УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЖИРОВОЙ ПРОСЛОЙКИ И МЫШЕЧНОГО ТОНУСА ЧЕЛОВЕКА С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОКАЦИИ

Изобретение относится к области медицины и предоставляет широкие возможности для диагностики функционального состояния организма человека на основе измерений толщины жировой прослойки и мышечного тонуса человека в различных точках его тела.
Ожирение является одной из важнейших медико-социальных мировых проблем. Высокий уровень жира в организме является фактором риска для более чем 30 заболеваний. Ожирение сочетается с артериальной гипертонией, сопровождаемой гипертрофией левого желудочка, ИБС, сердечной недостаточностью; сахарным диабетом (СД) 2 типа с гиперинсулинемией, дислипидемией, с усилением окисления липопротеинов, гиперурикемией, жировой дистрофией печени, дегенеративными заболеваниями суставов, нарушениями свертывающей системы крови, уменьшением концентрации ингибитора плазминогена в плазме крови, нарушением функции дыхательной системы (ночное апноэ), ростом риска гормонзависимых и гормоннезависимых карцином, сексуальных расстройств (снижение либидо, снижение фертильности, нарушение менструального цикла).
Особая статья - проблема излишнего веса у детей. В развивающихся странах детей с избыточным весом насчитывается почти 35 миллионов, а в развитых - 8 миллионов. Детское ожирение является фактором, обуславливающим более высокую вероятность ожирения, преждевременной смерти и инвалидности во взрослом возрасте. Вместе с тем, помимо повышенного риска в будущей жизни, страдающие ожирением дети испытывают затруднения при дыхании, подвержены повышенному риску переломов, гипертензии, ранних признаков сердечно-сосудистых заболеваний, инсулинорезистентности и психологическим последствиям. Растущая распространенность ожирения у детей и подростков, а в развитых странах за последние 20 лет она удвоилась, и высокая частота нарушений углеводного и липидного обменов, артериальной гипертонии на фоне ожирения свидетельствуют об актуальности исследования проблемы метаболического синдрома именно в этой возрастной группе.
Люди на ранних стадиях ожирения обычно даже не подозревают, как это опасно, и прибегают к помощи врача только тогда, когда организм дает сбой. Именно поэтому так важна ранняя диагностика ожирения, и проводить ее для установления предварительного диагноза желательно в рамках плановой диспансеризации А для этого необходимо достаточно мобильное и портативное оборудование, обеспечивающее хорошую точность измерений и доступное по стоимости для широкого тиражирования. Безусловно, такое оборудование будет отнюдь не лишним в спортивных учреждениях и фитнес-центрах для планомерного контроля результатов тренировок, а также станет прекрасным подарком людям, которые стараются поддерживать хорошую физическую форму и смогут в домашних условиях отслеживать результаты применения к себе диеты или приложения спортивных нагрузок.
На сегодня существует достаточно устройств для исследования состава тела человека, включающего в том числе и определение процентного содержания жира в организме или толщины жирового слоя и мышечного тонуса, однако те из них, которые обеспечивают высокую точность измерений, на основании которых можно делать объективные выводы о функциональном состоянии организма обследуемого человека, обычно успешно используются в условиях медучреждений и высокого класса фитнес-центров, но неприменимы для массового использования из-за высокой стоимости, сложности конструкции, большого количества требований к помещениям, где они размещены, к состоянию пациента на момент исследования, необходимости длительной профессиональной подготовки обслуживающего персонала.
Так, например, компьютерные томографы (рентгеновские, ЯМР и др.) являются наиболее точными приборами для исследования структуры тела и отдельных внутренних органов. Но их использование требует специальной подготовки помещения, виброзащитный фундамент, систему охлаждения и т.п. Стоимость подобных приборов может достигать нескольких миллионов долларов.
Существующие же бытовые устройства, как правило, точностью измерений не отличаются, не дают полной картины о состоянии организма человека, хотя и позволяют некоторым образом отслеживать динамику изменений во времени, как, например, устройства, основанные на измерении биоэлектрического сопротивления или на измерении толщины кожной складки.
Технология ультразвукового исследования на сегодня является наиболее используемым и технологичным методом медицинской диагностики. Современные аппараты УЗИ позволяют получать не только плоские изображения различных структур, но также 3D и 4D объемные картинки, при этом используются сложные многоэлементные акустические антенны с электронным управлением движением луча и изменяемым фокусным расстоянием. С помощью УЗИ можно контролировать состояние практических всех статических и динамических структур человеческого организма. При этом стоимость подобных аппаратов в зависимости от степени сложности и предлагаемых функций варьируется от десятков до сотен тысяч долларов, а их квалифицированное использование требует от специалистов длительной подготовки и практики. Очевидно, что стандартные аппараты УЗИ неприменимы для повседневного индивидуального использования, но простейший ультразвуковой эхолокатор линейного типа без дополнительных функций может быть доступен для массового применения, если будет несложен в обращении и доступен по цене.
