Южный федеральный университет
Кафедра Антенн и радиопередающих устройств
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ БРОНХИАЛЬНОЙ АСТМЫ
Топалов Ф.С., Семерник И.В.,
Семерник О.Е., Демьяненко А.В., Лебеденко А.А.
Аннотация
В настоящей работе обсуждаются современные методы диагностики бронхиальной астмы. Рассматриваются достоинства и недостатки методов. Предлагается конструкция устройства неинвазивной диагностики бронхиальной астмы на основе радиочастотного сканирования грудной клетки пациента с помощью зондирующих СВЧ-сигналов. Обсуждается также графический интерфейс пользователя разработанного программного обеспечения, обеспечивающего обработку и визуализацию результатов обследования, а также постановку предварительного диагноза.
Ключевые слова: бронхиальная астма, графический интерфейс пользователя, методы диагностики, неинвазивная диагностика, устройство диагностики
Содержание
Введение
Бронхиальная астма хроническое заболевание лёгких, поражающее людей всех возрастных групп. Причём с каждым годом возрастает количество детей, страдающих бронхиальной астмой и уменьшается средний возраст людей, страдающих от хронической бронхиальной астмы [1]. Оно может протекать в виде единичных, эпизодических приступов, либо иметь тяжёлое течение с астматическим статусом и летальным исходом [1]. Поэтому одной из активно развивающихся областей на стыке медицины и прикладной радиоэлектроники является разработка электронных устройств, предназначенных для мониторинга жизнедеятельности пациента [2] и диагностики заболеваний бронхолёгочной системы [3].
К сожалению, несмотря на научные достижения в области изучения этиологии и разработки новых лекарственных средств для лечения бронхиальной астмы, до настоящего времени не разработаны методы и устройства, позволяющие осуществлять неинвазивную диагностику изменений в бронхолёгочной системе у детей раннего возраста без причинения вреда здоровью пациента [4, 5], а это может приводить к поздней постановке диагноза и, соответственно, возникновению осложнений. В связи с этим разработка новых современных неинвазивных методов диагностики заболеваний бронхолёгочной системы, в том числе бронхиальной астмы, особенно у детей раннего возраста, а также систем мониторинга состояния пациента и контроля течения заболевания, является достаточно актуальной задачей.
1. Методы диагностики бронхиальной астмы
В настоящее время для диагностики бронхиальной астмы применяют различные методы диагностики [6], в том числе общий и биохимический анализ крови, анализ мокроты, спирометрия [7, 8] и т.д. Однако перечисленные методы имеют существенный недостаток - для их применения требуется определённое время, которого при остром приступе болезни может и не быть. Кроме того, для проведения спирометрического исследования от пациента требуется выполнения определённых дыхательных маневров. астма диагностика сканирование визуализация
Спирография выполняется путём регистрации скоростных показателей вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и оценки времени фазы дыхания. Метод основан на применении в качестве регистрирующего устройства турбины, вращение которой регистрируется электромагнитным методом, а также воздуховода, в котором расположена турбина, и персонального компьютера, оснащенного соответствующим программным обеспечением.
Недостатком способа является низкая информативность: данный метод диагностики предназначен для исследования скоростных и объемных показателей функции внешнего дыхания, что требует выполнения трех дыхательных маневров: максимального вдоха и выдоха для регистрации жизненной емкости легких (ЖЕЛ), теста форсированного выдоха после максимального вдоха - для регистрации кривой поток-объем и определения форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ), а также теста минутной вентиляции легких. Выполнение названных тестов предъявляет повышенные требования к резервным возможностям дыхательной системы больного человека, что затруднительно или порой невозможно у тяжелых больных, стариков и детей, что ограничивает область применения метода.
