Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы инструментальной скрининговой оценки структурного и функционального состояния нижней конечности человека 16
1.1. Влияние состояния нижних конечностей на здоровье и качество жизни человека 16
1.2. Методы и технические средства для оценки состояния нижней конечности: проблемы их применения при скрининговых обследованиях 20
1.3. Цель и задачи исследования 29
ГЛАВА 2. Система показателей комплексной скрининговой оценки состояния нижней конечности 30
2.1. Структурные характеристики и функциональные свойства нижней конечности в аспекте скрининговой оценки их нарушений 30
2.2. Обоснование системы инструментальных показателей оценки структурных и функциональных нарушений нижней конечности при скрининговом обследовании детей и взрослых
2.2.1. Скрининговые показатели структурных нарушений нижней конечности .48
2.2.2. Скрининговые показатели функциональных нарушений нижней конечности 70
2.3. Выводы по главе 2 80
ГЛАВА 3. Инструментально-методическое обеспечение скрининговой оценки структурных и функциональных нарушений нижней конечности 82
3.1. Структурно-функциональная модель системы "пациент – окружающая среда" 82
3.2. Технические решения по усовершенствованию инструментальной скрининговой оценки состояния нижней конечности
3.2.1. Обоснование способа регистрации биомедицинской информации для оценки структурного и функционального состояния нижней конечности 93
3.2.2. Информационно-измерительная система для скрининговой оценки состояния нижней конечности 99
3.3. Обработка биомедицинской информации для выявления структурных и функциональ
ных нарушений нижней конечности 121
3.3.1. Повышение качества плантоподографических изображений программными средствами 121
3.3.2. Автоматизация графических построений на плантограммах, подограммах и изображениях нижних конечностей
3.4. Методика биомеханического обследования при скрининговой оценке состояния нижних конечностей 138
3.5. Выводы по главе 3 .151
ГЛАВА 4. Экспериментальная апробация метода и измерительно-информационной системы для скрининговой оценки состояния нижней конечности 155
4.1. Синтез усовершенствованной информационно-измерительной системы для скринин-говой оценки структурного и функционального состояния нижних конечностей 155
4.2. Экспериментальные биомеханические исследования
4.2.1. Применение нагрузочного и рычажного тестов при компьютерной плантоподо-графии для исследования функциональных характеристик стопы 159
4.2.2. Применение теста Штритера при компьютерной плантоподографии для исследования функциональных характеристик стопы 174
4.2.3. Применение компьютерного фотоанализа для исследования структурных характеристик нижней конечности .176
4.3. Алгоритм скрининговой инструментальной оценки структурного и функционального
состояния нижней конечности 178
4.4. Выводы по главе 4 .183
Заключение 186
Список сокращений 189
Список использованной литературы
- Методы и технические средства для оценки состояния нижней конечности: проблемы их применения при скрининговых обследованиях
- Обоснование системы инструментальных показателей оценки структурных и функциональных нарушений нижней конечности при скрининговом обследовании детей и взрослых
- Информационно-измерительная система для скрининговой оценки состояния нижней конечности
- Применение нагрузочного и рычажного тестов при компьютерной плантоподо-графии для исследования функциональных характеристик стопы
Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы все большее число взрослых и детей страдает заболеваниями опорно-двигательного аппарата (ОДА) (М. С. Чаруйская, 2005 г.; Е. М. Дутикова, 2007 г.; Г. Н. Голубева, 2008 г. и др.). По данным всемирной организации здравоохранения на 2012 г. заболеваниям ОДА в Европейских странах подвержены от 70% до 75% людей. В России эта цифра достигает 85%–90%.
Особенно высокий процент патологий ОДА относится к структурным и
функциональным нарушениям нижних конечностей (НК). Среди таких
нарушений особенно часто встречается плоскостопие, изменения формы НК (О- и
Х-образные) (В.В. Письменский, 2004), асимметрия их длины 10-20 мм (В.В.
Письменский, 2004, Е.С. Полуэктов, 2013). При более существенной асимметрии
наблюдается нарушение опорной функции НК, сопровождающееся
компенсаторной асимметрией распределения нагрузки на НК и изменением конфигурации цепи звеньев вышележащих отделов ОДА - перекос таза, искривление позвоночника (А.Ю. Голдырев, 2000 г.; И.Т. Батршин, Т.Н. Садовая, 2007 г.; Д.В. Долганов, И.А. Меньщикова, Э.В. Ершов, 2010 г.; А.А. Гайдук, 2014 г.). Впоследствии это сопровождается болевыми ощущениями в НК, а затем и в позвоночнике. Все это приводит к снижению трудоспособности человека и качества его жизни.