Прототипом предлагаемого устройства можно считать прибор BodyMetrix, производимый фирмой IntelaMetrix, Inc. (США). Действие прототипа основано на методе ультразвуковой эхолокации, он портативный, снабжен программным обеспечением, с помощью которого по результатам измерений можно рассчитать самые разнообразные характеристики функционального состояния организма человека. Прототип конструктивно близок к предлагаемому устройству.
Недостатком прототипа является то, что он работает только на частоте 2,5 МГц. Для обследовании людей тучных этой частоты вполне достаточно. Однако, как показала практика, при обследовании детей и людей спортивного телосложения, у которых толщина жировой прослойки мала и сравнима с длиной волны зондирующего ультразвукового излучения, разрешающей способности прототипа на выявление жировой прослойки не хватает. Таким образом, происходит существенное падение точности измерений, а значит, не соответствуют действительности и результаты всех последующих вычислений, производимых с помощью прилагаемого к устройству программного обеспечения.
Задачей, на которую направлена полезная модель, является создание устройства для измерения толщины жировой прослойки и мышечного тонуса человека с помощью ультразвуковой эхолокации, которое позволяет с высокой степенью точности осуществлять измерения у людей любого возраста и любой комплекции.
Технический результат, заключающийся в повышении точности измерения толщины жировой прослойки и мышечного тонуса у людей любого возраста и любой комплекции, достигается тем, что интерфейс USB, соединенный с микроконтроллером, плату управления прибором и насадку с приемным и передающим пьезоэлектрическими преобразователями в одном корпусе.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что микроконтроллер соединен с кварцевым генератором преобразователем напряжения, платой управления прибором, при этом передающий пьезоэлектрический преобразователь соединен с микроконтроллером через транзисторный формирователь и усилитель импульсов и цифро-аналоговый преобразователь, а приемный пьезоэлектрический преобразователь - через тракт обработки принятых сигналов, насадка выполнена съемной с резонансной частотой приемного и передающего пьезоэлектрических преобразователей 2,5 МГц или 5 МГц.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема предлагаемого устройства (см. Фиг.1).
Устройство включает интерфейс USB 1 (не путать с протоколом), соединяющий внешний персональный компьютер (ПК) с микроконтроллером 2, кварцевый генератор 3, осуществляющий синхронизацию всех узлов устройства, преобразователь напряжения 4, плату управления прибором 5, цифро-аналоговый преобразователь 6, транзисторный формирователь и усилитель импульсов 7, передающий пьезоэлектрический преобразователь 8 и приемный пьезоэлектрический преобразователь 9, размещенные в одном корпусе, выполненные в виде съемной насадки и резонансные на частоте 2,5 МГц либо 5 МГц, и тракт обработки принятых сигналов 10.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Все управление работой осуществляется от ПК с установленным на него прилагаемым к устройству программным обеспечением через USB 1 с помощью микроконтроллера 2 Microchip PIC32MX440F. При подключении устройства к ПК с помощью USB 1 устанавливается соединение через драйвер устройства. При этом ПК может передавать в микроконтроллер 2 команды и получать из него данные. Синхронизация работы всех узлов устройства обеспечивается кварцевым генератором 3 с частотой 8 МГц.
Электропитание устройства осуществляется от линии +5 В шины USB 1, из которых преобразователем напряжения 4 формируются напряжение +3,3 В для питания микроконтроллера 2 и аналоговых цепей и напряжение +50 В для питания транзисторного формирователя и усилитель импульсов 7. При этом горит светодиодный индикатор «Питание» (зеленый цвет) на плате управления прибором 5, где также располагается светодиодный индикатор «Работа» (красный цвет) и соответствующая кнопка управления.
Цикл работы устройства осуществляется следующим образом. ПК через USB 1 передает в микроконтроллер 2 управляющий байт, являющийся командой начала цикла и одновременно значение этого байта записывается в цифро-аналоговый преобразователь 6 для формирования общего усиления. Микроконтроллер 2 вырабатывает короткий (длительность 100 нс) логический импульс «Старт», поступающий на транзисторный формирователь и усилитель импульсов 7. При этом на выходе транзисторного формирователя и усилителя импульсов 7 получается короткий радиоимпульс (основная энергия в пределах одного периода, т.е. 400 нс) амплитудой не менее 50 В.
Сформированный импульс подается в съемную насадку устройства на передающий пьезоэлектрический преобразователь 8, который излучает ультразвуковой сигнал. Известно, что акустическое излучение при распространении в среде активно переотражается от границ слоев среды с резким изменением акустического импеданса. Структуры человеческого тела: кожный покров, жировой слой, мышечная и костные ткани обладают резко отличающимися акустическими свойствами, поэтому при прохождении через них излучения, часть акустической энергии отражается от границ слоев в обратном направлении. Зная величину скорости звука в каждой структуре и зарегистрировав время прихода отраженного импульса можно легко рассчитать толщину каждой структуры относительно поверхности тела (точки приложения насадки устройства).
