Спирометрия: новые возможности

разработанная модель нейронной сети продемонстрировала способность эффективно и адекватно воспроизводить естественные для условий in vivo процессы обучения и анализировать тонкие причины нарушения межклеточных коммуникаций в мозге.

Литература

1. Денисов А.А., Булай П.М., Кулагова Т.А., Молчанов П.Г., Питлик Т.Н., Черенкевич С.Н. // Вестн. БГУ. Сер. 1. №3. С. 32-38.

2. Кульчицкий В.А. // Новости мед.-биол. наук. 2010. Т. 2, №3. С. 5-13.

3. Меженная М.М., Осипов А.Н., Ильясевич И.А., Давыдова Н.С., Давыдов М.В., Кульчицкий В.А. // Инженерный вестник. 2010, №2 (30). С. 92-96.

4. Меженная М.М., Осипов А.Н., И.А. Ильясевич, Давыдова Н.С., Давыдов М.В., Кульчицкий В.А. // Пробл. физики, математики и техники. 2012, №1 (10). С. 105-112.

5. Молчанов П.Г., Хотянович М.О., Шанько Ю.Г., Денисов А.А., Булай П.М., Стрижак И.В., Черенкевич С.Н., Родич А.В., Пашкевич С.Г., Танин А.Л., Кульчицкий В.А. // Новости мед.-биол. наук. 2012. Т. 4, №2. С. 198-202.

6. Питлик Т.Н., Булай П.М., Денисов А.А., Черенкевич С.Н., Кульчицкий В.А. // Докл. НАН Беларуси. 2010. Т. 54, №2. С. 103-107.

7. Bulai P.M., Molchanov P.G., Denisov A.A., Pitlik T.N., Cherenkevich S.N. Extracellular electrical signals in a neuron-surface junction: model of heterogeneous membrane conductivity // Eur. Biophys. J. 2012. M 41. P. 319-327.

8. Feldman D.E. The spike-timing dependence of plasticity // Neuron. 2012. Vol. 75, No 4. P. 556-571.

9. Gamez D., Fidjeland A.K., Lazdins E. iSpike: a spiking neural interface for the iCub robot // Bioinspir. Biomim. 2012. Vol. 7, No 2. P. 025008.

10. Huang X., Xu W., Liang J., Takagaki K., Gao X., Wu J.Y. Spiral wave dynamics in neocortex // Neuron. 2010. Vol. 68, No 5. P. 978-990.

11. Izhikevich E.M. Simple model of spiking neurons // IEEE Trans. Neural. Netw. 2003. Vol. 14, N 6. P. 1569-1572.

and Kul'chitskii V.A.

ter Vertebral Trauma //

ty relation of activity 97, No 5. P. 3597-3606.

12. Il'yasevich I.A., Soshnikova E.V., Vishnevsky A.A., Duloub 0 Electrophysiological Analysis of Transmission Via Spinal Pathways A Neurophysiol. 2009. Vol. 41, No 3. P. 176-180.

13. Jacobi S., Moses E. Variability and corresponding amplitude-ve propagating in one-dimensional neural cultures // J. Neurophysiol. 2007. Vo

14. Nam Y., Wheeler B.C. In vitro microelectrode array technology and neural recordings // Crit. Rev. Biomed. Eng. 2011. Vol. 39, No 1. P. 45-61.

15. Pinto D.J., Patrick S.L., Huang W.C., Connors B.W. Initiation, propagation, and termination of epileptiform activity in rodent neocortex in vitro involve distinct mechanisms // J. Neurosci. 2005. Vol. 25, No 36. P. 8131-8140.

16. Viventi J., Kim D.H., Vigeland L. et al. Flexible, foldable, actively multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo // Nat. Neurosci. 2011. Vol. 14, No 12. P. 1599-1605.

17. Wong T.M., Preissl R., Datta P. et al. 1014/ IBM Research Report // Comput. Sci. 2012 RJ10502 (ALM1211-004).

Summary

The neural network model containing 10,000 neurons connected to each other by 1 to 3 million synapses. Synapse formation in the model is based on the effect of synaptic conduction changing, that is, the phenomenon of plasticity, depending on the time. The process of learning was reproduced in neural network model, when a repeated combination of two stimuli was accompanied with spontaneous formation of two zones of neuronal populations activation at the moment of irritating signals absence. The increase of synaptic conduction was accompanied with the development of diffuse excitation in the neural network, which acquired a chaotic or, conversely, an ordered helical nature. Thus, the developed neural network model demonstrated the ability to reproduce effectively and adequately natural for in vivo conditions learning processes and analyze the causes of impaired intercellular communications in the brain under pathological conditions.

