УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ ВИБРАЦИИ ГРУДИНОЙ
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING VIBRATION TRANSMITTANCE OF STERNUM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной.
Уровень техники
Нестабильность грудной клетки заключается в аномальном движении грудной кости после хирургической операции на открытой грудной клетке. Обнаружение нестабильности грудной клетки является сложным, поскольку это аномальное состояние, которое скрыто и проявляет себя по-разному в каждом случае. Хирурги полагаются, прежде всего, на способы ручного исследования, такие как пальпация. При пальпации локальная болезненность и движение между половинами грудины оцениваются вручную. Однако эта оценка является субъективной, по существу качественной и склонной к ошибкам. Кроме того, для определения разделения и фрагментации костей используются способы получения изображений, такие как рентгеноскопия грудной клетки и компьютерная томография, CT, но они могут быть не способны указать малые перемещения половин грудины, когда они все еще плотно скреплены. Кроме того, рентгеновские устройства и СТ-устройства доступны не везде, излучение рентгеновского устройства непригодно для частого использования и CT является достаточно дорогим решением для определения нестабильности грудины. Рентгеновское исследование может также указать, что грудина имеет две части, даже если она уже находится в соединении.
Поэтому существует потребность в неинвазивном решении, которое определяет стабильность грудины достоверным, точным и объективным способом. Этот вид решения дает врачам данные измерений о состоянии грудины. Врачи могут использовать эти данные для назначения наиболее подходящего лечения, которое может иметь диапазон от консервативного контроля и рекомендации по обычной деятельности в течение дня до инвазивного операционного вмешательства.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению созданы способ и техническое оборудование, реализующее способ, посредством которых уменьшаются упомянутые выше проблемы.
Различные аспекты изобретения содержат способ и устройство, которые характеризуются тем, что заявлено в независимых пунктах формулы изобретения. Различные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение относится к неинвазивному измерению коэффициента пропускания вибрации грудиной, а также к измерительной системе и устройству.
Вибрация создается, например, определенным устройством, пригодным для этой цели. Созданная вибрация передается, например, средством передачи, таким как передатчик, на первую сторону грудины через кожу и мягкие ткани. Переданная вибрация затем получается, например, считывающим средством, таким как датчик, в качестве данных реакции грудины со второй стороны грудины через кожу и мягкие ткани. Первая и вторая стороны грудины находятся на противоположных сторонах от средней линии грудины. Данные реакции затем обрабатываются, например, тем же самым конкретным устройством, которое создало вибрацию, или компьютером, чтобы определить коэффициент пропускания вибрации грудиной.
В соответствии с первым аспектом изобретения предусмотрен способ неинвазивного измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной, причем упомянутый способ содержит этапы, на которых создают вибрацию, передают вибрацию на первую сторону грудины через кожу и мягкие ткани, получают данные реакции грудины со второй стороны грудины через кожу и мягкие ткани, где первая и вторая стороны грудины находятся на противоположных сторонах от средней линии грудины, и обрабатывают упомянутые данные реакции для определения коэффициента пропускания вибрации грудиной.
В соответствии с вариантом осуществления спектральное содержание созданной вибрации находится в диапазоне 50-1500 Гц. Согласно варианту осуществления спектральное содержание созданной управляемой вибрации находится в диапазоне 50-2000 Гц. Согласно варианту осуществления обработка содержит создание передаточной функции из данных реакции и извлечение параметров из передаточной функции. Согласно варианту осуществления измерение коэффициента пропускания вибрации грудиной выполняется по меньшей мере дважды, причем первое измерение выполняется перед грудинным разрезом грудины, а второе измерение выполняется после грудинного разреза грудины, и в котором данные реакции первого и второго измерений сравниваются. Согласно варианту осуществления измерение коэффициента пропускания вибрации грудиной выполняется на грудине по меньшей мере в двух различных положениях.