Базовая частота излучения 2,5 МГц была определена опытным путем. При увеличении частоты можно получить более высокое разрешение прибора, но при этом за счет высокого затухания возникают проблемы при локации тучных людей (толщина жирового слоя более 35 мм), а также мешающие отражения от кожного покрова. При понижении частоты за счет уменьшения затухания можно измерить самых толстых, но при этом мы можем не выявить жировой слой у людей средней комплекции. Эксперименты на частоте 2,5 МГц показали наилучшие результаты в широком диапазоне значений жирового слоя. Для локации детей и подростков, а также лиц умеренной комплекции предусмотрена сменная насадка, настроенная на частоту 5 МГц.
Отраженные от границ слоев внутренних структур человеческого тела эхосигналы принимаются приемным пьезоэлектрическим преобразователем 9, расположенным в одной сменной насадке с передающим пьезоэлектрическим преобразователем 8, и поступают в тракт обработки принятых сигналов 10. После усиления, детектирования и оцифровки в тракте обработки принятых сигналов 10 полученные данные поступают в микроконтроллер 2 и запоминаются в его оперативной памяти.
По окончании накопления в памяти заданного количества отсчетов (2048) микроконтроллер 2 передает через USB 1 в ПК, находящийся в режиме ожидания, блок сохраненных данных для дальнейшей обработки. По окончании передачи блока данных цикл может быть повторен.
В случае отжатия кнопки «Работа» данные не передаются в ПК и он выходит из режима ожидания через некоторое время, поэтому в ПК будет запоминаться последняя принятая эхограмма.
Технические характеристики устройства:
- режим локации
импульсный;
- частота локации
2,5 МГц; 5.0 МГц;
- амплитуда импульса
70 В;
- частота повторения
15 Гц;
- размеры
⌀40 мм × 170 мм × 60 мм;
- масса
0,25 кг
Устройство рассчитано только на работу с персональным компьютером (notebook). Необходимо использование специального геля.
Прилагаемое к прибору программное обеспечение разработано на основе многочисленных клинических данных и предлагает пользователю максимально широкие возможности в оценке функционального состояния организма на основе измерений жировой прослойки в разных частях тела. Различные показатели рассчитываются не только по результатам ультразвуковых измерений, но также учитываются асимптотические методики (возраст, пол, антропометрические данные), геометрические размеры тела (окружности груди, бедер, талии и т.п.). Пользователь может заложить в программу определенные данные по весу, содержанию жира, физической активности и на 30 модели увидеть как изменится его тело (в лучшую или худшую стороны).
Основные возможности программного обеспечения:
- создание 3D модели тела на основе результатов измерений в различных точках;
- различные методики замеров на выбор пользователя (1 замер в каждой точке, 3 и более замеров в каждой точке и т.д.);
- визуализация эхограмм отраженных сигналов;
- автоматический расчет основных параметров телосложения как по результатам акустической локации, так и по другим замерам, определение текущего статуса и выдача рекомендаций для корректировки нарушений:
рассчитываются следующие параметры:
- BMI - индекс массы тела, вычисляется по отношению массы тела (в килограммах) к величине роста (в метрах) в квадрате;
- BFI - индекс количества жира, общее количество жира, вычисляется по результатам акустической локации;
- BMR - базовый метаболический индекс, количество калорий, необходимые испытуемому при данном типе телосложения и различных уровнях физической активности; вычисляется по результатам всех измерений;
по результатам расчетов производится анализ и выдается текущий статус пациента:
- структура тела (масса, % жира, масса без жира и т.п.);
- степень ожирения (норма, избыточный вес, ожирение определенной степени);
- оценочный прогноз риска заболеваний (кардиология, инсульт, диабет);
- необходимое количество калорий при различных уровнях физической активности;
- рекомендации по образу жизни и терапии при различных уровнях ожирения;
- представление в виде графиков - трендов различных параметров (толщина жирового слоя, % телесного жира, масса тела) для анализа результатов долговременных исследований;
- оценка мышечного тонуса на основе функции ультразвукового сканирования участка тела, когда прибор перемещается по выбранному участку синхронно с движением развертки (аналог B-скана), подобная опция очень удобна при оценке результатов силовых тренировок;
- формирование итоговых результатов исследований в виде протоколов, которые хранятся в электронной базе исследований и могут быть представлены в печатном виде.
Таким образом, разработанное устройство предлагает самые широкие возможности для оценки функционального состояния организма обследуемого человека. Кроме того, основная часть этой самой оценки переложена на прилагаемое программное обеспечение, а пользователю не нужно проходить длительное обучение для трактовки получаемых эхограмм, достаточно просто произвести измерения в соответствии с прилагаемой инструкцией.
Для проверки точности работы предлагаемого устройства были произведены сравнительные измерения на компьютерном томографе. Исследовались добровольцы разного возраста и комплекции с применением обеих насадок. В результате погрешность акустического метода относительно расчетов по снимкам компьютерного томографа составила в среднем 2,1%, что является исключительно хорошим результатом для «бытового» устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять измерения толщины жировой прослойки и оценивать мышечный тонус в различных точках тела человека любого возраста и любой комплекции с хорошей степенью точности, обладает относительной дешевизной и простотой использования.