СПОСОБ ОЦЕНКИ НОСОВОГО ДЫХАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВИЗИОГРАФА У ДЕТЕЙ РАННЕГО ВОЗРАСТА В УСЛОВИЯХ ХИРУРГИЧЕСКОГО СТАЦИОНАРА
METHOD FOR EVALUATION OF NOSAL BREATH USING THERMAL VISIOGRAPH IN INFANT CHILDREN IN THE CONDITIONS OF A SURGICAL HOSPITAL

С целью объективизации оценки функции внешнего дыхания у пациентов с врожденной расщелиной верхней губы и неба рядом авторов были применены различные методы исследования: МСКТ средней зоны лица в комбинации с методом вычислительной гидродинамики, риноманометрия, акустическая ринофлоуметрия, спирография, индуктивная плетизмография и пневмотахография. [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Существующие инструментальные методы изучения функции внешнего дыхания с трудом или совсем неприменимы у детей грудного и раннего детского возраста, а также у детей в послеоперационном периоде. Возникающие сложности связаны с длительным временем проведения исследования, инвазивностью метода, необходимостью выполнения пациентом различных заданий, громоздкостью оборудования.
Для оценки изменения температуры определенных участков тела часто используется тепловизиографический метод. Тепловизиографию можно использовать у детей любой возрастной группы, в том числе и у новорожденных. Этот метод характеризуется бесконтактностью, бесшумностью и имеет дистанционно управляемый тип регистрации данных, в основе которого лежит интерпретация электромагнитного излучения, естественно испускаемого объектом (в данном случае кожей человека), и не требует источников освещения. Исходя из этих параметров, нами предлагается алгоритм применения тепловизиографии как метода исследования функции внешнего дыхания у пациентов грудного возраста с односторонней расщелиной верхней губы до и после первичной хейлориносептопластики.
Динамика изменения температуры поверхности носового хода при вдохе/выдохе косвенным образом позволяет судить о качестве и равномерности дыхания до и после хейлоринопластики.
Способ осуществляется следующим образом.
Для исследования динамики изменения температуры в носовой полости используется тепловизиограф, который необходимо установить на штативе над медицинской кушеткой. На кушетке располагается пациент. Камера направляется под углом 15-25° относительно горизонтального направления над пациентом на расстоянии 20-40 см от его головы. При съемке голова и корпус пациента придерживались руками, чтобы предотвратить движения головы и ее уход с поля видимости камеры. Такое положение камеры позволяет снимать тепловое поле носа и носовых полостей пациента снизу. Ил. 1. Производится видеосъемка динамики температуры в области носа пациента на протяжении 20-40 секунд с частотой кадров 25 Гц и 50 Гц, так чтобы на протяжении данного времени укладывалось 5-15 циклов дыхания. Проводится создание прямоугольной рамки (ROI) для возможности дальнейшего анализа динамики температурного поля. Интерес представляет динамика температуры внутри носовой полости левой и правой ноздрей пациента в процессе его дыхания. Ил. 2.
Не смотря на фиксацию камеры на штативе и поддержания головы ребенка, при съемке происходит смещение изображения даже за счет минимального движения головы. Это значительно усложняет процедуру обработки информации, получаемой с тепловизиографа. В связи с этим нами были разработаны специальные алгоритмы обработки изображений с целью получения информации о динамике температуры в носовых полостях во время дыхания. В первую очередь производится раскадровка видео. Далее используется алгоритм сопоставления блоков для стабилизации изображения.
Суть этого метода заключается в том, чтобы в каждом изображении кадров искать участок изображения, наиболее близко совпадающий с исходным блоком выделения на первом кадре видео. На ил. 3 приведено схематическое изображение метода сопоставления блоков. Центральная рамка - исходное выделение на первом кадре с координатами (N0, М0). Смещая данную рамку относительно начального положения, производится поиск положения, при котором изображение в новой рамке будет максимально совпадать с изображением на выделенном фрагменте первого кадра видео.
Для оценки степени совпадения изображений в блоках использовалась функция среднеквадратичного отклонения (Mean Squared Error) dEr:
,
где k=0, 1,2… - номер кадра;  - температура пикселя (n, m) в рамке с координатой (n0, m0) кадра k.
Таким образом задача сводится к поиску для каждого кадра к минимума функции dEr относительно переменных n0, m0.
Нами была создана программа, позволяющая находить в каждом кадре положение носа пациента по образцу, который задавался на первом кадре путем ручного выделения рамкой. При этом температура  находилась по RGB цвету пикселя согласно температурной палитре.