новые возможности

Распространенность брон-холегочных патологий различной этиологии в наше время как никогда велика. Они вносят весьма существенный вклад в структуру заболеваемости и смертности населения, в том числе трудоспособного. В последние годы в нашей стране, как и во всем мире, врачи отмечают резкое увеличение количества людей, страдающих бронхиальной астмой (БА) - от 5 до 15% населения. Расчеты, основанные на эпидемиологических данных, позволяют предположить, что стало вдвое больше больных хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) [9, 10]. Этот недуг

Игорь Маничев,

завлабораторией разработки оборудования для спирометрии УП «Унитехпром БГУ», кандидат физико-математических наук

относится к числу часто встречающихся и является важной медицинской и социальной проблемой, входя в число лидирующих причин временной нетрудоспособности и инвалидности. Именно БА и ХОБЛ обусловливают около 2/3 случаев стойкой утраты трудоспособности, связанной с заболеваниями органов дыхания. Бронхиальная астма, ХОБЛ, эмфизема легких, бронхоэктатическая и фиброзная болезни, а также интерстициальные заболевания легких, такие как муковисцидоз, идиопатический фиброзирующий альвеолит, или идиопатическая интерстициальная пневмония, инвалидизируют людей, являют-

ся причинами летальных исходов у больных с легочной патологией. Между тем в развитых странах средняя продолжительность жизни у пациентов с муковисцидозом увеличилась с 14 лет в 1969 г. до 32 лет в 2000 г. (в РФ - до 24 лет, по данным на 2001 г.), и к настоящему времени даже известны случаи рождения у них детей.

Поскольку легкие врач не может рассмотреть или пощупать, диагноз и последующее лечение практически невозможны без специальных диагностических инструментов и технологий. Чем раньше и точнее будет распознано заболевание, чем быстрее будет начата эффективная терапия, тем меньше риск хронизации процесса или перехода его в тяжелую форму. Возможности для этого есть. Одна из них - спирометрия -широко применяемый в мире метод для исследования функции легких, использование которого имеет более чем полуторавековую историю. Только в нашей стране проводится до миллиона спирометрических исследований в год. Название этой диагностической процедуры происходит от двух глаголов: латинского «яртаге» -дышать, выдыхать и греческого «те^ео» - измерять.

Впервые исследования механики дыхания, или, как сейчас принято называть, функции внешнего дыхания (ФВД), были выполнены в 1844 г. английским врачом Джоном Гетчинсоном с помощью изобретенного им спирометра, в котором внутренний колокол двигался в воде, обеспечивающей герметичность прибора.

В его спирометре имелась градуировочная шкала, а противовесы обеспечивали легкость движения (рис. 2, сделан самим Джоном Гетчинсоном).

И название прибора, и методика спирометрии, и обозначение статических объемов и емкостей легких - все эти изобретения были озвучены автором во время его многочисленных выступлений на заседаниях разных обществ - Статистического, Страхового, Медицинского - и в печати.

Медицинская диагностика

Рис. 1. Джон Гетчинсон

Рис. 2. Спирометр Гетчинсона

Основные статьи ученого по спирометрии вышли в 1844-1852 гг. и содержали не только описание прибора, но и методические указания по его правильному использованию. В них изложены результаты проведенных автором исследований: доктор Гетчинсон измерил статические объемы легких у 4 тыс. здоровых и больных людей. Исследуя первых, он сравнивал влияние на спирометрические объемы пола, возраста, роста, веса и даже профессии. Среди изученных были мужчины и женщины, карлики и гиганты, полисмены и пожарные, военные и моряки, бедные ремесленники и наследники британской короны, боксеры и борцы. Во второй группе были страдающие туберкулезом и другими легочными и нелегочными болезнями.

Автор метода установил зависимость между статическими объемами легких и ростом, возрастом, весом (зависимости объемов от веса он, правда, не нашел), а также с тяжестью патологии. Гетчинсон утверждал, что по объему максимального выдоха после максимального вдоха (это и есть жизненная емкость легких -ЖЕЛ) можно прогнозировать продолжительность жизни, а также тяжесть течения болезни. Он даже рекомендовал страховым компаниям использовать ЖЕЛ в качестве важнейшего критерия для установления суммы страховых взносов.

И сегодня спирометрия незаменима как простой, но точный метод диагностики. Хотя, как и полагается классической методике, на фундаменте, заложенном Гетчинсоном, за прошедшие полтора века выросло монументальное здание спирометрии, оперирующее помимо исследования статических легочных объемов также и скоростными характеристиками дыхания, бронхиальной проходимостью, диффузионной способностью, рядом бронхомо-торных тестов.