Степень разработанности темы
Анализ причин распространенности заболеваний ОДА указывает на то, что чаще всего они связаны с несвоевременностью выявления и начала лечения патологии, отсутствием профилактических реабилитационных мероприятий. Учитывая высокую встречаемость структурно-функциональных нарушений состояния НК, включая стопы, у детей и взрослых, большое значение для их профилактики и лечения или замедления развития нарушений имеют скрининговые обследования.
Для оценки структурных и функциональных нарушений НК за рубежом и в России разработаны и используются методы и инструментальные средства, которые можно разделить на две большие группы: первая – позволяет исследовать форму НК, вторая – их функции.
В стремлении к повышению доказательности обследования и с учётом базовой специальности особое значение для данного исследования приобретают инструментальные методы.
Для количественной оценки структурных изменений НК применяются следующие инструментальные методы: для стопы –- подометрия (анализ геометрических параметров стопы ее измерением), плантография (анализ формы опорного отпечатка стопы), рентгеноподография (анализ геометрических параметров скелета стопы); для анализа геометрических параметров формы НК -рентгенография и фотоанализ (К.Н. Сергиенко, 2001г.; Н.Ю. Карабанова, В.М. Волкова, Л.М. Смирнова. В.В. Романов, 2004 г.; К.В. Гавриков, С.И. Калужский, А.И. Перепелкин, 2007 г.; С.В. Лепеша, М.И. Игнатовский, А.И. Свиридёнок, 2008 г.; В.Н. Проценко, 2010 г.; Э.В. Земцовский, Л.М. Смирнова, В.В. Романов, 2011 г.; С.В. Василевич, Я.Б. Гольдберг, А.В. Арсеньев, М.Г. Дудин, 2014 г. и др.).
Из этого перечня инструментальных методов интерес для скрининговой оценки состояния НК, включая стопу, представляют фотоанализ формы НК, подометрия и плантография. Данные методы не требуют больших затрат времени и большой площади помещения для обследований, без лучевой нагрузки на пациента, что важно при скрининговых обследованиях. Однако в том виде, как они используются в настоящее время, эти методы не позволяют исследовать функциональные нарушения НК.
Для исследования опорно-двигательных функций НК применяются другие
методы – основанные на анализе ходьбы, а именно: зональная
динамоплантография (анализ распределения нагрузки по зонам стопы при ходьбе), балансография в плоскости опоры (анализ баланса нагрузки в опорном контуре стоп), циклография переката и шага (анализ временных характеристик шага и переката через стопу), циклодинамография ходьбы (анализ изменения нагрузки на стопы в цикле шага), бароплантография (анализ распределения давления по плантарной поверхности стоп), гониография в цикле шага (анализ функции углов в суставах), ихнография (анализ положения стоп в опоре при ходьбе) (А.В. Саранцев, И.Б. Лисица, И.Ш. Морейнис, 1987 г.; Д.В. Скворцов, 1996 г.; К.Н. Сергиенко, 2001 г.; С.Н. Деревцова, 2010 г.; Д.В. Похабов, 2012 г.; Л.М. Смирнова, 2012 г. и др.).
Однако эти методы значительно более сложные, дорогие и требующие больших затрат времени на проведение обследования и обработку биомедицинской информации (БМИ), что противоречит требованиям к скрининговым обследованиям.
В связи с актуальностью проведения скрининговых обследований населения для своевременного выявления структурных и функциональных нарушений НК, с одной стороны, и отсутствием необходимого для этого медицинского оборудования, с другой стороны, была определена цель исследования и его задачи.
Цель исследования: повышение объективности скрининговой оценки структурных и функциональных характеристик нижней конечности.
Объектом исследования является информационно-измерительная
биотехническая система для комплексной скрининговой оценки состояния нижней конечности.
Предметом исследования являются система показателей и метод комплексной скрининговой оценки состояния нижней конечности.