В случае необходимости диагностики бронхиальной астмы у детей раннего возраста выполнение подобных маневров весьма затруднительно или вовсе невозможно. Поэтому в данном случае прибегают к другим методам обследования: рентгенограмме органов грудной клетки, компьютерной томографии. Согласно "Клиническим рекомендациям по диагностике, лечению и профилактике тяжелой внебольничной пневмонии у взрослых" и "Федеральным клиническим рекомендациям по диагностике и лечению внебольничной пневмонии у детей" наиболее широко применяемым методом диагностики пневмонии, как у взрослых, так и у детей является проведение обзорной рентгенографии органов грудной клетки в передней прямой и боковой проекциях для выявления инфильтративных изменений в паренхиме легочной ткани.
Недостатком данного метода является то, что для получения рентгенограммы грудной клетки используется один из видов ионизирующего излучения - рентгеновское излучение, способное оказать вредное воздействие на пациента. Средняя индивидуальная доза облучения пациента при плёночной рентгенографии грудной клетки составляет 0,3 миллизиверта (мЗв). Кроме того, данный метод исследования не позволяет полноценно оценить состояние бронхолегочной системы, так как в результате обследования пациента мы получаем статичное изображение, не зависящее от фаз дыхания. Следует также учитывать, что в некоторых случаях рентгенография грудной клетки может быть не информативна (то есть, демонстрировать ложно-отрицательный результат). Такие ситуации могут быть обусловлены проекционным наслоением тени патологического очага на тень нормальной анатомической структуры (например, диафрагмы, средостения), малой интенсивностью очага (например, начальными воспалительными проявлениями), неадекватной проекцией исследования. Кроме того, частое применение данного метода обследования в процессе лечения для выявления динамики течения болезни недопустимо, так как суммарное доза облучения и оказанное им вредное воздействие превысит полезный эффект, достигнутый при лечении основного бронхолёгочного заболевания.
Наиболее информативным прибором для диагностики бронхолегочной патологии согласно Клиническим рекомендациям является компьютерная и магнитно-резонансная томография органов грудной клетки. Компьютерная томография (КТ) органов грудной клетки - это детальное послойное рентгеновское изображение органов, а также структур грудной клетки. Исследование даёт возможность успешно диагностировать заболевания лёгких.
Недостатком данного метода является то, что принцип действия томографа также основан на использовании рентгеновского излучения и все-таки существует небольшая вероятность развития осложнений из-за чрезмерно высокой дозы облучения, полученной пациентом. Так как детский постоянно растущий организм более чувствителен к действию радиации, КТ исследования могут проводиться детям только в случае крайней необходимости для постановки диагноза и не должны повторяться без строгих показаний.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) - метод получения диагностических изображений, основанный на использовании явления ядерно-магнитного резонанса. МРТ позволяет получить детальное изображение органов и мягких тканей. Однако недостатком данного метода является то, что проведение данного обследования невозможно у пациентов с имплантами и имплантированными устройствами, так как имплантированные медицинские устройства, которые содержат металл, могут работать неправильно или испортиться во время исследования. Детям раннего возраста проведение данного исследования возможно только после применения седации (что оказывает негативное влияние на развивающуюся центральную нервную систему ребенка), так как пациент во время исследования должен лежать неподвижно. А также применение данного метода обследования невозможно при острых ситуациях, когда необходима быстрая диагностика и оказание своевременной помощи, так как МРТ занимает достаточно много времени. Кроме того, применение КТ и МРТ предусматривает использование достаточно дорогостоящего оборудования, которое есть в наличии далеко не во всех медицинских учреждениях.
В настоящее время в научной периодической печати появились работы посвящённые возможности диагностики респираторных заболеваний с помощью исследования особенностей выдоха пациента [9, 10] и применения акустических (звуковых) методов [11-13], возникающих из-за наличия излишнего количества мокроты в лёгких больного человека. Применение указанного метода в клинической медицинской практике несомненно, способно принести весьма существенные результаты [14-16]. Однако данный метод обладает существенным недостатком - он неспособен дать информацию о степени локализации заболевания, то есть о концентрации мокроты в той или иной части лёгких пациента.
Ещё одним из возможных методов обнаружения изменений в лёгких пациента является электроимпедансная томография (EIT) [17], однако проведения исследования требуется размещения на поверхности грудной клетки человека большого количества электродов, уменьшение числа которых которого приводит к резкому уменьшению разрешающей способности [18].
