Начало Пред раздел Карта Сайта Поиск по сайту
Статьи

 

Оглавление
1.  Оборудование для ультразвуковой денситометрии. Проблемы и перспективы. Кудрявцев П.С.  //Медицинская техника, №1, 2000.




ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕНСИТОМЕТРИИ. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ.
Кудрявцев П.С., г. Москва

    В настоящее время остеопороз расматривается как одно из основных заболеваний, обусловленных как возрастными изменениями, так и образом жизни. По литературным данным в США страдает остеопорозом более 20% женщин старше 50 лет и более 6% мужчин старше 65 лет. При этом затраты на лечение и выплату пенсий по инвалидности достигают 13,8 млрд. долларов. Проведенные аналогичные исследования в России показали, что полученные результаты мало отличаются от аналогичных для стран Западной Европы.
   Основным методом борьбы с остеопорозом явлется его профилактика. В частности у женщин в период менопаузы широко применяется гормональная заместительная терапия. В Европе данный вид терапии используют 60-70% женщин старше 50 лет; в США – около 40%.
   В России данный вид терапии менее распространен: в Москве только 2%, в других регионах данная цифра близка к нулю. В многом внедрение этой технологии в нашей стране сдерживается отсутствием необходимых инструментальных средств контроля проводимой терапии. Прямым способом назначения и оценки влияния терапии на состояние костей является измерение их плотности (денситометрия). Обычно рекомендуется проводить скрининговые исследования раз в два года у всех женщин старше 45 лет и мужчин старше 65 лет. При этом не исключается проведение более диагностически значимого исследования позвоночника у женщин в 45, 50 и 55 лет, а у мужчин в 65 лет.
   Наиболее известными методами неинвазивной диагностики метаболических заболеваний скелета сейчас являются рентгеновская и ультразвуковая денситометрия, а также количественная компьютерная томография.
   Чаще всего для рентгеновских исследований используются двухэнергетические рентгеновские денситометры, которые определяют содержание костного материала в исследуемой области и позволяют оценивать проекционную минеральную плотность кости. Основным недостатком этого типа оборудования является лучевая нагрузка на пациента, пусть и очень незначительная, и высокая стоимость, обычно выше 60.000US$. Стоимость одного исследования на таком оборудовании составляет от 10 до 20 US$. К преимуществам следует отнести возможность прямой оценки минеральной плотности кости в большинстве регионов скелета: поясничной и бедренной областях, различных периферических участках. Кроме того, ряд изделий позволяет проводить денситометрию всего тела.
   Ультразвуковые денситометры предназначены для исследования периферических участков скелета, в основном пяточной кости, и измеряют следующие показатели: скорость и коэффициент затухания ультразвуковых волн, которые лишь косвенно связаны с плотностью состава и качеством структуры трабекулярной кости. При этом достаточно часто выявленные изменения в периферийных разделах скелета не совпадают с аналогичными изменениями в позвоночнике. Поэтому данный тип оборудования обычно рассматривают как скриниговое, позволяющее скорее выявить фактор риска. Однако данное оборудование характеризуется отсутствием лучевой нагрузки на пациентов и относительно невысокой ценой в пределах от 20.000 до 30.000US$. Стоимость одного исследования обычно составляет от 3 до 10US$. Это делает ультразвуковую денситометрию достаточно эффективным средством и для оценки динамики назначаемой терапии.
   На российском рынке представлены различные ультразвуковые денситометры, большая часть которых ориентирована на измерение акустических свойств пяточной кости. 