Следует отметить, что данный алгоритм учитывает только смещение изображения по полю видимости тепловизионной камеры, но не учитывает возможность вращения головы ребенка. Однако, при использовании штатива и при поддержке головы руками эффект вращения изображения был гораздо ниже, чем смещение. На ил. 4 приведена последовательность стабилизированных термоизображений носа пациента.
По полученным изображениям и известной цветовой температурной палитре программа позволяла рассчитывать динамику температуры в выбранном пикселе или усредненную температуру в выбранном квадрате. Размер квадрата для усреднения температуры был установлен 5х5рх, чтобы зона усреднения не превышала размер носовой полости. Также программа позволяет находить профиль температуры вдоль задаваемого отрезка, а также отслеживать динамику этого профиля. В качестве задающей линии для расчета профиля температуры задавался отрезок, проходящий через центр обоих носовых полостей. Ил. 5.
На ил. 6 и ил. 7 приведены профили температуры в разные моменты времени и динамика изменения температуры в правой и левой ноздрях для пациента. В процессе дыхания температура в ноздрях меньше, чем окружающей поверхности носа и в процессе вдоха-выдоха она соответствующим образом периодически изменяется. При вдохе происходит уменьшение температуры за счет охлаждения от внешнего вдыхаемого воздуха, находящегося при комнатной температуре, и затем нарастание температуры на стадии выдоха. На стадии выдоха происходит постепенный разогрев поверхности носовой полости за счет прогретого выдыхаемого воздуха. Ясно, что перепад температуры в носовой полости зависит напрямую от воздушного потока. При затрудненном дыхании воздушный поток слабый и эффект охлаждения и нагрева меньше. Из приведенного примера видно, что наблюдается заметная асимметрия в дыхательном процессе левой и правой ноздри пациента. Перепад температуры в левой ноздре заметно больше, чем для правой.
На ил. 8 приведено термографическое изображение носа пациента с эндоназальными активаторами через 9 дней после операции. Также на этом рисунке указан отрезок, вдоль которого производился расчет температурного профиля и зоны, в которых рассчитывалась температура в носовых полостях. На ил. 9 и ил. 10 приведены профили температуры в разные моменты времени и динамика изменения температуры в правой и левой ноздрях с эндоназальными активаторами для пациента через 9 дней после операции. Наблюдается синхронное изменение температуры в обоих ноздрях. Таким образом, термографическое исследование показало, что по истечении 9-ти дней после операции отмечается симметризация процесса дыхания через правую и левую ноздрю.
Чем лучше проходит воздушный поток через носовую полость, тем больший перепад температуры должен наблюдаться. Теоретически максимально возможный перепад температуры при дыхательном процессе является  где  и  - температура тела и комнатная температура соответственно. Это связано с тем, что при достаточно интенсивном вдохе стенки носовой полости охлаждаются до комнатной температуры, а при интенсивном выдохе стенки разогреваются выходящим потоком, находящимся при температуре тела. Перепад температуры, который наблюдается при реальном дыхании у пациентов будет естественно меньше этого максимального значения.
Проходимость носовой полости характеризовалась эффективностью воздушного потока, которая вычислялась как относительный перепад температуры ΔТ:
,
max
min
где <Т - Т> - усредненный перепад температуры на несколько циклов дыхания. Согласно этому определению при отсутствии прохода через носовую полость  а теоретически максимально возможное значение эффективности воздушного потока
Асимметрию дыхательного процесса левой и правой ноздрей характеризует параметр:
,
где  - эффективностью воздушного потока левой и правой ноздрей соответственно. Согласно определению параметра асимметрии, при одинаковом воздушном проходе носовых полостей параметр П=0, при отсутствии прохода через одну из носовых полостей П=1.
При расчетах за теоретическое максимально возможное значение перепада температур использовалось значение
Несмотря на то, что тепловизиография обладает многочисленными преимуществами, она также несет в себе определенную сложность расшифровки получаемых данных из видеофайлов, особенно при низкой контрастности картинки и недостаточной фокусировки объекта.
Важной особенностью течения раннего послеоперационного периода у пациентов с односторонней расщелиной верхней губы является развитие умеренного отека мягкотканных структур верхней губы и носа с тенденцией к нарастанию ориентировочно до 3-х суток, что приводит к временному нарушению функции дыхания в носовом ходу со стороны расщелины. Тепловизиография позволяет визуализировать и оценить степень затруднения носового дыхания сразу после оперативного вмешательства. Обычно через 7 дней после операции явления отека уменьшаются, что дает возможность для получения объективных данных о качестве дыхательной функции предложенным нами методом.