Согласно второму аспекту изобретения предусмотрена система неинвазивного измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной, причем система содержит устройство, содержащее процессор и устройство памяти, включающее в себя компьютерный программный код для создания вибрации, передатчик для передачи вибрации первой стороне грудины через кожу и мягкие ткани, датчик для получения данных реакции грудины со второй стороны грудины через кожу и мягкие ткани, где первая и вторая стороны грудины находятся на противоположных сторонах от средней линии грудины, и в которой устройство дополнительно выполнено с возможностью обработки упомянутых данных реакции для определения коэффициента пропускания вибрации грудиной.
В соответствии с вариантом осуществления устройство системы дополнительно выполнено с возможностью приема упомянутых полученных данных для дополнительной обработки данных. В соответствии с вариантом осуществления датчик соединяется с компьютером, выполненным с возможностью приема упомянутых полученных данных для последующей обработки данных. В соответствии с вариантом осуществления передатчик системы является вибрационным приводом. Согласно варианту осуществления датчик является акселерометром. В соответствии с вариантом осуществления передатчик и датчик соединяются друг с другом посредством ручки.
В соответствии с третьим аспектом изобретения предусмотрено устройство для неинвазивного измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной, причем устройство содержит средство формирования вибрации, средство передачи вибрации на первую сторону грудины через кожу и мягкую ткань, средство получения данных реакции грудины со второй стороны грудины через кожу и мягкую ткань, причем первая и вторая стороны грудины находятся на противоположных сторонах от средней линии грудины, и средство для обработки упомянутых данных реакции для определения коэффициента пропускания вибрации грудиной.
Краткое описание чертежей
Далее различные варианты осуществления изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых
фиг. 1 - блок-схема последовательности осуществления операций неинвазивного измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной;
фиг. 2 - пример системы неинвазивного измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной;
фиг. 3 - пример расположения привода и датчика относительно средней линии в соответствии с примерным вариантом осуществления;
фиг. 4 - пример передаточных функций, выведенных из полученных данных грудины в одном положении измерения для одного пациента в соответствии с примерным вариантом осуществления; и
фиг. 5 - пример нескольких описательных параметров, которые могут быть извлечены из механической передаточной функции.
Осуществление изобретения
Далее несколько вариантов осуществления изобретения будут описаны в контексте определения нестабильности грудины или аномального заживления грудины после хирургической операции на открытой грудной клетке. Следует заметить, однако, что изобретение не ограничивается примерами измерительных позиций или времен измерения в отношении характеристики грудного разреза. Фактически различные варианты осуществления имеют широкое применение в любой среде или времени, где требуется неинвазивное пропускание вибрации грудиной. Следует также заметить, что измерение вибрации грудины не является диагностическим способом, оно предоставляет хирургам и врачам результаты измерений, которые должны использоваться для понимания состояния пациентов.
Медианный грудной разрез является разрезом в костной структуре, который делается специально с помощью пилы и т.п. Обычно вокруг разреза нет никаких дополнительных фрагментов кости, и кость разделяется на две более или менее схожие половины. Место и геометрия разреза являются общеизвестными и определенными, хотя нежелательные парамедианные стернотомии весьма распространены. Разрез является продольным нарушением в плоской кости. Боковое грудинное разделение может быть очень выпуклым, порядка миллиметров или даже более сантиметра. Такое состояние может вести к значительным изменениям в передаче вибрации.
Способ неинвазивного измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной может содержать создание вибрации, передачу вибрации на первую сторону грудины через кожу и мягкую ткань, получение данных реакции грудины со второй стороны грудины через кожу и мягкую ткань, причем первая и вторая стороны грудины находятся на противоположных сторонах от средней линии грудины, и обработку упомянутых данных реакции для определения коэффициента пропускания вибрации грудиной.
