Способ определения плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм периферического скелета
METHOD FOR DETERMINING DENSITY OF BONE TISSUE BASED ON STANDING WAVE EMISSION FROM PERIPHERAL SKELETON MICROSEISMS

Изобретение относится к области медицинских методов определения плотности костной ткани, в частности, диагностики остеопороза в периферийных частях скелета.
Остеопороз является бессимптомным заболеванием, которое часто диагностируется только тогда, когда произойдет перелом. В мире страдают от остеопороза около 200 миллионов человек, ежегодно происходит 8,9 миллионов переломов. Распространенность перелома проксимальных отделов бедра составляет 18-23% [Kanis JA, Cooper С, Rizzoli R et al (2017) Identification and management of patients at increased risk of osteoporotic fracture: outcomes of an ESCEO expert consensus meeting. Osteoporoslnt 28: 2023-2034; W. D. Leslie, S. R. Majumdar et al (2018) Performance of FRAX in clinical practice according to sex and osteoporosis definitions: the Manitoba BMD registry..Osteoporosislnternational 29: 759-767.] позвоночника - 75,6% ото всех переломов [Marshall D, Johnell О, Wedel H (1996) Metaanalysis of how well measures of bone mineral density predict occurrence of osteoporotic fractures. BMJ 312:1254-1259; Stone KL, Seeley DG, Lui LY, Cauley JA, Ensrud K, Browner WS, Nevitt MC, Cummings SR, Osteoporotic Fractures Research Group (2003) BMD at multiple sites and risk of fracture of multiple types: long-term results from the Study of Osteoporotic Fractures. J BoneMinerRes 18(11):1947-1954. https://doi.org/10.1359/jbmr.2003. 18.11.1947]. Переломы проксимальных отделов бедра являются одной из основных причин снижения качества жизни и смертности [Leslie WD, Lix LM, Johansson H, Oden A, McCloskey E, Kanis JA, Manitoba Bone Density Program (2010) Independent clinical validation of a Canadian FRAX tool: fracture prediction and model calibration. J BoneMinerRes 25(11):2350-2358. https://doi.org/ 10.1002/jbmr.l23; Kanis JA, McCloskey EV, Johansson H, Oden A, Melton LJ III, Khaltaev N (2008) A reference standard for the description of osteoporosis. Bone 42(3):467-475. https://doi.org/10.1016/j.bone. 2007.11.001].
В Российской Федерации в группу потенциального риска остеопоротических переломов входит 34 миллиона человек (14 млн человек страдают остеопорозом, у 24 млн имеется остеопения). Подсчитано, что каждую минуту в стране у людей старше 50 лет происходит 7 переломов позвонков, каждые 5 минут - перелом шейки бедра. Летальность после перелома бедра в ряде городов России доходит до 45-52% [Goh, Maylyn; Nguyen, Harm H. Identifying and addressing osteoporosis knowledge gaps in women with premature ovarian insufficiency and early menopause: A mixed-methods study/ CLINICAL ENDOCRINOLOGY): 1-10 /DOI:10.1111/cen.14049]. Таким образом, большое значение имеет ранняя диагностика снижения минеральной плотности костной ткани, позволяющая проводить своевременное лечение и профилактику переломов.
Основными методами диагностики остеопороза являются количественная компьютерная томография, количественная ультразвуковая денситометрия и «золотой стандарт» диагностики - двухэнергетическая рентгеновская денситометрия (DEXA), [Kim Т-Н, Lee Y-S, Byun DW, Jang S, Jeon D-S, Lee H-H. (2013) Evaluation of the Osteoporosis health belief scale in Korean women. J BoneMetab. 20(l):25-30; Horan ML, Kim KK, Gendler P, Froman RD, Patel MD. (1998) Development and evaluation of the osteoporosis self-efficacy scale. ResNursHealth. 21(5):395-403].
Метод DEXA обладает хорошей воспроизводимостью, точностью, позволяет используя количественные показатели оценивать состояние костной ткани в динамике. В методе DEXA используют два различных рентгеновских луча, чтобы оценить плотность кости в позвоночнике и в бедре. Чем плотнее костная ткань, тем больше поглощение проходящего через нее рентгеновского излучения. Процедура занимает мало времени и дозы радиационного облучения очень низкие.
