с учетом пола, возраста и анамнеза пациента), после чего делается оценка ортопедического статуса и (или) динамика его изменения. В случае необходимости пользователь может моделировать положение осей и рельефа (контура, размеров) регионов тела пациента для прогнозирования способов ортопедической коррекции или изменения вида полученного фотоматериала. В качестве эталона длины может быть использован масштаб, размещенный в одной плоскости с телом пациента, либо рост человека, либо любой другой эталон. При необходимости на теле пациента располагают опознавательные маркеры (или точки) - это будет полезно при выполнении функциональных снимков, особенно если есть необходимость оценить подвижность или изменение длины в специально оцениваемом сегменте тела человека.
Способ диагностики может быть реализован в виде программного приложения для портативной вычислительной техники (смартфоны, планшетные компьютеры, компьютеры) и использоваться в домашних условиях для оценки и мониторинга стояния опорно-двигательной системы.
Данный способ апробирован в ортопедической клинике, обследовано 50 пациентов с различными видами нарушений опорно-двигательной системы. Способ позволяет значительно упростить работу врача по оценке ортопедической патологии, качественно и количественно документировать полученные данные, полностью сопоставим с результатами других методов обследования.
Помимо этого, способ позволяет моделировать пути воздействия на ортопедический статус человека и прогнозировать дальнейшие течение патологии. Способ может широко использоваться как на этапе специализированной ортопедической медицинской помощи, так и на этапе доврачебного скрининг-обследования.
Источники информации
1. Mapкc B.O. Ортопедическая диагностика. Минск, Издательство «Наука и техника», 1978 г., 512 С.