УСТРОЙСТВО АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ КОСТНОЙ ТКАНИ
DEVICE OF ACOUSTIC DIAGNOSTICS WITH FREQUENCY SCANNING OF BONE TISSUE

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано в травматологии, ортопедии и других областях медицины, связанных с диагностикой, мониторингом состояния костной ткани, прогнозированием ее прочности, переломами и другими заболеваниями костей.
Долгое время основным способом диагностики костей был рентгенодиагностический метод. Но поскольку аппарат, с помощью которого проводится рентген, излучает определенную дозу радиации, часто проводить такое исследование нельзя. Рентген противопоказан во время беременности, а также детям до 14 лет.
Эхографическое исследование служит альтернативой рентгенодиагностическим методам при диагностике костей. К повреждениям, определяемым эхографически, относятся травматические переломы, смещения костей и их фрагментов, можно контролировать консолидацию переломов и формирование костной мозоли. Сложность применения ультразвуковых приборов для исследования костной ткани заключается в том, что она очень плотная и не пропускает ультразвук.
Известен зарубежный ультразвуковой медицинский прибор Omnisense 7000 для диагностики костей, использующий технологию измерения скорости звука при прохождении ультразвуковой волны вдоль поверхности кости [1, 2]. Главным недостатком данного устройства является высокая стоимость, которая в зависимости от вариантов поставки и функциональных возможностей составляет от 25860 $ до 45180 $.
Известен способ определения нарушения костной ткани, использующий частотное сканирование костной ткани сигналами в диапазоне от 0,5 до 100 кГц, определение резонансных частот колебаний в костной ткани, регистрацию амплитудных и переменных значений сигнала с последующим их анализом [3]. Главным достоинством данного способа являются безопасность обследований для пациента и врача, а недостатком то, что требуется сравнительная эхография поврежденного и симметричного здорового сегментов.
Наиболее близким к изобретению является ультрозвуковой частотно-сканирующий эхоостеометр, взятый за прототип [4]. Эхоостеометр содержит приемную диагностическую головку, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), управляющее вычислительное устройство (в качестве которого используется электронно-вычислительная машина (ЭВМ)), счетчик импульсов установки, постоянное запоминающее устройство, генератор импульсов, формирователь импульсов загрузки, счетчик с параллельной загрузкой кода, делитель частоты следования импульсов на два, второй усилитель, передающую диагностическую головку.
Критерием оценки состояния костной ткани по эхограммам распределения резонансных частот акустических сигналов является то, что нарушение костной ткани (различная плотность, деминерализация, наличие переломов, деструктивных процессов и т.п.) приводит к появлению неоднородностей в среде распространения и рассеянию волн. Вследствие этого уменьшается колебательная скорость частиц среды, участвующих в передаче энергии волны, а соответственно, частота колебаний и амплитуда смещения частиц среды акустических волн, что приводит к смещению резонансных частот акустических сигналов в низкую область частот тем больше, чем сильнее нарушена костная ткань [3, 4].
Эхоостеометр, взятый за прототип, работает следующим образом. Управляющее вычислительное устройство (в качестве которого используют ЭВМ) запускает генератор импульсов. Импульсы преобразуются, усиливаются до необходимой величины и поступают на передающую диагностическую головку. Ультразвуковые колебания, пройдя через исследуемый участок костной ткани пациента, в виде эхосигналов поступают на приемную диагностическую головку, усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Усиленный эхосигнал преобразуется в аналого-цифровом преобразователе в двоичный цифровой код, который передается в управляющее вычислительное устройство и запоминается. Процесс сканирования осуществляется по программе, заданной в ЭВМ, в низкочастотном (от 0,5 до 10 кГц), среднечастотном (от 10 до 40 кГц) и высокочастотном диапазонах (от 40 до 130 кГц). При сканировании эхосигналов по каждому диапазону частот управляющее вычислительное устройство анализирует величину сигнала, прошедшего через костную ткань, и выбирает максимальное значение в каждом диапазоне частот. Амплитуда ультразвуковых колебаний при резонансе возрастает в сотни и более раз, что обеспечивает высокую чувствительность устройства и хорошие диагностические возможности определения состояния и свойств костной ткани.
Использование в прототипе в качестве акустических сигналов последовательности импульсных сигналов (меандров), приводит к достаточно большому числу гармонических составляющих и, как следствие, к дополнительным ошибкам в результатах анализа костной ткани пациентов.