Задачи исследования:
-
Провести анализ научных и информационных источников по методам и техническим средствам для выявления структурных и функциональных нарушений нижней конечности человека и определить проблемы их использования при скрининговых обследованиях;
-
Разработать систему инструментальных показателей количественной оценки структурных и функциональных характеристик нижней конечности при скрининговом обследовании детей и взрослых;
-
Разработать структурно-функциональную модель системы "пациент – окружающая среда", отражающую влияние экзогенных и эндогенных
факторов (по отношению к тестируемой конечности) на показатели структурного и функционального состояния нижней конечности;
-
Обосновать способ регистрации биомедицинской информации и разработать медико-технические требования к информационно-измерительной системе для скрининговой оценки нарушений состояния нижней конечности и структурно-функциональную схему такой системы;
-
Обосновать способ обработки биомедицинской информации для количественной оценки показателей структурного и функционального состояния нижней конечности при скрининговых обследованиях;
-
Обосновать схему регистрации биомедицинской информации с пациента на основе структурно-функциональную модель системы "пациент – окружающая среда" и разработать методику биомеханического обследования для скринингового выявления структурных и функциональных нарушений нижних конечностей с учётом модели системы "пациент – окружающая среда", способа и схемы регистрации биомедицинской информации;
-
Апробировать предложенные методические и технические решения проведением экспериментальных биомеханических обследований пациентов и с учётом результатов апробации разработать алгоритм скрининговой инструментальной оценки структурных и функциональных нарушений нижней конечности у детей и взрослых.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
– создана новая система показателей, которая позволяет при скрининговых обследованиях объективно и доказательно (с количественной оценкой и архивами электронных биомедицинских изображений) выявлять патологические изменения не только размеров и формы нижней конечности и стопы, но и нарушения их функции благодаря обоснованному применению биомеханических тестов (рычажного, Штритера и дозированной нагрузки на стопы) в процессе выполнения компьютерной плантографии и подометрии;
– разработана структурно-функциональная модель биомеханической системы "пациент – окружающая среда", отражающая влияние эндогенных и экзогенных (по отношению к тестируемой конечности) факторов на показатели состояния нижней конечности и позволяющая определить требования к условиям проведения обследования для их скрининговой оценки;
– сформулированы медико-технические требования к информационно-измерительной системе для оценки структурных и функциональных нарушений нижней конечности в режиме скринингового обследования пациента и структурно-функциональная схема такой системы;
– получены новые экспериментальные результаты плантоподометрических обследований пациентов методом компьютерного планшетного оптического сканирования стоп с применением рычажного теста, теста Штритера и теста с дозированной нагрузкой на стопы, подтверждающие целесообразность использования этих методов при скрининговых инструментальных обследованиях детей и взрослых;
– разработана методика и алгоритм скрининговой оценки структурных и функциональных нарушений НК у детей и взрослых на основе разработанного
комплекса показателей с использованием усовершенствованной информационно-измерительной системы.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в том, что полученные в ней результаты развивают методы и технические средства объективной оценки структурного и функционального состояния НК, включая стопу, человека на основе новой системы показателей и с учетом влияния на них экзогенных и эндогенных (по отношению к тестируемой конечности) факторов.
Для разработчиков медицинской техники практическую ценность работы имеют структурная схема, технические требования к информационно-измерительной системе (ИИС) и новые технические решения для ее синтеза, повышающие достоверность результатов скрининговой оценки структурных и функциональных нарушений НК, включая стопу.
Для специалистов в области биомеханики и медицинской диагностики заболеваний ОДА практический интерес представляет разработанная методика скрининговой оценки структурных и функциональных нарушений НК, в том числе, требования к условиям проведения обследования, алгоритм его выполнения с применением биомеханических тестов при планшетной оптической плантоподографии, система показателей структурного и функционального состояния НК.
Методология и методы исследования
Для решения задач исследования использовался системный подход к анализу биотехнической системы "пациент – окружающая среда", который позволил выявить структурно-функциональные свойства этой системы, которые должны учитываться при скрининговой оценке состояния НК, включая стопу.
При проведении биомеханических исследований для оценки структурного и
функционального состояния стопы применялись следующие методы:
компьютерная плантография (на основе оптического планшетного сканирования плантарной поверхности и опорных отпечатков стоп с применением рычажного теста стопы и теста дозированной нагрузки на стопы); компьютерная трёх-координатная подометрия (на основе оптического планшетного сканирования стоп (снизу - с применением теста дозированной нагрузки на стопы; с медиальной стороны - с применением рычажного теста и теста дозированной нагрузки на стопы; сзади - с применением биомеханического теста Штритера)). Для оценки структурных характеристик НК применялся двух-координатный анализ размеров и формы осей НК (на основе фоторегистрации их изображений в проекциях на фронтальную и сагиттальную плоскости в позе пациента стоя).