    Оценим максимальную насыщающую емкость рынка приборов для ультразвуковой денситометрии. Основной контингент пациентов для проведения скрининговых мероприятий составляют женщины старше 50 лет. Их в России примерно 15 млн. человек. Примерно 40% из них нуждается в проведении, хотя бы раз в два года, денситометрического исследования. То есть ориентировочно в России необходимо проводить около 3 млн. обследований в год. Примерно 70% всех исследований будет проводиться с помощью ультразвуковых денситометров. Пропускная способность одного ультразвукового денситометра составляет около 4 человек в час. Поэтому можно считать, что в день с помощью одного прибора можно исследовать 20 человек. За год можно провести примерно 6000 исследований. Таким образом, минимальное количество ультразвуковых денситометров на территории России должно составлять 350 изделий. Учитывая необходимость применения этого оборудования для оценки эффективности проводимой терапии, а также наличие других пациентов, а именно: мужчин старше 65 лет и подростков, следует увеличить этот минимальный предел до 420-450 изделий.

Рынок ультразвуковой денситометрии является в России развивающимся. Известно, что развивающиеся рынки хорошо описываются логистическим уравнением вида:

 

формула

Здесь

N(t) – количество приборов, проданных за t лет с момента времени t0;

K – насыщающая емкость рынка;

N0 – количество приборов на рынке в момент t0 (t0 – момент начала анализа);

a – параметр скорости роста рынка.