Конечно же, современные приборы строятся на иных принципах, чем спирометр Гетчин-сона. Они стали электронными,

о

X X

5

X

13

Рис. 3.

Исследование функции внешнего дыхания на спирометре МАС-1

компактными, многофункциональными и интеллектуальными. Примером такого аппарата экс-пертно-диагностического класса, несомненно, можно считать разработанный в рамках Программы инновационного развития Республики Беларусь спирометр многофункциональный автоматизированный МАС-1. Это автономный диагностический прибор для проведения углубленных исследований дыхательной системы человека, позволяющий оценить более 40 параметров ФВД. В основу измерений заложены такие широко известные и стандартизированные диагностические инструменты, как спирометрия, пневмотахометрия, максимальная вентиляция. Выпуск комплексов диагностики дыхания на его базе освоен предприятием-изготовителем УП «Унитехпром БГУ».

Функциональные возможности спирометра МАС-1 позволяют:

в автоматическом режиме проводить оценку функционального статуса дыхательной системы на основе измерения более 40 показателей внешнего дыхания;

обеспечивать высокую достоверность и точность спирометрических исследований за счет функции автоматического выбора самой удачной попытки, а также контроля технической приемлемости и воспроизводимости

тестов на основе ATS/ ERS-2005;

выбирать любой из 11 принятых в Европе и СНГ стандартов должных величин (Knudson, Европейское общество угля и стали, Quanjer, Zapletal и др.), в том числе

2 отечественных (по Клементу и по Ширяевой, Санкт-Петербург, НИИ пульмонологии);

проводить быструю скри-нинговую диагностику ФВД пациента за счет протоколов исследований, адаптированных для общетерапевтической практики;

регламентировать порядок и качество обследования с помощью диалоговой системы подсказок и рекомендаций;

вести раздельные протоколы оценки бронхомоторных показателей (бронходилатацион-ный, функциональный, провокационный - до 8 тестов);

формировать личную историю каждого пациента и вести мониторинг ФВД на протяжении всего периода лечения и реабилитации;

автоматически сохранять в архиве результаты всех выполненных на спирометре исследований (не менее 50 тыс.);

осуществлять автоматическую выдачу предварительного экспертного заключения и интерпретировать результаты бронхо-моторных тестов;

вести ХОБЛ-мониторинг (постоянное наблюдение за факторами риска болезни) в условиях динамического наблюдения и проведения бронхомоторных тестов, включая расчет ИКЧ (индекса курящего человека);

проводить как разовые, так и потоковые обследования без потери достоверности с помощью пневмотахометрического датчика дыхания (трубки Флейша) с термостатированием;

получать качественные данные спирометрии у детей начиная с 4-летнего возраста, при этом анимационное изображение помогает детям младшего возраста правильно выполнять тесты;

выполнять полноценные

спирометрические исследования с применением экспертной системы «Спиро-Эксперт-проф-осмотр», в 3 раза сокраща-

ющей затраты времени на полное обследование.

Таким образом, инноваци-онность используемых подходов состоит в том, что МАС-1 - не просто измерительный прибор, а информационно-измерительная экспертная система исследования дыхания человека, позволяющая реально подойти к доклинической диагностике (то есть выявлению групп респираторного риска), а также мониторированию хронических бронхообструктивных заболеваний (например, при проведении профосмотров и диспансеризации). Кроме того, его конструктивные особенности и мощное программное обеспечение позволяют подключать к спирометру пульсоксиметры, газоанализаторы (в том числе капнометры и оксиметры), что фактически приводит к появлению комплекса функциональной диагностики дыхания с углубленными возможностями мониторирования кардиореспи-раторной системы человека.

Спирометр МАС-1, а также диагностические комплексы на его основе завоевали дипломы и медали на международных салонах инноваций и инвестиций в Москве, Санкт-Петербурге, дипломы за участие в международных медицинских специализированных выставках в Минске, Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Красноярске, Пятигорске, Ганновере, Владивостоке, Астане и др.

Экспертно-диагностические комплексы на базе МАС-1 выпускаются в соответствии с требованиями безопасности, предъявляемыми Европейским союзом к изделиям медицинской техники (в соответствии с директивой 93/42/ЕЕС), сертифицированы на медицинских рынках ближнего и дальнего зарубежья и поставляются не только в Беларусь и Россию, но и в Словакию, а с 2012 г. - в Индонезию. Только за минувший год отгружено на экспорт в страны СНГ и дальнего зарубежья 72 комплекса диагностики дыхания.