Измерительная система для неинвазивного измерения коэффициента пропускания вибрации грудиной может содержать по меньшей мере устройство, содержащее процессор и запоминающее устройство, включающее в себя компьютерный программный код для формирования управляемой вибрации, передатчик для обеспечения вибрации ткани и кости, лежащей под тканью через кожу, датчик для получения реакции кости, и в которой устройство дополнительно выполнено с возможностью обработки упомянутых данных реакции для определения коэффициента пропускания вибрации грудиной. Динамический диапазон измерения может быть достаточно широким, чтобы позволить получение с высокой чувствительностью слабых сигналов вибрации, в то же время исключая любые большие смещения и смещение по постоянному току. Частотная характеристика системы может охватывать полосу шириной по меньшей мере 1000 Гц.
Свойства кости могут быть оценены по результатам измерений, используя модели, приближения и справочные измерения. Объявленные дефекты в строении кости, такие как переломы, могут отражаться в измеренной реакции. Например, в сломанных костях может иметь место значительный сдвиг частот свободных колебаний в направлении более низких полос частот.
При измерении нестабильности грудины справочные данные могут быть получены перед операцией от неповрежденной грудины. Ряд измерений может быть выполнен позже после грудинного разреза на различных этапах излечения. Дополнительная соответствующая информация, такая как толщина мягких тканей на разных уровнях грудины, может быть получена другими диагностическими способами, такими как получение ультразвуковых изображений и CT. Однако также может быть возможно использовать в качестве справочных данных одновременные данные, но результаты могут быть не столь достоверными.
На фиг. 1 в качестве примера представлена последовательность выполнения операций неинвазивного процесса определения нестабильности или аномального заживления грудины после медианной стернотомии или коэффициента пропускания вибрации грудиной согласно варианту осуществления. На этапе 10 создается вибрация со спектральным содержанием в диапазоне, например, 50-1500 Гц или 50-2000 Гц, которая передается к грудине приводом, например, электромагнитным приводом или вибрационным двигателем. На этапе 11 вибрация передается через кожу и мягкие ткани к лежащему в основе хрящу и кости, где она распространяется с меньшим затуханием. Реакция грудины собирается, принимается акселерометром, датчиком, на этапе 12 и записывается в цифровом формате. На этапе 13 полученный сигнал обрабатывается компьютером, например, конкретным устройством измерительной системы или персональным компьютером. При обработке может быть оценена механическая передаточная функция грудины и несколько описательных параметров, извлеченных из нее. Их распределения могут быть определены, чтобы выяснить, как они отражают изменения, происходящие в грудине.
На фиг. 2 представлена блок-схема измерительной системы 20, соответствующей примеру варианта осуществления. Измерительная система 20 содержит по меньшей мере следующие функциональные блоки: измерительное устройство 21, обеспечивающее интерфейсы для всех датчиков и приводов, модуль 22 датчика или акселерометр со схемами, необходимыми для его работы, и источник 23 вибрации или привод, такой как вибрационный двигатель или привод в виде магнита с катушкой.
Устройство 21 содержит микроконтроллер 24 и по меньшей мере один блок 25 хранения данных, то есть считываемую компьютером память, но он может дополнительно содержать аккумуляторную батарею источника электропитания и оптического оптоизолированного интерфейса. Устройство 21 может также содержать средство управления для пользователя, индикатор, дисплей и соединители. Источник 23 вибрации (передатчик) и модуль 22 датчика (датчик) соединяются с устройством 21, например, кабелями 26, например, кабелями, заканчивающимися стандартными соединителями или средством беспроводных технологий.
Устройство 21 может быть основано на специально созданной встроенной системе. Его основной модуль может быть, например, 8-разрядным микроконтроллером 24. Могут быть использованы несколько из его интегрированных периферийных признаков, таких как модули многоканального аналого-цифрового преобразователя (ADC), таймеры, универсальный асинхронный приемопередатчик (UART) и модуль широтно-импульсной модуляции (PWM).
