автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование компьютеризированной ультразвуковой диагностической аппаратуры

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ МЕДИЦИНЫ. ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ.

1.1. Физико-технические особенности ультразвуковой диагностики.

1.2. Современный технический уровень ультразвуковой диагностической аппаратуры для медицины.

1.3. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА II. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ.

2.1. Соображения относительно математических моделей

2.2. Эхоимпульсный и доплеровский каналы. Принципы построения.

2.3. Архитектура аппаратных средств.

Одно из основных направлений развития высокотехнологичной медицинской диагностической аппаратуры связано с активным использованием современных компьютерных технологий. Компьютеризированная медицинская диагностическая аппаратура облегчает работу медицинского персонала при анализе результатов обследования пациента, позволяет повысить достоверность этих результатов, автоматизировать продолжительные по времени диагностические процессы.

Одними из наиболее перспективных в настоящее время диагностических методов в медицине ярляются ультразвуковые методы, на долю которых, по оценкам экспертов, приходится более половины всех проводимых исследований. Достоинствами ультразвуковой диагностической аппаратуры является неинвазивность (отсутствие нарушения целостности организма), безвредность и безболезненность, относительная несложность в применении и значительно меньшая стоимость, чем, например, рентгеновской аппаратуры. Ультразвуковая аппаратура используется в клинической практике для диагностики весьма распространенных кардиологических и сосудистых заболеваний специалистами неврологами, нейрохирургами, ангиологами, офтальмологами, травматологами, реаниматологами и др. [1].

Разработки ультразвуковой аппаратуры для диагностики сосудистых заболеваний ведутся как в нашей стране, так и в зарубежных странах, в частности, в США и Франции. За рубежом производство ультразвуковой диагностической аппаратуры превратилось, по существу, в самостоятельную отрасль, а ее применение в медицине носит массовый характер. Министерство здравоохранения РФ выпустило специальный приказ № 25.01.99 года «О мерах по улучшению медицинской помощи больным с нарушением мозгового 5 кровоснабжения», где обязало оснастить ультразвуковыми системами для диагностики сосудистых заболеваний медицинские учреждения по всей России. Однако из-за недостаточных объемов выпуска и ограниченной номенклатуры ультразвуковой диагностической аппаратуры сегодняшний уровень оснащенности отечественной медицины средствами ультразвуковой диагностики продолжает оставаться низким. Ввиду большой социальной значимости проблема дальнейшего развития ультразвуковой диагностической аппаратуры для медицины и ее широкого внедрения в отечественную практику является актуальной и важной.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию ультразвуковой диагностической аппаратуры, предназначенной для использования в различных областях медицины. Решен комплекс новых вопросов, обеспечивших повышение технического уровня и расширение диагностических возможностей ультразвуковой диагностической аппаратуры.

Результаты диссертационной работы получены в Институте электронных управляющих машин в рамках Федеральной целевой программы «Реструктуризация и конверсия оборонной промышленности (1996 — 2000 гг.).»

На защиту выносятся следующие основные результаты.

- Разработанные принципы проектирования ультразвуковой диагностической аппаратуры для медицины, положенные в основу создания компьютеризированного портативного эхоэнцефалодоплерографа «ЭхЭДГ-Комплекс-М».

- Исследования диагностических возможностей разработанной аппаратуры, позволяющие рекомендовать области ее эффективного применения и дать подтверждение предложенным принципам проектирования. 6

Разработанный автором эхоэнцефалодоплерограф компьютеризированный переносный для исследования головного мозга, сосудов, артерий и вен головы, верхних и нижних конечностей «ЭхЭДГ-Комплекс-М» прошел медицинские испытания:

- в подразделениях Московского медицинского стоматологического института им. H.A. Семашко на кафедре Нервных и нейрохирургических болезней лечебного факультета; на факультете усовершенствования врачей «Ультразвуковые и тепловизионные методы в плановой и неотложной неврологии;

- в составе мобильной нейродиагностической бригады Московского координационного центра органного донорства;

- в НИИ Общей патологии и патофизиологии РАМН;

- в Клинической туберкулезной больнице № 7 г. Москвы и рекомендован для серийного производства и применения в медицинской практике.

Эхоэнцефалодоплерограф «ЭхЭДГ-Комплекс-М» имеет сертификат соответствия № РОСС RU.HM 04.В01501 со сроком действия до 18.10.2002 г., выданный органом по сертификации медицинских изделий AHO «ЦСМИВНИИМП». Выпускается серийно с 1996 г., ТУ 9442-001-31722767-96; изготовитель ЗАО Инженерный Центр «Комплекс-М».

