В.В.Крижановский

Источник

Распространенный звуковой метод диагностики – аускультация (выслушивание шумов) известен еще со в. до н.э. Начиная с Р. Лаэннека (1818г) /Большая Медицинская Энциклопедия. Т. 7. М.: Сов. Энциклопедия, 1977, с.532-534/ аускультация органов дыхания вошла в практическую медицину как один из важнейших неинвазивных методов заболеваний органов дыхания. При аускультации дыхания выслушивают бронхиальные и везикулярные шумы, разные хрипы и крепитации, характерные для различных патологий органов дыхания. Аналогично по изменению тонов сердца и появлению сердечных шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя метод аускультации, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода, измерить диастолическое и систолическое артериальное давление и др. Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод подобный аускультации и называемый фонокардиограммой (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Практически всегда возникает задача разделения шумов дыхания и шумов сердца. Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия (сюда же можно отнести вибрационный резонансный метод). В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при их простукивании (или при применении различных возбудителей звуковых колебаний). По тону перкуторных звуков (резонансных откликов прослушиваемых внутренних органов человека) можно определить состояние и тонографию внутренних органов (печень, почки и др.), которые сами не являются источниками звуков. В конце 90-х годов был предложен новый метод перкуссии – локафон (Locaphony) (В.Д.Свет, Н.С.Николаев и др.), который позволяет снимать двухмерные акустические изображения патологии внутренних органов человека, при этом точность определения изображения патологии в плоскости составляет 2-3 мм (определяется размерами акустического датчика-приемника звуковых колебаний). Частотный диапазон возбуждающего акустического сигнала от 300 Гц до 3000 Гц. Объединяет все эти методы применение акустических и вибрационных датчиков, предназначенных для достоверного и правильного измерения параметров звуковых волн на наружной поверхности кожи в различных точках человеческого тела. Естественно для каждого метода характеристики датчиков будут несколько отличными (так для измерения шумов сердца требуются более высокочастотные датчики), но эти отличия не столь значительны. Разработка ряда перспективных акустических и вибрационных датчиков для вышеуказанных методов медицинской диагностики позволит применять их и для других видов диагностики. Например, акселерометрическая регистрация механических колебаний поверхности груди, вызванных работой сердца, лежат в основе метода сейсмокардиографии (Korzeniowska-Kubacka I, et al. 2002; Koch A. Et al. 2003; Jerosch-Herold M et al. 1999). Акселерометрическая регистрация непроизвольных микроколебаний различных частей тела, в первую очередь конечностей, лежит в основе различных методов исследования опорно-двигательной и нервно-мышечной систем человека, которые условно могут быть объединены термином трем орография (Spiegel J, et al. 2004; Israel Z 2003, Kumar R. Et al. 2003; Navan P., et al. 2003). Близкими по сути являются методы исследования нервно-мышечной системы человека на основе регистрации шумов (акустической эмиссии), генерируемых сокращающейся мышцей. Эти методы получили название механомиографии (ММГ) и активно развиваются в последнее время (Hemmerling TM et al. 2004; Gregori B et al. 2003; Bajaj P et al 2002; Silva J et al. 2003). Для регистрации микроколебаний поверхности мышц здесь обычно используются миниатюрные акселерометры, изготавливаемые по ICP-технологии, однако имеются возможности реализации этих методов и на основе более простых и дешевых датчиков. Близким к перкуссии является метод исследования нервно-мышечной системы человека, названный импедансной механомиографией (ИММГ), основанный на возбуждении вынужденных (нерезонансных) колебаний поверхностных слоев тканей и на регистрации механических импедансных характеристик, отражающих упругие и вязкие свойства этих тканей (Тиманин Е.М. 1998; Timanin E.M., Eremin E.V. 2002). Для регистрации используются импедансные головки, состоящие из акселерометра и датчика силы. Этот метод изучается в ИПФ РАН. Отдельной методикой определения паталогии опорно-двигательной системы человека может стать методика, основанная на анализе акселерограмм, полученных с различных частей тела человека во время исследования его походки. Эта методика предлагается СПбГПУ. В начале 90-х годов многие исследователи, как правило, применяют датчики, имеющиеся под руками. Чаще всего применяют акселерометры фирм «Bruel & Kjer» и «Hewlett Packard», которые изначально не предназначены для регистрации колебаний на поверхности тела человека. Реже используют самостоятельно изготовленные датчики, причем сведения о методах их расчета и конструктивных особенностях не приводятся. Поэтому правомерно появление идеи об определенной степени унификации как датчиков, так и самой методики регистрации в целом /Mussel M.J. The Need for Standards in Recording and Analysis Respiratory Sounds //Med. & Biol. Eng. & Comput. 1992. v.30. pp. 129-139/. Реализация этой идеи упростила бы обмен экспериментальными данными между различными школами и исследователями. Привлечение к разработке акустических и вибрационных датчиков специалистов-разработчиков таких датчиков способствовало бы решению и других остающихся вопросов: оптимизации характеристик датчиков для получения минимальных частотных и пространственно-временных искажений; повышение отношения сигнал/шум; согласования удельного акустического импеданса (волнового сопротивления) датчика с волновым сопротивлением тела человека в месте установки датчика; многоканальности измерений; удешевления датчиков; решению всего комплекса конструктивно- технологических вопросов и т.п. Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо создание ряда высокочувствительных акселерометров, акустических зондов и/или специализированных микрофонов. В настоящее время наибольшее распространение получили пьезоэлектрические акселерометры и конденсаторные микрофоны (и акустические зонды на их основе). Меньшее распространение получили пьезоэлектрические микрофоны и пьезоэлектрические датчики давления. Появление целого ряда вышеуказанных перспективных виброакустических методик, позволяющих диагностировать на ранней стадии патологии практически всех органов человека (органов дыхания, сердца, кровеносных сосудов головного мозга, опорно-двигательного аппарата и др.), требует создания соответствующей виброакустической аппаратуры и соответствующего программно-методического обеспечения. Создание перспективной виброакустической аппаратуры для медицинской диагностики невозможно без решения задачи моделирования всего процесса диагностики: диагностируемый орган – распространение виброакустической волны по телу человека (до кожной поверхности) – измерительный датчик – аппаратура анализа и диагностики виброакустических сигналов. Исходя из требований конкретной диагностической задачи, при помощи моделирования можно оптимизировать параметры виброакустических датчиков. Кафедра биомеханики СПбГПУ использует современные технологии виртуального моделирования и прототипирования, в частности, пакеты программ MSC.ADAMS и ANSYS, позволяющие во многих случаях способны заменить длительные и дорогостоящие натурные эксперименты на этапе проектирования. Благодаря возможности представления широкого спектра кинематических связей, упругих и диссипативных звеньев, нагрузок и кинематических взаимодействий, с помощью данных пакетов можно достаточно быстро создать полностью параметризованную модель механизма произвольной сложности (в том числе имеющего сложную геометрию частей и их соединений) средствами удобного графического интерфейса пакета или путем импорта из других CAD-систем, задать связи компонентов модели, приложить нагрузки, и в результате расчета получить данные, идентичные данным, получаемым в ходе натурных испытаний, а также многие дополнительные сведения о работе проектируемого изделия, (например, критические значения нагрузки в точках контакта или шарнирах) в удобной форме. Применение инструментов виртуального моделирования позволяет, в частности, создавать морфологически обоснованные модели как отдельных биомеханических систем (модели суставов, мышц и связок), так и опорно-двигательного аппарата человека в целом, дает возможность изучать желаемое движение человека, устанавливать взаимосвязи в системе «человек-машина». Таким образом, на кафедре существует обширная база для разработки различных видов акустических и вибрационных датчиков, а также для построения динамических моделей взаимодействий в системе «человек-датчик» на стадии проектирования с последующим клиническими испытаниями опытных образцов датчиков. Анализ современных разработок в области различных акустических и вибрационных датчиков (включая пьезоэлектрические) ведущих мировых фирм «Bruel & Kjer» (Дания), «Endevco» (США), «Kistler» (Швейцария), «РCB Piezotronics» (США) и др. показывает, что для медицинской диагностики эти фирмы практически ничего не разрабатывали. Например, специалистами фирмы «Bruel & Kjer» разработаны только вибрационные датчики (акселерометры в специальном конструктивном исполнении для согласования с человеческим телом) типа 4392 и 4322 для измерения параметров вибрации, воздействующей на руки и на все тело человека (оператора машины, водителя механика, пилота и т.д.). Аналогичный (датчику типа 4322) датчик типа 356В40 имеется у фирмы «РCB Piezotronics». Эта измеряемая вибрация является вредным производственным воздействием и должна соответствовать существующим нормам. Но это все не медицинские датчики и соответственно к ним предъявляются другие требования. В области программно- методического обеспечения также отсутствуют надежные программы и методики, пригодные для применения их в медицинской практике. Основная цель работы - координация и объединение усилий различных специалистов ВНИИЭФ, СПбГПУ и ИПФ РАН (ученых в области динамики и приборостроения, конструкторов, компьютерщиков, программистов и технологов), а также медицинских работников в исследованиях по созданию перспективной датчиковой аппаратуры, программно методического обеспечения и конкретных методик для медицинской диагностики по виброакустическому каналу. Предлагается к разработке следующий возможно стандартный набор медицинских датчиков для виброакустического канала с некоторыми ориентировочными характеристиками (см. таблицу). В процессе работы по проекту будут рассматриваться возможности создания другой датчиковой аппаратуры, например, импедансных головок. Разрабатываемые датчики будут опробованы в новейших методиках медицинской диагностики по виброакустическому каналу (это две методики: 1) определение мышечного тонуса (по виброакустическому каналу) в педиатрии; 2) определение патологии опорно-двигательной системы по вибрационному каналу). По окончании проекта будет подготовлен план применения разработанных технологий в медицинской практике. Исполнители проекта имеют ряд публикаций и патентов на изобретения в данной области (см. раздел 12 «Дополнительная информация»). В ходе выполнения проекта участниками предполагаются подача заявок на изобретения на новые технические решения по разрабатываемой датчиковой аппаратуре.