Недостатками прототипа являются недостаточная достоверность и точность результатов анализа костной ткани из-за отсутствия оперативного контроля устройства на соответствие эталонным параметрам непосредственно перед каждым измерением и использования в качестве акустических сигналов последовательности импульсных сигналов (меандров), а также необходимость проведения сравнительной эхографии поврежденного и симметричного здорового сегментов, что снижает оперативность получения диагностических данных, так как требует значительных затрат времени.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении достоверности и точности результатов анализа костной ткани за счет использования в устройстве акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани акустических синусоидальных колебаний и автоматического контроля устройства на соответствие эталонным параметрам, коррекции результатов анализа костной ткани в соответствии с данными контроля, а также в повышении оперативности получения результатов анализа костной ткани за счет автоматического сравнения результатов анализа со средними нормативными эхограммами распределения акустических сигналов с максимальными амплитудами на резонансных частотах для разных групп пациентов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани, содержащее передающую и приемную диагностические головки, первый усилитель акустических сигналов, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу управляющего вычислительного устройства, второй усилитель акустических сигналов, дополнительно включены первый коммутатор акустических сигналов, первый вход которого подключен к тестовому объекту, второй вход подключен к приемной диагностической головке, третий вход подключен к управляющему вычислительному устройству, второй коммутатор акустических сигналов, первый выход которого подключен к тестовому объекту, второй выход подключен к входу передающей диагностической головки, первый вход второго коммутатора подключен к выходу второго усилителя акустических сигналов, второй вход подключен к управляющему вычислительному устройству, при этом управляющее вычислительное устройство подключено к дисплею и каналу связи, а в его память внесены данные со средними нормативными эхограммами распределения акустических сигналов с максимальными амплитудами на резонансных частотах для разных групп пациентов.
На фигуре приведена структурная схема предлагаемого устройства акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани, где обозначены:
1 - управляющее вычислительное устройство (ЭВМ);
2 - синтезатор сетки акустических синусоидальных колебаний;
3 - второй усилитель акустических сигналов;
4 - второй коммутатор акустических сигналов;
5 - передающая диагностическая головка;
6 - приемная диагностическая головка;
7 - первый коммутатор акустических сигналов;
8 - первый усилитель акустических сигналов;
9 - аналого-цифровой преобразователь;
10 - дисплей;
11 - канал связи;
12 - тестовый объект.
Первый выход управляющего вычислительного устройства 1 (в качестве которого используют ЭВМ) подключен к входу синтезатора сетки акустических синусоидальных колебаний 2, второй выход подключен к второму входу второго коммутатора акустических сигналов 4, третий выход - к дисплею 10, четвертый - к третьему входу первого коммутатора акустических сигналов 7, пятый - к каналу связи 11. К входу управляющего вычислительного устройства 1 подключен выход аналого-цифрового преобразователя 9. Выход синтезатора сетки акустических синусоидальных колебаний 2 подключен к входу второго усилителя акустических сигналов 3, выход которого подключен к первому входу второго коммутатора входных сигналов 4. Первый выход второго коммутатора акустических сигналов 4 подключен к тестовому объекту 12, а второй выход подключен к входу передающей диагностической головки 5. Тестовый объект 12 подключен к первому входу первого коммутатора акустических сигналов 7, ко второму входу которого подключен выход приемной диагностической головки 6. Выход первого коммутатора акустических сигналов 7 через первый усилитель акустических сигналов 8 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя. При проведении диагностических исследований между приемной диагностической головкой 6 и передающей диагностической головкой 5 размещают исследуемый объект.
За счет воздействия акустических сигналов с частотным сканированием на исследуемый объект при прохождении звуковой волны через костную ткань пациента возникают колебания частиц среды с определенными частотами, при совпадении которых с частотами входных сигналов возникают резонансные колебания. За счет возникновения резонансных колебаний амплитуды акустических волн увеличиваются в сотни и более раз, что приводит к такому же увеличению чувствительности приемной диагностической головки [3, 4]. Это особенно важно при наличии ограничений на интенсивность акустических волн, применяемых в медицине [5, 6].
Синтезатор сетки акустических синусоидальных колебаний 2 генерирует акустические сигналы в трех рабочих диапазонах частот. Низкочастотный рабочий диапазон имеет полосу частот от 0,5 до 10 кГц, среднечастотный - от 10 до 40 кГц, высокочастотный - от 40 до 130 кГц, процесс сканирования проводится по программе, заложенной в управляющее вычислительное устройство 1.
Устройство акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани работает следующим образом.
При включении устройства запускается режим «Тестовый контроль» и управляющее вычислительное устройство 1 подает сигналы управления на первый и второй коммутаторы акустических сигналов 7 и 4, запускает синтезатор сетки акустических синусоидальных колебаний 2, который подает акустические сигналы на второй усилитель акустических сигналов 3, где они усиливаются до необходимой величины и через второй коммутатор акустических сигналов 4 поступают на тестовый объект 12. Акустические сигналы, пройдя через тестовый объект 12, в виде эхосигналов поступают через последовательно соединенные первый коммутатор акустических сигналов 7, первый усилитель акустических сигналов 8 в аналого-цифровой преобразователь 9. Усиленный эхосигнал преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 9 в двоичный цифровой код, который передается в управляющее вычислительное устройство 1 и запоминается. Процесс сканирования тестового объекта 12 осуществляется в трех рабочих диапазонах по программе, заданной в управляющем вычислительном устройстве 1. Управляющее вычислительное устройство 1 анализирует величину сигнала, прошедшего через тестовый объект 12, выбирает максимальное значение в каждом диапазоне частот и по результатам полученных данных строит эхограммы распределения акустических сигналов. В памяти управляющего вычислительного устройства 1 записаны эталонные эхограммы распределения акустического сигнала на резонансных частотах, которые сравниваются с эхограммами распределения сигналов на резонансных частотах, полученных для тестового объекта 12. При определении различия в эхограммах формируются данные контроля аппаратуры, которые запоминаются и используются для коррекции эхограмм распределения акустических сигналов с максимальными амплитудами в трех рабочих диапазонах, получаемых при исследовании костной ткани пациентов в режиме «Анализ».