В современных денситометрах также имеется возможность с помощью специального программного обеспечения исследовать микроархитектонику кости. К недостаткам можно отнести рентгеновский принцип, отсутствие мобильности, высокую стоимость оборудования. Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия не является целесообразной для пациентов с протезами тазобедренных суставов и признаками дегенеративного изменения позвоночника, также этот метод противопоказан беременным женщинам.
На современном этапе возникла необходимость создания принципиально нового метода, отличающегося хорошей воспроизводимостью, возможностью получения количественных характеристик, подлежащих оценке в динамике, не имеющего противопоказаний, имеющего низкую стоимость исследования.
Задача изобретения - создание нового способа использования упругих стоячих волн для оценки минеральной плотности костной ткани, не имеющего противопоказаний.
Ниже описан новый безызлучательный подход для получения количественных характеристик костной структуры на основе выделения стоячих волн из микросейсм. В этом исследовании мы стремились сравнить результаты нового заявляемого метода с методом DEXA в оценке минеральной плотности костей (в дальнейшем МПК), а также показать положительные моменты в новом методе.
Технический результат изобретения заключается в снижении вредного воздействия на человека, а именно в отсутствии воздействия рентгеновского излучения, получении диагностических характеристик остеопороза.
Технический результат достигается в способе определения плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм периферического скелета, в котором регистрируют на поверхности тела в точках наблюдения шумовые записи с высокой частотой дискретизации, разбивают записи на фрагменты, вычисляют их амплитудные спектры, затем для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, и, по появлению в усредненном спектре коротких фрагментов шумовых записей квазирегулярных пиков, устанавливают наличие стоячих волн, рассчитывают добротность и по ее величине оценивают плотность костной ткани.
В способе непрерывные шумовые записи в точках наблюдения производят в течение не менее 5 секунд при частоте дискретизации 1000 кГц, после чего шумовые записи разбивают на фрагменты по 8192 отсчетов, фрагменты длительностью ~ 0.0082 с.
В способе добротность рассчитывают по формуле Q=W/kA, где W -значение частоты когерентного пика, кА -ширина пика.
В основе предлагаемого метода лежит подход к выделению стоячих волн в периферическом скелете (кости грудной и тазовой конечности), основанный на том, что исследуемый объект может колебаться на собственных частотах при воздействии на них упругих колебаний от шумовых источников искусственного или естественного происхождения. Известно, что стоячая волна образуется в результате наложения двух бегущих волн с одинаковой амплитудой, частотой и фазой (когда волны движутся навстречу друг другу). Любой замкнутый и ограниченный объект (в нашем случае это кость) имеет бесконечное количество мод стоячих волн.
Как было показано в результатах (на физическом моделировании и натурных экспериментах) [Kolesnikov Y.I., Fedin K.V., Luckymore N. (2019) Direct determination of resonant properties of near-surface sediments using microtremor // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2019. T. 125. - C. 105739-105739 (8 pages)], накопление большого числа амплитудных спектров относительно коротких фрагментов шумовых записей приводит к появлению на усредненном спектре регулярных пиков, соответствующих стоячим волнам. Критерием того, что это именно стоячие волны, является регулярный характер этих пиков.
Для оценки возможностей такого резонансного метода денситометрии на основе выделения стоячих волн проведена серия лабораторных измерений.
Регистрация микросейсмического поля осуществляется с помощью ультразвукового приемника, выполненного на основе дисков из пьезокерамики ЦСТ-19 диаметром 2 мм и толщиной 1 мм. К одной из сторон пьезокерамики прикрепляют длинный медный провод от 50 см, за счет которого нивелируется виляние собственных частот самой пьезокерамики. Если же такой приемник использовать для измерения упругой скорости в материале, то сигнал будет коротким, то есть “хвостовая” часть сигнала будет отсутствовать. Другая же сторона пьезокерамики (датчика) устанавливается неподвижно на одну из указанных на фигуре 1 точек (ключица, лучезапястный сустав, тазобедренный сустав, коленные суставы, голеностопные суставы и поясничные отделы позвоночника L1-L4). Места установки датчиков выбирались согласно рекомендации врачей из Клиники НИИКЭЛ-филиал ИЦиГ СО РАН.
