СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ
METHOD OF ULTRASONIC INTRA-OPERATION DIAGNOSTICS OF BONE TISSUE STATE

Изобретение относится к медицине, а именно к области травматологии и ортопедии.
Известно, что основным методом диагностики остеопороза в соответствии с его определением является выявление системного уменьшения костной массы, либо снижение минеральной плотности костной ткани, что реализуется путем ультразвуковой денситометрии кости, с использованием низких частот [Беневоленская Л.И., Лесняк О.М. Клинические рекомендации // Остеопороз. Диагностика, профилактика и лечение. М.: ГЭОТАР-Медиа, - 2005. - 176 с.]. Этот метод применяют, главным образом, для ранней диагностики остеопороза, что позволяет оценить не только плотность, но и особенности строения костной ткани [Baran D.T., Faulkner K.G., Genant H.K. et al. Diagnosis and management of osteoporosis: guidelines for the utilization of bone densitometry // Calcif. Tissue Int. - 1997. - V.61. - P.433-440].
Ультразвуковая денситометрия не способна непосредственно оценить костную массу, но может давать информацию о механических свойствах кости [Yeap SS, Pearson D, Cawte SA, Hosking DJ. The relationship between bone mineral density and ultrasound in postmenopausal and osteoporotic women. Osteoporos Int. - 1998. - №8 - P.141-146] и риске переломов [Schott AM, Weill-Engerer S, Hans D, et al. Ultrasound discriminates patients with hip fracture equally well as dual energy x-ray absorptiometry and independently of bone mineral density // J. Bone Miner Res. - 1995. - №10 - P.243-249].
Известные ультразвуковые методы используют либо скорость прохождения волны, либо ее затухание в кости, либо комбинацию обоих способов с расчетом унифицированного показателя "жесткость". Предполагается, что именно он лучше отдельных ультразвуковых показателей характеризует качество костной ткани [Kang С, Paley M, Ordidge R, Speller R. In vivo MR1 measurements of bone quality in the calcaneus: a comparison with DXA and ultrasound. // Osteoporos Int. 1999. - №9 - P.65-74; Lochmuller E-M, Eckstein F, Zeiler J-B, Steldinger R, Putz R. Comparison of quantitative ultrasound in the human calcaneus with mechanical failure loads of the spine and hip. // Ultrasound Obstet Gynecol. 1999. - №13 - P.1-9].
При этом датчик, испускающий ультразвук, и датчик, принимающий ультразвуковую волну, устанавливают перпендикулярно к облучаемой костной области на стандартное расстояние друг от друга, в результате чего ультразвуковая волна имеет прямое распространение [Кудрявцев П.С. Оборудование для ультразвуковой денситометрии. Проблемы и перспективы. // Мед. техника - 2000. - №1. - C.11-12].
Основными недостатками данного метода исследования являются:
- длительность процесса измерения, что крайне нежелательно для интраоперационных условий;
- необходимость значительных по площади свободных и лишенных посторонних включений костных поверхностей для установки датчиков, что в интраоперационных условиях практически не возможно;
- искажение получаемых результатов и возможность неоднозначной интерпретации результатов;
- влияние на результаты измерений толщины и состояния мягких тканей при неинвазивном методе измерений.
Задачей настоящего изобретения является разработка метода, позволяющего интраоперационно диагностировать патологические состояния скелета человека.
Поставленная задача реализуется за счет того, что в предлагаемом способе ультразвуковой интраоперационной диагностики путем воздействия на костную ткань ультразвукового сигнала заданной частоты и последующей оценки изменения параметров этого сигнала в качестве информационного параметра используют входной импеданс ультразвукового пьезокерамического излучателя, причем плотность костной ткани определяют по изменению активной составляющей, а упругость - по изменению реактивной составляющей импеданса по отношению к импедансу излучателя на холостом ходу.
Ультразвуковое воздействие осуществляют на частотах от 26 до 44 кГц.
При используемой модели взаимодействия костной ткани и волновода инструмента эквивалентные параметры нагрузки (ее активная и реактивная составляющие) впрямую связаны с основными физическими параметрами костной ткани - упругостью, прочностью и плотностью, что и характеризует в комплексе остеопоретические изменения кости.
Выбранная амплитуда ультразвуковых частот объясняется двумя факторами. Использование частот ниже 26 кГц приводит к значительному увеличению габаритов и веса датчика с излучателем, а использование частот выше 44 кГц приводит к резкому повышению потерь в излучателе и тем самым к снижению точности измерений.
На фиг.1 дана функциональная схема осуществления способа, где:
1 - генератор, 2 - излучатель, 3 - датчик-волновод, 4 - датчик тока, 5 - датчик напряжения, 6 - фазовый детектор, 7 - делитель, 8, 9 - преобразователи, 10, 11 - устройства индикации.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
На первом этапе врач берет излучатель 2 и, в отсутствие контакта датчика-волновода с диагностируемой костной тканью, включает генератор 1. При этом осуществляется работа акустической системы в резонансном режиме на «холостом ходу», то есть в отсутствие нагрузки на нее. Поскольку для пъезокерамического излучателя продольного типа режим холостого хода соответствует короткому замыканию нагрузки, делитель 7 покажет максимальное значение собственной проводимости излучателя на резонансной частоте, а фазовый детектор 6 определит частоту собственного резонанса акустической измерительной системы. Эти параметры после преобразования их в цифровой вид в аналого-цифровых преобразователях 8-9 будут зафиксированы в устройствах индикации 10-11, либо в памяти персонального компьютера. На втором этапе врач устанавливает датчик-волновод 3 на диагностируемой костной поверхности перпендикулярно ей с заданным усилием прижима и вновь включает генератор 1. За счет взаимодействия датчика-волновода и костной ткани изменяются параметры резонансной акустической системы «излучатель - датчик - нагрузка», поскольку в качестве нагрузки используется диагностируемая костная ткань. В зависимости от состояния костной ткани (плотности и упругости) изменяются параметры входной проводимости излучателя и резонансная частота акустической системы, причем изменения проводимости (в основном связанные с параметром плотности костной ткани) определяются использованием датчиков тока 4 и напряжения 5 и формируются делителем 7, а изменения резонансной частоты (более связанные с параметром упругости костной ткани) определяются использованием фазового детектора 6.
Полученные данные, выраженные в условных единицах, отражают характер изменений исследуемого участка костной ткани. При этом показатели от 0 до 6 условных единиц свидетельствуют об остеопорозе исследуемого участка кости, от 7 до 9 условных единиц - о наличии остеопении и, наконец, 9 и более условных единиц означают нормальную плотность костной ткани,
Таким образом, предлагаемый способ ультразвуковой интраоперационной диагностики позволяет быстро диагностировать патологическое состояние скелета человека (остеопороз, остеопению) и, на основании полученных данных, осуществлять выбор способа остеосинтеза, тип эндопротеза, способ фиксации и прогнозировать его выживаемость.
Преимуществом предлагаемого способа является:
- высокая скорость и повторяемость (экспресс-метод), что необходимо для интраоперационных условий;
- не требует значительных свободных и чистых поверхностей костной ткани для установки датчиков;
- отсутствие искажения и невозможность неоднозначной интерпретации получаемых результатов при различных вариантах установки датчика-волновода;
- отсутствие влияния на результаты измерений величины и состояния внешних мягких тканей.