В работе [19] приведены результаты разработки и экспериментального исследования портативной био-импедансной системы для мониторинга сопротивления легких, которая представляет собой матрицу датчиков, размещаемую по периметру грудной клетки обследуемого пациента, и устройства визуализации. Недостаток данной системы состоит в том, что она не даёт информации о локализации изменений в лёгких, а способна измерить только интегральные показатели, характеризующие общее состояние лёгких пациента.
В настоящее большую популярность получили методы диагностики, позволяющие определять наличие изменений в бронхолёгочной системе человека и получать информацию о локализации данных изменений. Подобные методы основаны на использовании радио- и сверхвысокочастотного излучения [20-23]. Одной из потенциальных областей применения данных методов является определение изменений содержания жидкости в теле человека, в том числе в бронхолегочной системе [24]. При этом проводят исследование распространения электромагнитных волн через грудную клетку пациента: измеряют коэффициент прохождения посылаемых через грудную клетку сигналов и коэффициент отражения ЭМИ от неё, которые тесным образом связаны содержанием мокроты в лёгких [25, 26]. Методы, основанные на применении электромагнитного излучения, обладают высокой степенью информативности, сравнимой с рентгенографическим обследованием и компьютерной томографией. Но при этом не подвергают пациента воздействию вредного ионизирующего излучения, что позволяет применять подобные методы при продолжительном наблюдении динамики болезни и определении эффективности назначенных лекарственных средств. При этом не требуется выполнения пациентом каких-либо действий. Кроме того, данные методы диагностики могут быть реализованы на основе недорогих портативных устройств, что позволит существенно увеличить шансы своевременной диагностики заболевания и успешного выздоровления. Все перечисленные особенности делают методы, основанные на использовании радио- и сверхвысокочастотного излучения, многообещающими для диагностики заболеваний бронхолёгочной системы, в том числе и у детей раннего возраста.
В работе [27] предлагается вариант реализации устройства для определения вентиляции и кровенаполнения лёгких. Прибор реализован в виде двух матриц датчиков, размещаемых спереди и сзади грудной клетки пациента. Недостаток данного устройства состоит в необходимости выполнения специальной калибровочной процедуры с использованием особого средства калибровки, представляющего собой пакет с возможностью нагнетания в него шприцем заменителя крови. При этом время прихода в рабочее состояние составляет от 5 до 15 минут. После чего выполняется процедура калибровки. Кроме того, разрешающая способность прибора определяется количеством датчиков, которое невозможно увеличить выше определённого значения вследствие конечной площади поверхности грудной клетки, особенно у детей раннего возраста.
В настоящем исследовании предлагается способ неинвазивной диагностики бронхиальной астмы и определения локализации изменений в бронхолёгочной системе на основе исследования особенностей распространения СВЧ электромагнитного излучения через грудную клетку человека. Дополнительным преимуществом предлагаемого метода является то, что для проведения обследования не требуется выполнения какой-либо калибровочной процедуры. Немаловажным является то, что при проведении обследования пациент не подвергается какому-либо вредному воздействию, от пациента не требуется выполнения каких-либо действий, что позволяет применять данный метод диагностики для детей раннего возраста, а также осуществлять мониторинг состояния пациента в течение всего периода лечения.
2. Описание устройства диагностики бронхиальной астмы
Для реализации метода диагностики бронхиальной астмы и других заболеваний бронхолегочной системы, предложенного авторами в [28, 29] было разработано портативное устройство, упрощённая структурная схема которого приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема устройства диагностики бронхиальной астмы
Таким образом, структурная схема устройства диганостики бронхиальной астмы состоит из следующих блоков: компьютер (ПК) (PC), осуществляющий обработку и визуализацию результатов измерений, блок управления (C), который также осуществляет сбор результатов измерений и отправку их на компьютер для обработки, СВЧ-генератор (G), усилитель мощности (PA), передающая антенна (A), приёмная антенна (A), МШУ (LNA), измеритель коэффициента ослабления (D) и АЦП (ADC), грудная клетка пациента или фантом грудной клетки человека (L).