Источники вибрации могут приводиться в действие, используя мощные транзисторы. Мощные транзисторы питания могут запускаться специализированными интегральными схемами, чтобы гарантировать соответствующий рабочий режим. Это измерительное устройство может быть абсолютно независимым блоком или может работать вместе с персональным компьютером или сервером.
Источники вибрации могут быть, например, электромагнитным приводом, малогабаритным электродвигателем без вала, пьезоэлектрическими пластинами, электромеханическими зуммерами или малогабаритными громкоговорителями. Однако некоторые из упомянутых источников вибрации могут быть слишком слабыми и неспособными преодолеть значительный эффект затухания мягких тканей, а некоторые могут быть не в состоянии обеспечить соответствующую механическую связь или могут не иметь необходимые формы и размеры. Электромагнитный привод, состоящий из постоянного магнита и катушки, как было неожиданно обнаружено, является предпочтительным выбором для источника вибрации, даже если он будет больше и тяжелее, чем, например, вибрационный двигатель без вала, и, таким образом, может быть, неочевидным выбором для переносной измерительной системы, например, в какой-либо клинической среде.
Электромагнитный привод может управляться широкополосными сигналами и, таким образом, он может возбуждать широкий диапазон частот, в отличие от вибрационного двигателя, создающего узкополосное возбуждение. Широкополосное возбуждение может использоваться для оценки передаточной функции. Широкополосные возбуждающие сигналы для электромагнитного привода могут содержать сигналы прямоугольной или синусоидальной формы с линейно или нелинейно изменяющейся частотой или спектрально равномерный белый шум. Кроме того, использование электромагнитного привода может привести к более согласованным измерениям. Следует также заметить, что электромагнитный привод может не прикрепляться к пациенту, тогда как вибрационный двигатель должен крепиться к пациенту, например, лентой. Таким образом, электромагнитный привод проще использовать клинически. Кроме того, как частота, так и величина вибрации, создаваемой электромагнитным приводом, могут регулироваться независимо. Это не может делаться для вибрационного двигателя, где существует зависимость между частотой и величиной вибрации.
В электромагнитном приводе сильный постоянный магнит может быть помещен в непосредственной близости от катушки, которая возбуждается электрическими импульсами. Переменное магнитное поле, созданное катушкой, вызывает деформацию магнита, который обладает достаточной массой, чтобы передать эту вибрацию к кости, преодолевая эффекты затухания мягких тканей. Создается вибрация с той же самой частотой, что и приложенный ток. Магнит может свободно крепиться в конструкции поддерживающей катушкой, используя для этого пружину. Эта пружина обеспечивает постоянную предварительную нагрузку и такой привод можно использовать, не прикрепляя его на пациенте.
Вибрационные двигатели обычно используются для бесшумной сигнализации в мобильных телефонах и пейджинговых устройствах. Это электромеханический диск, питающийся малым постоянным током, DC, который создает почти синусоидальную вибрацию в результате вращения асимметричной загрузки, присоединенной к валу.
Использование акселерометров в качестве датчика вибрации вместо, например, электрических микрофонов значительно улучшает характеристики вибрационных измерительных систем. Акселерометры более надежны и менее чувствительны к внешним источникам шума. Однако микрофон является стандартным выбором, который будет использоваться в качестве датчика вибрации.
Чтобы получить достоверное определение состояния грудины, вибрационное измерение может быть сделано по меньшей мере дважды, сначала перед хирургической операцией на открытой грудной клетке и затем после операции. Однако результаты могут быть более достоверными, если измерение повторяется не один раз после операции. Таким образом, можно следить за процессом заживления грудины. Можно выполнить, например, три, четыре, пять или более сеансов измерений для каждого пациента с операцией на открытой грудной клетке. Первый сеанс может быть выполнен за день до операции, второй сеанс - на четвертый день после операции, и следующие сеансы через три недели (21±3 дня) и три месяца (90±10 дней) после операции.