Обработка базы данных биомеханических исследований проводилась с
использованием методов статистического анализа, в т.ч. корреляционного
анализа. Для выделения границ элементов плантограммы применялись методы
сегментации изображения: высокочастотной фильтрации; градиентные;
использование вторых производных.
Научные положения, выносимые на защиту:
– методика, основанная на системе показателей, определяемых графико-расчётным анализом изображений стоп снизу, с медиальной стороны и сзади, полученных в положении пациента в позе стоя с обычной опорой на стопы и при
применении биомеханических тестов (рычажного, Штритера и дозированной нагрузки), а также изображений НК от плоскости опоры до линии талии спереди и сбоку, позволяет выявлять как структурные, так и функциональные нарушения состояния НК, сокращая при этом продолжительность тестирования и не требуя сложного в применении и обслуживании оборудования, что соответствует принципам скрининговых обследований населения;
– достоверность и доказательность результатов рычажного теста стопы, теста Штритера и теста дозированной нагрузки на стопы повышается выполнением их с регистрацией плантограммы и подографических изображений способом оптического планшетного сканирования;
– синтез информационно-измерительной системы на основе разработанных медико-технических требований к ней и применение такой системы при скрининговых обследованиях населения в соответствии с разработанной методикой (системой показателей, алгоритмом обследования и требованиями к условиям его проведения) позволяют снизить риск развития и прогрессирования деформаций и функциональных нарушений НК у детей и взрослых.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Достоверность научно обоснованных результатов работы подтверждается результатами апробации предложенных методических и технических решений с проведением экспериментальных биомеханических обследований пациентов, согласующихся с результатами экспертных оценок.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях НТОРЭС им. А.С. Попова (2008, 2009 гг.); на 64-й научно-технической конференция посвященной дню радио (2009 г.); Всероссийской научной школе по биомедицинской инженерии БМИ-2009; IX Международном славянском конгрессе по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИОСТИМ» (2010 г.); на III Всероссийской молодёжной школе-семинаре, г., Таганрог (25-28 сентября 2013 г.); SPITSE Symposium on Sensors and Sensor Networks ( 07-18 July 2014, Ilmenau, Germany); на XX Российском национальном конгрессе «Человек и его здоровье»: Международная научно-практическая конференция «Современные технологии ортезирования» (Программа 23-24.10.2014).
Внедрение результатов работы
Работа проведена в рамках государственного заказа «Проведение научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок)» базовой части государственного задания Минобрнауки России. Код проекта: 2548.
Разработанные в рамках исследования новые решения по графическим построениям на изображениях стоп и НК и новые показатели оценки структурного и функционального состояния НК были внедрены в ООО «ДиаСервис» (г. С.-Петербург) при модификации методического модуля пакета программного обеспечения (ПО) усовершенствованного программно-аппаратного комплекса (ПАК) «Скан».
Результаты диссертационной работы внедрены и используются в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им.
В.И. Ульянова (Ленина) в учебном процессе при реализации магистерской
образовательной программы «Биотехнические системы и технологии
реабилитации и протезирования» по направлению «Биомедицинская инженерия», в практике научных исследований кафедры Биотехнических систем Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 научных работ. Из них 2 статьи опубликованы в журнале из базы данных Scopus, 8 статей - в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ. Другие 10 работ - в материалах международных и российских научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 128 наименований (100 – отечественных авторов, 28 – зарубежных). Основное содержание диссертации изложено на 202 листах, содержит 64 рисунка и 25 таблиц.
Методы и технические средства для оценки состояния нижней конечности: проблемы их применения при скрининговых обследованиях
Для диагностики структурных и функциональных нарушений НК, включая стопы, за рубежом и в России разработаны и используются многочисленные методы и инструментальные средства, которые можно разделить на две большие группы: первая – позволяет исследовать форму НК и стопы; вторая – их функции [30, 31, 39, 101, 122].