Неинвазивность метода позволяет использовать его у детей грудного возраста с любой необходимой частотой. Полученные данные адекватно отражают изменения, произошедшие после операции, и позволяют оценить процесс восстановления носового дыхания в динамике. Это является важным критерием для дальнейшего использования разработанной технологии с целью совершенствования используемых хирургических методов.
Клинические примеры:
Клинический пример №1. Пациент 6-ти месяцев с диагнозом: Врожденная неполная расщелина верхней губы, альвеолярного отростка верхней челюсти слева. Ранее по поводу данного заболевания пациент оперирован не был. Внешний осмотр: имеется расщепление круговой мышцы рта и тканей верхней губы слева на ½ ее высоты с образованием кожного втяжения в проекции левой колонки фильтрума и клиновидного дефекта красной каймы верхней губы слева. Деформация кожно-хрящевого отдела носа: асимметрия носовых ходов, крыло носа слева растянуто, уплощено. Дно носового хода слева сохранено. Кончик носа асимметричен в соответствии с деформацией латеральных хрящей. Основание левого крыла носа смещено кнаружи и книзу. В полости рта: имеется дефект альвеолярного отростка верхней челюсти слева в проекции зачатка зуба 62. Мягкое и твердое небо - без дефектов. Пациенту была проведена анатомо-функциональная первичная хейлориносептопластика. Теплография выполнена до операции и на 9-е сутки после операции (без и с эндоназальными активаторами в носовых ходах). Ил. 11.
В Таблице 1 приведены результаты расчета для представленного клинического примера.
Клинический пример №2. Пациент 9-ти месяцев с диагнозом: Врожденная левосторонняя расщелина верхней губы, альвеолярного отростка верхней челюсти. Ранее по поводу данного заболевания пациент оперирован не был. Внешний осмотр: имеется расщепление круговой мышцы рта и тканей верхней губы слева на всю высоту с образованием сквозного дефекта. Деформация кожно-хрящевого отдела носа: асимметрия носовых ходов, горизонтальное положение правого крыла носа. Дно носового хода справа отсутствует. Кончик носа асимметричен в соответствии с деформацией латеральных хрящей. Основание правого крыла носа смещено кнаружи и книзу. В полости рта: имеется дефект альвеолярного отростка верхней челюсти справа в проекции зачатка зуба 52. Мягкое и твердое небо - без дефектов. Пациенту была проведена анатомо-функциональная первичная хейлориносептопластика. Теплография выполнена до операции и на 9-е сутки после операции (без и с эндоназальными активаторами в носовых ходах). Ил. 12.
В Таблице 2 приведены результаты расчета для представленного клинического примера.
Источники информации:
1. Frank-Ito, D. О. Computational analysis of the mature unilateral cleft lip nasal deformity on nasal patency / D. O. Frank-lto, D. J. Carpenter, T. Cheng, Y. J. Avashia, D. A. Brown, A. Glender, A. Allori, J. R. Marcus // Plast Reconstr Surg Glob Open. - 2019. - Vol.7, №5. - P. 1-9.
2. Iwasaki, T. Rapid maxillary expansion effects of nasal airway in children with cleft lip and palate using computational fluid dynamics / T. Iwasaki, A. Yanagisawa-Minami, H. Suga, Y. Shirazawa, T. Tsujii, Y. Yamamoto, Y. Yamasaki // Orthodontics and Craniofacial Research. - 2019. - Vol.22. -P. 201-207.
3. Fukushiro, A. P. Nasal airway dimensions of adults with cleft lip and palate: differences among cleft types / A. P. Fukushiro, I. E. K. Trindade // The Cleft Palate-Craniofacial Journal. - 2005. - Vol.42, №4. - P. 396-402.
4. Rezende, A. R. Evaluation of nasal patency by acoustic rhinometry after repair of complete unilateral cleft lip and palate / A. R. Rezende, R. A. Pinto, M. Miura, G. Sant'Anna, B. G. Collares, M. V. Collares // Journal of Plastic Surgery and Hand Surgery. - 2015. - Vol.49. - P. 204-208.
5. Trindade, I. E. K. Pulmonary function of individuals with congenital cleft palate /1. E. K. Trindade, J. C. Manco, A. S. Trindade // The Cleft Palate-Craniofacial Journal. - 1992. - Vol.29, №5. - p.429-434.
6. Warren, D. W. Effects of cleft lip and palate on the nasal airway in children / D. W. Warren, W. M. Hairfield, E. T. Dalston, J. D. Sidman, H. C. Pillsbury // Arch Otolaryngol Head Neck Surg. - 1988. -Vol.1 14, №9.-P. 987-992.