  Известно, что в начале 1996 года в России было не более 2-3 ультразвуковых денситометров; к концу 1997 года их было уже 12-15 штук; а в конце 1998 года – около 30 штук. Следует конечно учитывать, что на динамику рынка большое влияние оказал августовский кризис 1998 года.
   Как уже отмечалось выше насыщающая емкость рынка равна примерно 450 штук. Приведенные данные позволяют оценить по методу наименьших квадратов параметр а скорости роста рынка и определить среднее время достижения насыщающей емкости рынка. 
   Расчеты показывают, что насыщающая емкость рынка будет достигнута примерно к 2004 году. К концу 2003 года будет достигнут 90% предел этого порога, а экспоненциальная фаза роста начнется с 2000 года. Из графика насыщения рынка несложно определить график продаж по годам. Наибольший объем продаж (около 350 штук) будет происходить в период с 2000 по 2004 годы. 
   Рассмотрим теперь основные технические особенности построения ультразвуковых денситометров. 
   Обычно прибор содержит сфокусированные датчики: передатчик и приемник ультразвуковых колебаний, между которыми при проведении исследований помещается пятка пациента. Для улучшения ультразвукового контакта между пяткой и датчиками используется вода или ультразвуковой гель. Генератор, подачей электрического импульса, вызывает формирование передатчиком широкополостного ультразвукового импульса. Обычно рабочий интервал частот такого импульса располагается в диапазоне от 200 до 600 кГц при величине основной несущей 500 кГц. Приемник принимает ультразвуковые волны, прошедшие через пятку, и выделяет требуемый сигнал с помощью временной селекции. Затем сигнал усиливается и оцифровывается. Для преобразования сигнала из аналогового вида в цифровой используется быстродействующее АЦП с частотой квантования 8-12 мГц. Полученная выборка обрабатывается в дальнейшем с использованием процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) для получения амплитудно-частотной характеристики. Сравнение частотных характеристик двух сигналов, когда пятка помещена между датчиками и когда нет, дает возможность построить функцию ослабления ультразвуковых волн при прохождении через пяточную кость. Параметр, пропорциональный углу наклона линейной части этой функции, называется коэффициентом ослабления ультразвуковых волн BUA и измеряется в дБ/мГц [ 8 ].
   Скорость ультразвука SOS оценивается путем измерения интервала времени задержки полезного сигнала по отношению к исходному генерируемому ультразвуковому сигналу.
   Пяточная кость отличается значительной неоднородностью своей структуры в различных областях. Поэтому, при исследованиях, пятку обычно размещают между передатчиком и приемником таким образом, чтобы точка измерения располагалась в той зоне дистальной области, которая имеет наибольшую плотность. При фиксированном расположении датчиков анатомические отличия в строении стопы или ее смещении относительно датчиков могут приводить к изменению области измерений и значительному увеличению погрешности. Поэтому в последние годы в аппаратуре чаще стали использовать не одноточечную схему измерений, а так называемое матричную схему, при которой строится изображение ультразвуковой тени пяточной кости. Такая схема измерений позволяет контролировать выбор области измерений и обеспечивает высокую точность воиспроизводимости. Для этого пару “передатчик-приемник” стали перемещать синхронно относительно пятки.  Сканирование по направлениям X и Y с проведением измерений через некоторый регулярный интервал позволяет построить поле величин BUA. Обычно поверхность сканирования представляет собой квадрат со стороной в 60..80 мм, а интервал дискретизации равен 1 мм. Сопоставляя разным значениям параметра BUA различные градации оттенков серого или различные цвета можно получить черно-белое или цветовое изображения пяточной кости. С помощью такого ультразвукового изображения можно для различных пациентов стандартизовать выбор зоны интереса ROI (Range of Interest), по результатам измерений в которой и формируются оценки BUA и SOS. Зона ROI, чаще всего, имеет площадь около 1 кв.см. и располагается в наименее прозрачной для ультразвуковых волн дистальной части пяточной кости. Осредняя результаты по области зоны интереса (около 100 измерений) для конкретного пациента рассчитываются значения параметра затухания ультразвуковых волн и скорость ультразвука в кости. В ряде приборов место расположение зоны интереса ROI определяется автоматически с помощью программных средств, в некоторых системах выбор зоны интереса осуществляется оператором. Аппаратура, обеспечивающая получение ультразвукового изображения пяточной кости, характеризуется высокой точностью воиспроизведения и хорошей точностью сравнения с реферативной базой данных. Действительно, даже незначительное смещение зоны интереса ROI на 5 мм в сторону может приводить к значительным (до 20-30%) отклонениям в оценке параметра BUA. 
   Все костные ультразвуковые денситометры имеют реферативные базы данных, в которых хранится информация о возрастных нормах параметра затухания BUA и скорости распространения SOS ультразвуковых волн. После проведения исследования программное обеспечение осуществляет сравнение полученных результатов с данными реферативной базы и проводит их оценку. Как правило рассчитываются следующие величины: Т и Z показатели; относительный риск перелома RRF (Relative Risk of Fracture); предполагаемый возраст возникновения остеопороза EOA (Expected Osteoporotic Age); физиологический возраст кости PAB (Psysiological Age of Bone). В некоторых моделях осуществляется пересчет полученных данных в значение МПК .
   Важной особенностью аппаратуры для ультразвуковой денситометрии является наличие встроенной системы качества измерений. Все приборы для костной денситометрии являются точными измерительными устройствами и изменение условий проведения исследований (температура, состояние кожных покровов пациентов и ультразвукового контакта с датчиками, изменение во времени свойств высокочувствительного канала измерения) оказывает значительное влияние на точность получаемых результатов. Для этого в различных приборах используют дополнительные системы термостабилизации и контроля стабильности получаемых результатов. В ряде моделей для контроля точности и калибровки измерительного канала используются встроенные фантомы, в других для этих целей используют внешний фантом. Использование всех этих технических усовершенствований несколько удлиняет процедуру исследований, но значительно повышает ее точность и надежность.
   В последнее время появились сообщения о возможности использования для оценки состояния костной ткани не только свойств проникающего ультразвукового излучения, но и отраженного ультразвука [ 8 ]. В этом случае каждый датчик работает как в режиме передатчика, так и в режиме приемника. Выделение с помощью временной селекции доли сигнала, отраженного от трабекулярной части кости, позволяет судить о ее состоянии. В начальных фазах заболевания остеопорозом, наиболее часто страдает именно микроархитектура трабекулярной части кости, поэтому такое техническое решение открывает новые перспективы для ультразвуковой денситометрии, так как рентгеновские методы исследования не дают такой возможности [ 9 ]. Отраженный ультразвук позволяет также оценить толщину пяточной кости в зоне интереса и перейти к так называемому нормированному коэффициенту NBUА:

NBUА = BUA / L

где L – толщина пяточной кости. Использование коэффициента NBUA позволит еще более повысить точность сравнения результатов исследований с реферативными базами данных.
   Проведенные выше выкладки позволяют достаточно четко определить место костной ультразвуковой денситометрии в общей схеме диагностики остеопороза. Прежде всего приборы для ультразвуковой денситометрии – это приборы поликлинического уровня, предназначенные для ранней диагностики и выявления групп риска. Отсутствие лучевой нагрузки позволяет использовать их для диагностики нарушений костного метаболизма у детей и у беременных женщин. Другое важное преимущество ультразвуковых денситометров - это возможность организации мониторинга за состоянием пациентов на фоне проводимой терапии. Существует мнение, что периферические исследования имеют невысокую чувствительность к проводимой терапии. Однако высокая воиспроизводимость результатов и возможность проведения многократных исследований при отсутствии лучевой нагрузки позволяют достоверно выявлять направление и величину сдвига в изменении плотности костной массы за относительно небольшой интервал мониторирования. Конечно следует отметить, что для этого необходима определенная организация плана измерений и развитая постпроцессорная обработка, позволяющая достоверно оценивать тренд полученных данных.

   В заключении следует отметить, что имеющийся опыт разработки ультразвуковых приборов у отечественных разработчиков и производителей вполне позволяет создать такой прибор для денситометрии уже к середине 2000 года. Для этого лишь требуется минимальная инвестиционная поддержка государства в размере 75000-100000 US$.

Список литературы

  1. Интернет URL http: //www.hhs.gov/news/press/1998press/980313.html
  2. Langton C.M., Palmer S.B. and Porter R.W. The measurement of broadband ultrasonic attenuation in cancellous bone, Eng. Med., 1984, N 13, 89-91.
  3. Rossman P., Zagzebski J., Mesina C., Sorenson J. and Mazess R. Comparison of speed of sound and ultrasound attenuation in the OS calcis to bone density of the radius, femur and lumbar spine. Clin. Phys. Physiol. Meas., 1989, N 10, 353-360.
  4. Gluer C., Cummings S., Bauer D., Stone K., Pressman A., Mathur A., Genant H. Osteoporosis: association of recent fractures with quantitative US findings. Radiology, 1996, v. 199, N 3, 725-732.
  5. Hans D., Dargent-Motina P., Schott A., Sebert J., Cormier C., Kotzki P., et al. Ultrasonographic heel measurements to predict hip fracture in elderly women: the EPIDOS prospective study. The Lancet, 1996, v. 384, N 24, 511-514.
  6. Buer D., Gluer C., Cauley J., Vogt T., Ensrud K., Genant H., Black D. Broadband ultrasound attenuation predicts fractures strongly and independently of densitometry in older women. Archives of Internal Medicine, 1997, v.157, N 24, 629-634.
  7. Laugier P., Berger G., Giat P., Bonnin-Fayet P., Laval-Jeante J. Ultrasound attenuation imaging in the OS calcis: an improved method. Ultrasonic Imaging, 1994, N 16, 65-76.
  8. Laugier P., Giat P., Berger G. Bone characterization with ultrasound: state of the art and new proposal. Clinical Rheumatology, 1994, v. 13, N 1, 22-32.
  9. Giat P., Chappard C., Roux Ch., Laugier P., Berger G. Clinical assessment of a new ultrasound technique using backscattered signals: preliminary results. Интернет URL http: //www.dms.com
  10. Baran D.T., Faulkner K.G., Genant H.K., Miller P.D., Pacifici R. Диагностика и лечение остеопороза: принципы использования костной денситометрии. Остеопороз и остеопатии, 1998, N 3, 10-16.
  11. Интернет URL http: //www.dms.com/osteo
  12. Интернет URL http: //www. osteometer.com
  13. Интернет URL http://www.myriad-ultrasound.co.il
  14. Интернет URL http://www.hologic.com
  15. Интернет URL http://www.lunarcorp.com
  16. Интернет URL http://www.aloka.co.jp/english/
  17. Интернет URL http://www.norland.com
  18. Интернет URL http://www.medbest.com/best/machine

 


 

Last modified: марта 28, 2000