Рассмотрим эти методы и инструментальные средства в аспекте их применения для скринин-говой оценки структурных и функциональных нарушений НК. Среди их существенных характеристик для скрининговой оценки можно выделить следующие: удобство его для пациента; продолжительность обследования; достоверность результатов и их доказательность; возможность создания архивной базы данных; стоимость необходимого оборудования в момент его приобретения, а также обслуживания; размер площади помещения для обследования; возможность проведения выездных обследований (в детских садах, школах и т.п).
Для количественной оценки структурных изменений НК применяются следующие инструментальные методы: для стопы - подометрия (анализ геометрических параметров стопы ее измерением), плантография (анализ формы опорного отпечатка стопы), рентгеноподография (анализ геометрических параметров скелета стопы); для анализа геометрических параметров формы НК - рентгенография и фотоанализ [35, 48, 55, 56, 57, 62, 69, 73, 75, 101, 110].
Клинический осмотр считается наиболее простым и распространенным методом и заключается в визуальном осмотре формы НК, асимметрии их длины, медиального (внутреннего) свода стопы и подошвенной поверхности обеих стоп, а также определении формы стопы. При визуальной оценке НК и сводов стопы могут использоваться также активные и пассивные функциональные пробы, такие как приподнимание на носки и поднимание пальцев стопы без отрыва от поверхности опоры и другие, позволяющие оценить подвижность в суставах, мышечную силу, изменение свода. Дополнением этого метода является опрос пациента, на основании которого необходимо определить время и характер нагрузки на стопы на протяжении дня, узнать вероятные беспокоящие проблемы, например, появление болевых ощущений на уровне стопы, голени или бедра [5, 34].
Однако многие авторы отмечают, что визуальная оценка имеет высокий процент ошибок, приводя к случаям недооценки имеющейся патологии, особенно это касается стопы, или наоборот к гипердиагностике. Объективность этого метода зависит от квалификации исследователя. Он не дает количественной оценки выявленных нарушений, не позволяет провести градацию патологии и сохранить результаты обследования в информативном и удобном для анализа виде для дальнейшей оценки динамики состояния НК (так как они трудно сопоставимы с результатами повторных исследований). Оценка состояния подошвенной поверхности стопы при нагрузке на нее весом тела также невозможна при визуальном осмотре пациента. Тем не менее, его не следует исключать при скрининговом обследовании совместно с другими методами оценки состояния НК [2, 102].
Плоскостная рентгенография в положении стоя применяется для измерения параметров расположения костей стопы в опоре. Однако, этот метод не применяют на ранних стадиях диагностики из-за высокой трудоемкости, значительных материальных затрат, а ионизирующее излучение оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека, что ограничивает количество проводимых исследований для одного пациента. Рентгенография больше пригодна для оценки тяжелых состояний стопы при уточнении диагноза перед оперативным лечением или при ее травме.
Для измерения различных линейных, объемных, угловых параметров, формы стопы в опоре и параметров формы ее опорного отпечатка используются методы подометрия и плантогра-фия.
Из анализа научных источников следует, что благодаря своей простоте и объективности, данные методы нашли широкое применение в практике массовых медицинских обследований вместе с визуальным осмотром. Эти неинвазивные методы с отсутствием лучевой нагрузки на пациента позволяют проводить обследования сколько угодно раз. Однако в традиционном варианте исполнения они обладают существенными недостатками, которые рассматриваются ниже.
При подометрии измерение стопы осуществлялось сантиметровой лентой, транспортиром и стопомером, что делало этот метод трудоемким, с низкой точностью и недостаточной доказательностью [30].
Аналогичный вывод следует сделать и относительно плантографии. Развитие данного метода началось с изучения следов мокрых стоп на полу, затем были разработаны различные способы получения и сохранения отпечатков стопы: с помощью фотобумаги, засвечиваемой в процессе стояния на ней пациента и обрабатываемой в закрепителе для получения отпечатков; посредством специальных подушек, пропитанных типографской краской и др. Однако сложность получения плантограмм вышеописанными способами, использование пачкающих пациента веществ, необходимость графических построений на них с использованием линейки и транспортира для количественной оценки, ограничивает применение метода в практических целях [59, 114].