Можно использовать, например, три местоположения для возбуждения вибрации и обнаружения вибрации. Предпочтительно это те места, которые анатомически хорошо определимы и просты для расположения. Самым высшим местом может быть выступ соединения ключиц, который сочленяется с рукояткой грудины грудинно-ключичными соединениями. Среднее местоположение может быть определено как область выше третьего реберного хряща. Самое нижнее положение может быть определено как область выше пятого реберного хряща. Перед размещением привода и датчика эти точки могут быть идентифицированы вручную и маркированы. Однако при определении нестабильности грудной клетки возможно также использовать другие местоположения или только одно местоположение.
Также возможно для целей измерения соединить привод и датчик, например акселерометр, вместе, например посредством дугообразной рукоятки или ручки, так чтобы расстояние между приводом и датчиком во время записи оставалось постоянным. Соответствующим материалом для ручки может быть, например, пластмасса. Постоянное расстояние между приводом и датчиком может проще сделать правильным их расположение для измерений. Ручка может иметь также другую форму, отличную от дуги, это может быть, например, прямоугольная или любая другая форма, пригодная для соединения привода и датчика. Привод и датчик элемент могут быть съемными с ручки.
На фиг. 3 показано расположение привода 30 и датчика 31 относительно средней линии 32 в соответствии с примерным вариантом осуществления. Передача вибрации, то есть возбуждения через грудной разрез 36 посредством привода 30 может быть применена на расстоянии 34 нескольких сантиметров, например, 2, 3, 4 или 5 сантиметров, в сторону вправо от средней линии 32. В этом примере варианта осуществления расстояние составляет 3 см. Получение, то есть запись сигнала датчиком 31 может также быть сделано на том же самом расстоянии от средней линии 32, но в сторону влево от средней линии 32. Возбуждение и сбор данных выполняются поверх реберных хрящей 33 грудных половин 35 в среднем и нижнем положениях измерения. В верхнем положении возбуждение и запись может делаться на головках ключиц. Однако также возможно осуществлять стимуляцию с левой стороны средней линии 32 и записывать сигнал с правой стороны. Возбуждение и запись могут быть сделаны в одной поперечной плоскости, во всех трех положениях. Однако можно также использовать другие плоскости.
Все измерения могут быть проведены у пациентов в положении лежа на спине. Это гарантирует, что мышцы расслаблены и нет никакой силы или движения, которые могли бы вызвать нежелательную помеху.
Измерительная система может быть расположена так, чтобы создать управляемую вибрацию со спектральным содержанием в диапазоне 50-1500 Гц. Широкополосное возбуждение вибрации может производиться электромагнитным приводом, состоящим из постоянного магнита, помещенного внутри катушки, создающей переменное магнитное поле. Магнит поддерживается пружиной, которая также обеспечивает предварительную нагрузку, когда привод расположен на пациенте. Катушка управляется прямоугольными импульсами постоянного напряжения и линейно увеличивающейся частотой в диапазоне приблизительно 50-1500 Гц.
Реакция грудины может считываться акселерометром на трех уровнях грудины, записываться в цифровом формате и обрабатываться на устройстве. Устройство может быть конкретным устройством для этой цели, персональным компьютером или любым другим устройством, пригодным для этой цели. Механическая передаточная функция грудины может быть оценена и из нее могут быть извлечены несколько описательных параметров. Могут быть определены их распределения, чтобы определить, как они отражают изменения, происходящие в кости.
Самый информативный параметр для излечения грудины может быть показатель P600-1500, который отражает коэффициент пропускания в широкой полосе частот между 600 и 1500 Гц. Показатель P600-1500 спадал до низкого уровня в ранний послеоперационный период, указывая уменьшение коэффициента пропускания. Последовательность послеоперационных измерений может выявить обратную тенденцию того же параметра, которая может быть отнесена на счет лечения.