Обучение специалистов методике и всем возможным аспектам использования эхоэнцефалодоплерографа в медицине проводится в научно-методическом центре Министерства здравоохранения РФ «Ультразвуковые и тепловизионные методы диагностики в неврологии», г. Москва.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: 7 на IV International Symposium on Transcranial Doppler and Electrophysiological Monitoring. St. Petersburg, June, 1997; на V Международной конференции «Современное состояние методов неинвазивной диагностики в медицине». Москва, 7-11 сент. 1998; на V Международном симпозиуме «Повреждения мозга (минимально-инвазивные способы диагностики и лечения). С. - Петербург, 31 мая - 4 июня 1999 г.; на Международном конгрессе «Кома и смерть», Гавана, 2000 г.; на научных семинарах и технических совещаниях Института электронных управляющих машин, Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики и Научно-методического центра Министерства здравоохранения РФ «Ультразвуковые и тепловизионные методы диагностики в неврологии» в период 1992 - 2000 гг.

Разработанная аппаратура демонстрировалась: на международной выставке «Средства спасения 97» в г. Москве; на 9-й Международной выставке медицинской техники «МЕДТЕХНИКА

98» в г. Москве; на выставке «Экспортные возможности центра России» (1999 г.) в г. Москве; на 10-й Международной выставке медицинской техники «МЕДТЕХНИКА-99» в г. Москве; на Первой Международной выставке «Высокие технологии оборонного комплекса» (2000 г.) в г. Москве; на выставке Российского агентства по системам управления «МЕДТЕХНИКА-2000» в г. Москве. 8

Эхоэнцефалодоплерограф «ЭхЭДГ-Комплекс-М» отмечен Дипломами за успехи в области создания отечественной медицинской техники и достижения в области разработки и производства высоких технологий.

Основные результаты диссертации отражены в 7 публикациях.

Основные выводы по главе IV

1. Разработана удобная, рассчитанная на врача, не имеющего навыков работы с компьютером, методика работы с прибором «ЭхЭДГ-Комплекс-М». Впервые в одном приборе осуществляются четыре ультразвуковые диагностические методики: энцефалография, эхопульсография, ультразвуковая доплерография, транскраниальная доплерография. Обучение специалистов медиков использованию этого диагностического прибора проводится в Научно-методическом центре Министерства здравоохранения РФ «Ультразвуковые и тегоювизионные методы диагностики в неврологии» в г. Москве.

2. Проведены клинические исследования с использованием аппаратуры «ЭхЭДГ-Комплекс-М», показавшие высокую точность диагностирования заболеваний головного мозга, артерий и вен головы и сосудов конечностей, в частности опухоли мозга (точность 95 %), травматической гематомы (97 %), инсульта (91 %), варикозного расширения вен (99 %) и др.

142

3. Показана эффективность применения аппаратуры «ЭхЭДГ-Комплекс-М» для точной (100 %) и быстрой диагностики прекращения и не возобновления мозгового кровообращения у пациентов с бьющимся сердцем, что позволяет установить смерть мозга и принять аргументированное решение о прекращении бесполезной реанимации.

4. Клинические испытания показали, что «ЭхЭДГ-Комплекс-М» может с успехом применяться как в стационарах (приемный покой, неврологическое, нейрохирургическое, антологическое отделения, блок интенсивной терапии, реанимация), так и в поликлинике (кабинет невролога, ангиолога, специалиста по функциональной диагностике), а также в машине скорой помощи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге проведенных исследований и разработок, направленных на совершенствование ультразвуковой диагностической аппаратуры для медицины, получены следующие основные результаты:

1. На основе сравнительного анализа разработок ультразвуковой диагностической аппаратуры сформулированы требования к современной аппаратуре широкого применения в медицине.

2. Предложена новая многоуровневая магистрально-модульная архитектура ультразвуковой диагностической аппаратуры. Разработаны унифицированные модули ультразвуковых эхоимпульсного и доплеровского каналов.

3. Разработан алгоритм и оригинальное программное обеспечение по компьютерной обработке диагностической информации в режиме реального времени.

4. Разработан портативный компьютеризированный эхоэнцефалодоплерограф «ЭхЭДГ-Комплекс-М», соответствующий уровню зарубежных приборов данного класса.

5. Исследованы диагностические возможности и показана эффективность аппаратуры «ЭхЭДГ-Комплекс-М» для диагностики заболеваний головного мозга, артерий и вен головы и нижних и верхних конечностей. Применение разработанной аппаратуры позволяет ускорить обследование и повысить точность диагноза.