Исключить использование пачкающих веществ для оценки состояния подошвенной поверхности стоп при визуальном осмотре позволили специальные системы, основанные на зеркальном отражении стоп, расположенных на стекле над зеркалом. Врач при этом наблюдает отражение плантарной поверхности стоп под нагрузкой. В качестве примера такой системы можно рассмотреть подоскоп. Однако данная система не исключает необходимости использования простых измерительных приборов для оценки размеров стопы, не позволяет получать количественные оценки и сохранять результаты в информативном виде [76].
Усовершенствование подоскопа средствами измерения линейных размеров в горизонтальной и вертикальной плоскостях, представляющие собой две параллельные свободно перемещаемые по направляющим линейки со шкалой, крепящиеся под верхней стеклянной плоскостью подос-копа, позволили получить некоторые количественные оценки формы отпечатка стопы и состояния медиального продольного свода. Однако и это не позволило сохранить результаты в информативном виде [61].
В настоящее время существуют компьютерные системы для плантографии и подометрии, основанные на регистрации изображений стоп фото/видео-способом (АПК «ПлантоВизор») и планшетным сканированием (ПАК «Скан», «Скан мобильный», «ДиаСлед-М-Скан»; комплекс плантографический КПГ-01) [73, 75, 82].
Недостатки комплекса плантографического КПГ-01 состоят в том, что он позволяет получать изображения стоп только снизу, в градациях серого. В то время как АПК серии «ПлантоВизор», ПАК «Скан», «Скан мобильный», «ДиаСлед-М-Скан» позволяют регистрировать изображения стоп в трех плоскостях. Однако комплекс «Плантовизор» не позволяет получить изображение стоп с медиальной стороны в позе стоя с одновременной опорой на обе стопы, установленные параллельно относительно друг друга, а это важно для оценки формы стопы (при регистрации медиальной поверхности стопы одной конечности, чтобы не загораживать её от объектива, пациенту приходится смещать другую конечность вперёд или назад, либо подгибать её в коленном суставе).
Данные комплексы: позволяют сохранять полученные результаты в удобном для дальнейшего их анализа и доказательности виде; оснащены программным обеспечением для автоматизированной оценки плантоподографических показателей; не требуют большой площади помещения. Некоторые из ПАК мобильные, что позволяет их использовать в условиях привычных для пациента (например, при обследовании детей в детском саду). Все это делает привлекательными методы компьютерной плантографии и подометрии для использования их при скрининговой оценке состояния стоп. Однако эти методы пригодны лишь для оценки параметров стопы.
Обоснование системы инструментальных показателей оценки структурных и функциональных нарушений нижней конечности при скрининговом обследовании детей и взрослых
Инструментально оцениваемые показатели искривления оси НК. При инструментальном обследовании количественная оценка формы осей НК может быть выполнена анализом изображения фигуры спереди или сзади. Поскольку мы решили определять асимметрию длин НК по изображению тела пациента от плоскости опоры до линии талии спереди, то будем использовать то же изображение и для определения формы оси НК, что позволит сократить время на получение необходимых изображений. Стопы должны стоять симметрично и параллельно.
Для оценки формы оси НК соединяем точки п1 и л1 с точками п3 и л3 и таким образом строим условные оси правого и левого бедер (линии п1-п3 и л1-л3), затем соединяем точки п3 и л3 с точками п4 и л4 и строим условные оси правой и левой голеней (линии п3-п4 и л3-л4). Эти построения выполнены на рисунке 2.14 голубым цветом и они характеризуют форму оси конечностей. Обозначим угол между осью бедра и голени Yxz .
Если этот угол открыт латерально, будем считать его положительным, медиально - отрицательным (рис. 2.16). Если у левой и правой конечностей ось бедра и ось голени расположены на одной линии, тогда угол между ними обозначим как (Pxz . Если этот угол открыт вниз, будем считать его положительным, вверх - отрицательным. Учитывая, что угол Yxz может отличаться для левой и правой конечностей, целесообразно в протоколе обследования их различать.
Инструментально оцениваемые показатели сгибательной контрактуры и рекурвации (гиперэкстензии) конечности в коленном суставе.
В разделе 2.1. нами было рассмотрено, что на форму оси НК могут влиять контрактура с ограничением разгибания (далее сгибательная контратура) или рекурвация конечности в коленном суставе. Причем важно определять и сохранять результаты в доказательном виде не только для оценки ортопедической патологии при сгибательной контратуре и влиянии ее на функциональное укорочение НК, но и для выявления подозрений на системные заболевания соединительной ткани при сочетании плосковальгусной деформации с рекурвацией НК.