Известно, что плотность костей может сильно отличаться, как будет показано ниже. Ось максимальной чувствительности датчика должна быть направлена перпендикулярно к поверхности, на которой он устанавливается. Для регистрации сигналов шума используется цифровой осциллограф Bordo - 423, а также предварительный усилитель. В результате такой схемы эксперимента было выделены когерентные колебания, связанные со стоячими волнами, на фоне некогерентного шума.
Сама методика измерений и аппаратура не раз применялась в ходе других исследований, описание аппаратуры и методики измерений можно прочитать в работе [Колесников Ю.И., Федин К.В., Нгомайезве Л. Диагностика твердого дорожного покрытия по упругим стоячим волнам // Инженерные изыскания. - 2018. - Т. 12. - № 7-8. - С. 84-91].
Регистрируемый шум в периферическом отделе скелета образуется за счет микроколебаний, источниками которых служат как внутренние органы самого человека, так и внешние шумовые воздействия на организм. Для накопления когерентных амплитудных пиков этого шума в ходе измерений было достаточно.
Перед проведением измерений необходима калибровка прибора. Для этого используется второй пьезокерамический датчик поршневого типа. Один из датчиков работает как излучатель сигнала, подключаясь к генератору импульсов, в данном случае используется генератор импульсов Г5-54, а второй датчик используется как приемник. Производится регистрация скоростей продольных волн в эталонных образцах. Если скорость в исследуемом образце совпадает с эталонной, то прибор работает исправно. Также стоит обратить внимание на сигнал, он должен совпадать с подаваемой формой от генератора импульсов.
Диапазон измеряемых частот в измерительном приборе должен составлять от 1 до 20 кГц, поскольку стоячие волны образуются в костях именно в таком частотном диапазоне. Время записи для каждого положения датчика составляет примерно 5 секунд при частоте дискретизации 1 МГц. Для усреднения по времени исходные шумовые записи разбивались на фрагменты по 8192 отсчетов, для них вычислялись амплитудные спектры, которые затем усреднялись. Дальнейшее усреднение по всей записи наблюдений позволяло нивелировать эффект исчезновения пиков отдельных мод стоячих волн в спектрах записей, зарегистрированных в точках вблизи узлов этих мод. Количество фрагментов составляло от 8 до 32, то есть до тех пор, пока не появлялись регулярные когерентные пики. Длительность фрагментов ~ 0.0082 с.
С помощью способа получены диагностические критерии определения параметра плотности костей (добротности) с использованием метода выделения стоячих волн по накопленным амплитудным спектрам, полученным при наблюдениях на группе из 15 добровольцев мужского пола в возрасте от 50 до 70 лет. У испытуемых параметр плотности костной ткани в поясничном отделе позвоночника, генерируемый резонансным методом, сравнивали с «Золотым стандартом» диагностики, которым в настоящее время является двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия (DEXA). У самого же метода DEXA точность позволяет измерять от 2% потери костной массы в год. Как показали наши результаты точность у резонансного метода не хуже.
На фигуре 1 указаны точки установки датчиков (помимо указанных точек датчики устанавливаются на участках позвоночника от L1 до L4), где: 1.1 и 1.2 - ключица, 2.1 и 2.2 -лучезапястный сустав, 3.1 и 3.2 - тазобедренный сустав, 4.1 и 4.2 - коленный сустав, 5.1 и 5.2 - голеностопный сустав.
На фигуре 2 представлены фрагменты шумовых записей, полученных с записями естественного акустического шума (треки 1 -3).
На фигуре 3 показан пример амплитудного спектра накопленной записи. Уровня естественного акустического шума (до 1000 кГц) достаточно, чтобы выделить когерентные пики.
Чтобы проверить применимость нового метода для оценки плотности костной ткани методика была протестирована на группе из 15 добровольцев мужского пола в возрасте от 50 до 70 лет. У этих испытуемых параметр плотности костной ткани (добротность) в поясничном отделе позвоночника, полученный резонансным методом, сравнивали со значениями МПК, оцененными с помощью DEXA (денситометр «Lunar Prodigy», GE, США).