Вибрация может передаваться неинвазивно через кожу и мягкие ткани к базовому хрящу и кости, где она распространяется с меньшим затуханием. Модуль датчика, считывающий реакцию, может быть основан на интегрированном акселерометре, например однокристальном акселерометре микроэлектромеханической системы (MEM). Привод и/или детектор могут прижиматься к мягкой ткани, чтобы улучшить пропускание вибрации между устройством и тканью.
Реакция, считанная акселерометром, например на трех уровнях грудины, и записанная в цифровом формате, может быть обработана на измерительном устройстве или компьютере, таком как персональный компьютер. Устройство, которое обрабатывает данные реакции, может называться как вычислительное устройство. Также возможно, например, что устройство 21 передает данные реакции на компьютер, действующий в качестве вычислительного устройства вместо устройства 21. Затем компьютер обрабатывает данные реакции. Механическая передаточная функция грудины может быть оценена по записанным данным.
Передаточные функции, полученные из записанных цифровых данных грудины в одном положении измерения для одиночного пациента, показаны на фиг. 4. Они содержат четыре кривые, соответствующие четырем сеансам измерений. Кривая 41 соответствует передаточной функции, полученной при дооперационном измерении. Кривая 42 соответствует передаточной функции измерения, которое было выполнено в ранний послеоперационный период после операции на открытой грудной клетке, например, спустя 3 дня после операции. Кривая 43 соответствует передаточной функции для измерения, которое было сделано, например, спустя 3 недели после операции, и кривая 44 соответствует передаточной функции для измерения, которое было сделано, например, через 3 месяца. Эти времена измерений являются только примером возможных времен измерений, они могут быть выбраны как-либо иначе.
total
total
total
Из механической передаточной функции могут быть извлечены несколько описательных параметров. На основе извлеченных параметров можно определить изменения, происходящие в кости грудины. Параметрами, которые должны использоваться для определения заживления грудины, может быть, например, показатель P600-1500, который отражает коэффициент пропускания в широкой полосе частот между 600 и 1500 Гц. Показатель P600-1500 спадает до низкого уровня в начальный послеоперационный период, указывая уменьшение коэффициента пропускания. Последовательность послеоперационных измерений может выявить обратную тенденцию в том же самом параметре, которую можно приписать заживлению. Несколько описательных параметров, которые извлекаются из предполагаемых механических передаточных функций, раскрываются на фиг. 5. Они содержат величины и частоты различных пиков, а также более общие показатели, которые перекрывают более широкие полосы частот. Показатель P600-1500 представляет интегрированный коэффициент пропускания в широкой полосе в более высокочастотном диапазоне. Этот показатель был нормализован относительно интегрированного коэффициента пропускания (P), приводя к так называемому показателю 51 P600-1500/P. На фиг. 5 показатель P600-1500/P равен 0,6342. Также основной пик в полосе 52 50-600 Гц (на фиг. 5 частота равна 158 Гц и величина 0,1394), средняя частота 53 (864 Гц на фиг. 5) и основной пик в полосе 54 600-1500 Гц (на фиг. 5 частота равна 1173 Гц и величина 0,0839) являются параметрами, которые могут быть определены из измеренной передаточной функции.
Вместо представления абсолютных значений параметров иногда может быть более информативным показать, как параметры изменяются между измерениями. Поэтому может использоваться простой показатель, называемый относительной разностью.
Различные варианты осуществления изобретения могут быть осуществлены с помощью компьютерного программного кода, постоянно находящегося в памяти и побуждающего соответствующие устройства выполнять изобретение. Например, измерительное устройство, действующее в качестве оконечного устройства, может содержать схему и электронное устройство для обработки, приема и передачи данных, компьютерный программный код в памяти и процессор, который при выполнении компьютерного программного кода побуждает оконечное устройство выполнять признаки варианта осуществления.
Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено лишь представленными выше вариантами осуществления, а может изменяться в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.