При инструментальном обследовании количественная оценка формы осей НК для выявления сгибательной контрактуры или рекурвации в коленном суставе может быть выполнена анализом этого изображения НК в проекции на сагиттальную плоскость YZ (вид с латеральной стороны), получаемое отдельно для правой и левой стороны. Стопы должны стоять симметрично и параллельно. На изображении проводим ось бедра от передне-верхней ости до щели коленного сустава и ось голени от щели коленного сустава до латеральной лождыжки.
Для количественной оценки обозначим угол между осью бедра и голени уу2 (рис. 2.17). Если этот угол открыт наружу (вперед), будем считать его положительным, внутрь (назад) - отрицательным. Учитывая, что угол уу2 может отличаться для левой и правой конечностей, целесообразно в протоколе обследования их различать.
Поскольку начальные стадии отека НК будут хорошо проявляться на голени ближе к стопе, целесообразно делать измерения поперечного размера голени на изображениях стопы и нижней части голени в проекции на фронтальную (вид сзади) и сагиттальную плоскости (вид сбоку с латеральной стороны), которые уже было решено получать для оценки структурных показателей стопы. Поэтому было решено использовать их.
В проекции на фронтальную плоскость Поскольку при сгибательной контрактуре коленного сустава ось голени будет отклонена от вертикального сканера, то невозможно симметрично для правой и левой НК оценить ширину сечения голени. А в положении сидя можно расположить оси в одной плоскости параллельно плоскости вертикального сканера, т.е. соосно.
Для того, чтобы определить градиент ширины поперечного размера голени, т.е. насколько быстро она меняется с изменением высоты, необходимо оценивать поперечные размеры голени как минимум на двух уровнях. Для оценки ш ир ины по пе речно г о разм ер а го л ени будем использовать горизонтальную линию. Для оценки гр ад иент а ши рины по пе речного разм ер а г ол ен и требуется две горизонтальные линии. Для этого достаточно установить нижнюю горизонтальную линию на уровень лодыжек, а вторую линию выше, например, на уровне высоты нижней трети голени. Для оценки асимметрии поперечных размеров правой и левой голеней целесообразно измерять их на одной и той же высоте от опоры для каждой из голеней (рис. 2.18).
Оценка поперечного размера голени на изображении стопы и голени в проекции на сагиттальную плоскость будет происходить аналогично, как и при оценке во фронтальной плоскости.
В данном случае также достаточно измерение ширины голени на двух уровнях, и соблюдать равенство уровней для правой и левой голеней.
Однако для регистрации медиальной поверхности стопы в положении пациента сидя, необходимо было бы переставлять стул, что делает исследование трудоемким, или использовать еще два стула для регистрации медиальных изображений правой левой стоп, что загромождает комплекс. Кроме того, следует учитывать, что случаи, когда у пациента одновременно наблюдается при скрининговом обследовании и патологическая установка голени и ее отек, поэтому нами было решено анализировать асимметрию поперечного размера голеней в проекции на сагиттальную плоскость в положении пациента стоя.
По аналогии с оценкой асимметрии поперечного размера голени во фронтальной плоскости, будем использовать горизонтальные линии. Для оценки градиента ширины поперечного размера голени - две горизонтальные линии. Для этого достаточно установить нижнюю горизонтальную линию на уровень лодыжек, а вторую линию выше, например, на уровне высоты нижней трети голени. Для оценки асимметрии поперечных размеров правой и левой голеней целесообразно измерять их на одной и той же высоте от опоры для каждой из голеней (рис. 2.19).
Рекомендуемые уровни определения поперечных размеров голени на изображении стопы и части голени в проекции на сагиттальную плоскость (вид сбоку с медиальной стороны): 1 - уровень лодыжек; 2 – уровень высоты нижней трети голени.
Обозначим для правой голени ширину нижнего поперечного сечения как L1yz _пр , ширину верхнего поперечного сечения L2yz _пр . Аналогично для левой голени ширина нижнего L1yz _ лев и верхнего L2yz _ лев поперечных сечений. Длина между линиями будет одинакова для правой и левой конечностей ryz (рис. 2.19).