После завершения работы «Тестовый контроль» управляющее вычислительное устройство 1 выдает сигнал о переходе устройства в режим «Анализ».
В режиме «Анализ» управляющее вычислительное устройство 1 подает сигналы управления на первый и второй коммутаторы акустических сигналов 7 и 4, запускает синтезатор сетки акустических синусоидальных колебаний 2, который подает акустические сигналы на второй усилитель акустических сигналов 3, где они усиливаются до необходимой величины и через второй коммутатор входных акустических сигналов 4, поступают на передающую диагностическую головку 5. Акустические сигналы, пройдя через исследуемый объект, в виде эхосигналов поступают на приемную диагностическую головку 6, а затем через первый коммутатор акустических сигналов 7 на первый усилитель акустических сигналов 8 и аналого-цифровой преобразователь 9. Усиленный эхосигнал преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 9 в двоичный цифровой код, который передается в управляющее вычислительное устройство 1. Процесс сканирования исследуемого образца костной ткани пациента осуществляется в трех рабочих диапазонах по программе, заданной в управляющем вычислительном устройстве 1. В результате обработки акустических сигналов с максимальными амплитудами на резонансных частотах акустических волн, полученных в результате исследования костной ткани, по программам, заложенным в управляющее вычислительное устройство 1, строятся эхограммы распределения акустических сигналов с максимальными амплитудами на резонансных частотах в трех диапазонах частот. При этом данные контроля аппаратуры, полученные в режиме «Тестовый контроль», используются для коррекции эхограмм, что позволяет избежать искажения данных.
Полученные эхограммы сравниваются со средними нормативными эхограммами распределения акустических сигналов с максимальными амплитудами на резонансных частотах, которые определены путем статистический обработки для разных групп пациентов с учетом возраста, пола и т.д. и внесены в память управляющего вычислительного устройства 1. Затем результаты анализа выводятся на экран дисплея 10 и поступают в канал связи 11. Поддержка базы данных "пациенты - исследования" позволяет хранить результаты и следить за динамикой изменений прочности костной ткани. Протокол исследования выводится на печать.
Входящее в состав устройства акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани управляющее вычислительное устройство 1, в качестве которого используется ЭВМ, обеспечивает управление и синхронизацию режимами работы аппаратуры, хранение данных, коррекцию результатов анализа костной ткани в соответствии с данными контроля, а также сравнение результатов анализа со средними нормативными эхограммами, вывод результатов анализа костной ткани и служебной информации на экран дисплея и передачу данных по каналу связи.
В качестве тестового объекта 12 выбирается образцовая мера затухания (ОМЗ), обеспечивающая задержки акустических сигналов в рабочих диапазонах устройства.
В качестве диагностических головок акустических сигналов могут использоваться пьезоэлектрические излучатели, а также пластины из некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли, турмалина, фосфорнокислого аммония, керамических материалов на основе титаната бария и др.).
Введение в устройство синтезатора сетки акустических синусоидальных колебаний позволяет отказаться от использования в качестве акустических сигналов последовательности импульсных сигналов и тем самым повысить точность результатов частотного сканирования костной ткани.
Использование введенных в состав предлагаемого устройства акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани тестового образца и коммутаторов акустических сигналов обеспечивает выполнение автоматического контроля устройства на соответствие эталонным параметрам и коррекции результатов анализа костной ткани в соответствии с данными контроля, что повышает достоверность результатов анализа. Введение в память управляющего вычислительного устройства средних нормативных показателей для разных групп пациентов обеспечивает выполнение автоматического сравнения результатов анализа со средними нормативными показателями, что повышает оперативность получения результатов анализа костной ткани пациентов.
Предлагаемое устройство акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани является безопасным, пригодным для исследования взрослых и детей, обеспечивает высокую достоверность определения состояния и свойств костной ткани с учетом средних нормативных показателей, а также обеспечивает повышение оперативности и точности измерений и прогнозирования состояния костной ткани.
Предложенное устройство акустической диагностики с частотным сканированием костной ткани может быть реализовано на современных аппаратно-программных и вычислительных средствах.
Литература
1. Л.А. Щеплягина, Е.О. Самохина, И.В. Круглова, Е.А. Чибрина. Эффективность применения ультразвукового денситометра Omnisense-7000 в педиатрической практике, Медицинский бизнес №12 (186), 2000 г.
2. http://www.poliklin.ru/imagearticle/201006/83-87.pdf.
3. Авторское свидетельство №1833817.
4. Патент РФ №2076635.
5. И.И. Резников, В.Н. Федоров, Е.В. Фаустов, А.Р. Зубарев, А.К. Демидов. Физические основы использования ультразвука в медицине, учебное пособие для студентов и аспирантов, Москва, 2015 г.
6. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руководство для пользователей. - М.: ВИДАР - 1999 г., 256 с.