6. Показана эффективность применения аппаратуры «ЭхЭДГ-Комплекс-М» для точной и быстрой диагностики прекращения и не возобновления мозгового кровообращения у пациентов с бьющимся сердцем, что позволяет установить смерть мозга и принять аргументированное решение о прекращении бесполезной реанимации.

7. Разработан проект модернизированной ультразвуковой портативной диагностической аппаратуры, технические решения которого отличаются принципиальной новизной по отношению к лучшим отечественным и зарубежным приборам. Проект получил поддержку на конкурсе работ 2000 года, выполняемых в соответствии с Федеральными целевыми программами.

8. Показаны результаты сертификации и серийного освоения разработанной аппаратуры. Диагностические возможности и портативность исполнения обеспечивают разработанной аппаратуре широкую сферу применения: в неотложной и плановой неврологии, травматологии, реаниматологии, в поликлиниках и стационарах, в скорой помощи, в диагностических центрах и частной практике.

144

1. Ультразвуковая доплеровская диагностика сосудистых заболеваний / Под ред. Никитина Ю.М., Труханова А.И. М.: Видар, 1998.

2. Satomura S.A study on examining the heart with ultrasonics. I. Principles. II. Instrument. JPN. Cire. J. 1956, v. 20.

3. Ультразвуковой доцлеровский измеритель скорости кровотока. Важнов Ю.С., Веневцев М.К., Никитин Ю.М. и др. A.C. СССР, № 1215659.

4. Ультразвуковой доплеровский измеритель скорости кровотока Диск 01. Электронная промышленность. 1976, Вып. 4 (52).

5. Кудрявцев П.С. Алгоритмическое и программное обеспечение комплексов для доплерографического ультразвукового экстра- и интракраниального исследования мозгового кровообращения. Мед. техника, №1, 1994.

6. Труханов А.И., Нагулин Н.Е., Кудрявцев П.С. Компьютерные комплексы для ультразвукового доплеровского исследования кровотока. Мед. техника, №1,1994.

7. Труханов А.И., Нагулин Н.Е. Проектирование семейства ультразвуковых диагностических комплексов на базе современных компьютерных технологий. Мед. техника, № 1, 1996.

8. Рекламный проспект прибора БИОМЕД. Зеленоград: БИОСС, 1995.

9. Evans D.H. Principal component analysis applied to the diagnosis of arterial disease. Diagnostic Vascular Ultrasound. Ed. by Labs K.H., Jager K.A., Fitzgerald D.E. et al. L.: Edward Arnold. 1992.

10. Труханов А.И., Кудрявцев П.С. Аппаратное и программное обеспечение для интеграции диагностической информации на базе локальных сетей. Мед. техника, № 1,1994.145

11. Real-time blood flow imaging system utilizing autocorrelation techniques. Name-kawa K., Kasai C., Tsakamoto M. et al. Ultrasound'82. Ed by Lerski R.A. N.Y.: Rergamon Press, 1982.

12. Arenson J., Allison J. New technology shows promise of improving the doppler image. Medical imaging Jnt. 1994, Sept.

13. Arenson J., Peressini C., Jackson J. Convergent TM Colour Doppler. Acuson Corp., 10/09, 1996.

14. Halter P. Advances in ultrasound imaging. Medical Imaging International. 1996, № 1.

15. Никитин Ю.М. Ультразвуковая доплерография в диагностике поражений магистральных артерий головы и сосудов основания мозга. М.: Спектромед, 1995.

16. Babikian V.L., Wechlser L.R. Transcranial Doppler Ultrasonography. St. Louis: Mosby, 1993.

17. Aaslid R., Markwalder Т., Nornes H. Noninvasive transcranial Doppler ultrasound recoding of flow velocities in basal cerebral arteries. J. Neurosurg. 1982, v. 57.

18. Михайленко А.А., Иванов Ю.С., Семин Г.Ф. Ультразвуковая доплерография магистральных артерий головы и мозга в практике военного госпиталя (учебное пособие). СПГ.: Воениздат, 1994.

19. Diagnosis of intracranial occlusive disease before carotid endarterectomy: preliminary experience with transcranial colour-flow Doppler ultrasonography. Martin P.J., Gaunt M.E., Naylor A.R. et al. Br. J. Surg. 1994, Jun. V. 81, № 6.

20. Лелюк С.Э., Лелюк В.Г. Основные принципы дуплексного сканирования магистральных артерий. Клиническая лекция. Ультразв. диагн. 1995, № 3.