В технике, чтобы понять, что резонатор ослаблен, применяют безразмерную величину добротности материала. Это произведение максимальной энергии в резонаторе во время колебания на энергию, потерянную радианным циклом [Harlow, James Н. (2004) Electric power transformer engineering. CRC Press, pp.2-216. ISBN 978-0-8493-1704-0. Archived from the original on 2016-12-02]. В нашем случае при измерении амплитудно-частотного распределения это отношение частоты когерентного пика к его ширине, которая определяется как 0,707 его максимальной амплитуды [Tooley, Michael Н. Electronic circuits: fundamentals and applications. Newnes. pp.77-78. ISBN 978-0-7506-6923-8. Archived from the original on 2016-12-01]. Фактор качества резонатора называется добротностью. Если материал (в нашем случае это кость) имеет более высокую плотность, то визуально когерентный пик будет узким.
На фигуре 4 показана величина резонансного фильтра с коэффициентом усиления по напряжению 0,707 (ширина половинной мощности) [Dennis Bohn. (2008) "Bandwidth in Octaves Versus Q in Bandpass Filters", www.rane.com. Retrieved 2019-11-20].
На фигуре 5 показан пример фрагмент накопленного амплитудного спектра полученного на отделе позвоночника L4 у мужчины 34 летнего возраста. Значение частоты когерентного пика равно 2,34, его амплитуда равна 0,283. Ширина пика определяется как 0,283*0,707=0,2. Значение добротности Q вычислялось следующим образом:
где W - значение частоты когерентного пика, а kA - ширина пика.
Если рассматриваемый объект (кость) является материалом с хорошей (высокой) добротностью (т.е. плотным, при Q больше 6.9 в случае поясничного отдела позвоночника -см. результаты ниже), то на конечном результате (частотно-амплитудном распределении) когерентные пики будут как правило визуально узкими (соотношение амплитуды пика к его ширине), если же кость не плотная (с низкой добротностью, при Q меньше 6.9 в случае поясничного отдела позвоночника - см. результаты ниже), то и результат будет противоположным (широкие пики).
Для диагностики остеопатии пограничное значение Q для мужчин от 50 до 70 лет для ключицы, лучезапястного сустава, тазобедренного сустава, коленных суставов и голеностопных суставов должно быть менее 6.4, 6,8, 7,2, 7,1 и 7 соответственно.
В таблице 1 для сравнения показаны значения плотности костей (добротности) в поясничном отделе позвоночника (L1-L4), полученные резонансным методом, и значения МПК, полученные с помощью DEXA в выбранной группе мужчин. У четырех из 15 пациентов была обнаружена остеопатия.
ТАБЛИЦА I. Результаты оценки МПК в поясничном отделе позвоночника (L1-L4) и добротность в резонансном методе на мужчинах в возрасте от 50 до 70 лет.
Добротность в резонансе продемонстрировала тесную положительную корреляцию с МПК, полученной с помощью DEXA (r=0,92, р<0,00001, r - коэффициент корреляции Пирсона при классическом методе статистики, р - вероятность).
Пациенты с остеопатией из таблицы 1 - 3,5,8 и 10 пациенты, по возрасту 55, 56, 53 и 51 соответственно. В случае представленной категории испытуемых (от 50 до 70 лет мужчины) можно заметить, что если значение добротности (Q) в среднем выше чем 6.9, то плотность костей хорошая, если ниже 6.9, то стоит обратить внимание и назначить комплекс лечения.
Остальные же пациенты, у которых значение Q получилось ниже 6.9, например 7 пациент (68 лет) из таблицы 1 на верхней грани данной рассматриваемой возрастной категории и для него считается нормой значение добротности.
В результате этого исследования был разработан новый метод оценки плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм, а также его аппаратная реализация. Данные показывают, что результаты оценки плотности костей (добротности) в поясничном отделе позвоночника, полученные резонансным методом, сопоставимы с результатами DEXA. Преимуществом предлагаемого способа являются низкая стоимость и отсутствие радиационного воздействия на пациента.