21. Assessment of cerebral autoregulation dynamics by simultaneous arterial and venous transcranial Doppler recording. Stroke. 1991, v. 22.146

22. Reactivity of cerebral blood flow to carbon dioxide in various types of ischemic cerebrovascular disease: evaluation by the transcranial Doppler method. Maeda H., Matsumodo M., Handa N. et al. Stroke. 1993, v. 24.

23. Geroulakos G., Hobson R.W., Nicolaides A.N. Ultrasonic carotid plaque morphology. Cerebrovascular ischemia (investigation & management). Ed. by Caplan L. Shifrin E.G., Nicolaides A.N., Moore W.S. L., 1996.

24. Куперберг Е.Б. Значение спектрального анализа ультразвукового доплеровского сигнала в диагностике окклюзирующих поражений сонных артерий. Журн. Невропатология и психиатрия. М., 1991, т. 7.

25. Шахнович А.Р., Шахнович В.А. Диагностика нарушений мозгового кровообращения. Транскраниальная доплерография. М.: Ассоциация книгоиздателей. 1996.

26. Молотилов A.M. Неинвазивная диагностика артериовенозных мальформаций головного мозга методом ультразвуковой транскраниальной доплерографии. Тез. докл. IV Всесоюзн. съезда нейрохирургов. М., 1988.

27. Андреев А.В., Лобанов Л.В., Ермолин И.Е. Транскраниальная доплерография и вариационная пульсометрия в диагностике церебральных антиодистоний у детей. Журн. невропатол. и психиатр. 1994, № 3.

28. Михайлова Г.Д. Новый ультразвуковой метод исследования состояния кровообращения зрительного нерва. Офтальмологический журнал. 1990, № 8.

29. Color Doppler imaging the management of intraocular tumors. Ophtalmology. 1990, v. 97, №12.

30. Карлов B.A., Стулин И.Д., Богин Ю.Н. Ультразвуковые и тепловизионные методы диагностики сосудистых заболеваний мозга. М.: Медицина, 1986.

31. Комплекс ультразвуковых, тепловизионных и нейрофизиологических методов в диагностике смерти мозга. Стулин И.Д., Мнушкин А.О., Мусин147

32. Р.С. и др. EMS Journal Neurophysiology and Neurosonology. St. Petersburg. 1995.

33. Стулин И.Д. Ультразвуковые и другие неинвазивные методы в диагностике смерти мозга. Вестник медицины. 1993, № 5.

34. Budingen H.J. Von Reutern G.M., Freund H.J. Diagnosis of cerebro-vascular lesions by ultrasonic methods. Int. J. of Neurology. 1977, v. 11, № 2-3.

35. Evaluation of pulsed Doppler common carotid blood flow as a noninvasive method for brain diagnosis: a prospective study. Payen D.M., Lamer C., Pilorget A. et al. Anesthesiology. 1990, Feb., v. 72, № 2.

36. Агаджанова JI.П. Ультразвуковая доплерография в диагностике заболеваний сосудов нижних конечностей. Вестник Акад. мед. наук СССР. 1986, №2.

37. Зубарев А.Р., Григорян Р.А. Ультразвуковое ангиосканирование. М.: Медицина. 1991.

38. Theile B.L. Doppler in peripheral vascular disease. Ed. by Jaffe. N. Y.: Vascular and Doppler Ultrasound. 1984.

39. Знайко Г.Г. Программа для ЭВМ «ЭХОЭНЦЕФАЛОДОПЛЕРОГРАФ». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №960500 от 22.11.1996.

40. Знайко Г.Г. Эхоэнцефалодоплерограф компьютеризированный переносный для исследований головного мозга и его сосудов. Паспорт. ЛЯЮИ. 941240.001ПС. М.: ИНЭУМ. 1996.

41. Ультразвук и тепловидение в ургентной неврологии. Стулин И.Д., Мусин Р.С., Знайко Г.Г. и др. EMS Journal Neurophysiology and Neurosonology. St. Petersburg, June, 1997.

42. ГОСТ Р 15.013-94. Медицинские изделия. Система разработки и постановки продукции на производство. М., 1994.

43. Прохоров H.JL, Знайко Г.Г., Красовский В.Е. Специализированные электронно-вычислительные комплексы медицинской аппаратуры. Методические указания по выполнению практических занятий. М.: МИРЭА. 2000.

44. Знайко Г.Г., Стулин И.Д. Ультразвуковые диагностические компьютеризированные приборы для исследования головного мозга, артерий и вен головы и конечностей. Наукоемкие технологии, т. 1, № 3, 2000.

45. Short Form Designers Guide. Analog Devices, 1999.

46. RS Catalogue 1999. RS Components Ltd., 1999.

47. RS Catalogue 2000. RS Components Ltd., 2000.