Информационно-измерительная система для скрининговой оценки состояния нижней конечности
При сканировании стоп сбоку или при сканировании снизу стоп, длина которых больше поперечного размера поля сканирования, средняя поперечная планка приспособления для ориентации стоп не должна закрывать поле сканирования горизонтальным сканером. Т.е. в этих случаях её необходимо убирать, а при сканировании стоп снизу - снова устанавливать на прежнее место (рис. 3.4, б, в). Чтобы эта процедура не обременяла врача и пациента, поперечная планка приспособления должна быть шарнирно закреплена к его продольной планке с помощью петли, а она неподвижно фиксирована к горизонтальному сканеру. Этим обеспечивается удобная и быстрая смена положения приспособления на устройстве для сканирования стоп в разных плоскостях.
При этом боковые поперечные планки должны быть жестко закреплены торцами на продольной планке на ширине равной длине окон горизонтального и вертикального сканеров, их не требуется убирать. При сканировании стоп сбоку они ограничивают положение стопы спереди и сзади, чтобы они не выходили за окно сканирования вертикального сканера.
Поскольку при проведении нагрузочных тестов обоснована необходимость регистрации изображений плантарных поверхностей стоп в положении пациента не только стоя, но и сидя, место для обследования должно быть оснащено вращающимся сиденьем с газ-лифтом, обеспечивающем возможность регулирования его высоты для обследования пациентов различного роста (детей и взрослых). Располагаться оно должно с тыльной стороны вертикального сканера таким образом, чтобы стопы обследуемого находились на горизонтальном сканере в том же положении и направлении, как и при исходном положении пациента стоя с опорой на обе НК.
Усовершенствование конструкции системы для выполнения рычажного теста. При выполнении рычажного теста требуется пассивное (руками врача) разгибание большого пальца стопы пациента и удержание их в этом положении во время сканирования стопы с медиальной стороны. Но для начала сканирования необходимо дать команду в соответствующем режиме ПО компьютера. Врачу, удерживающему стопу пациента, трудно дотянуться для этого до рабочего стола и нажать кнопку мыши или клавиатуры, чтобы запустить процесс сканирования. Подобные проблемы возникают и при обследовании детей ясельного возраста, когда из-за их беспокойства, врачу приходится удерживать стопы ребёнка в нужной позиции на сканере, а также при клиническом обследовании детей и взрослых, когда врач вынужден отвлекаться от осмотра, чтобы внести его результаты в электронный лист посещения пациента. Такой стиль работы может значительно увеличивать её продолжительность, что недопустимо при скринин-говых обследованиях.
Проблема может быть решена путем оснащения системы для плантоподографии устройством голосового управления, включающим аппаратные средства и специализированное ПО.
Основными элементами аппаратной части устройства являются микрофон для восприятия голосовых команд, усиления и отфильтровывания шумов, блок обработки аудио сигналов (элемент ПК с ОС Windows с соответствующим ПО и со встроенной картой аудио-захвата), база данных голосовых команд, блок управления периферийными устройствами. В нашем случае в качестве периферийных устройств будут выступать сканирующие устройства. Результаты выполнения команд должны выводиться на экране монитора. Структурная схема аппаратной части устройства голосового управления отражена на рисунке 3.5.
Структурная схема системы голосового управления при скрининговой оценке состояния стопы. Обозначения: БД – база данных; БОАС – блок обработки аудио сигналов; БУПУ – блок управления периферийными устройствами; М – микрофон; ПК – персональный компьютер; сплошные стрелки – информационно-энергетическая связь; пунктирные стрелки – обратная связь.
Устройство голосового управления должно управлять включением сканирующих устройств, а также обеспечивать возможность перемещения по структуре электронного листа посещения и ввод в неё данных клинического осмотра.
Принцип действия такого устройства заключается в том, что команды от врача-оператора с помощью микрофона передаются в блок обработки аудио сигналов посредством карты аудио-захвата и там сканируются с помощью специализированного ПО для распознавания голоса. При распознавании из потока слов голосовой команды, программа ищет в базе данных голосовых команд какой код соответствует этой команде, преобразует голосовую команду в простейший двухразрядный сигнал и по шине данных он поступает в блок управления периферийными устройствами, который обеспечивает включение соответствующего коду устройства.
На современном рынке представлено множество видов микрофонов. Общий принцип их работы заключается в воздействии звукового давления от источника звука на мембрану микрофона, и далее колебания мембраны преобразуются в электрический сигнал. Основные технические характеристики микрофона, определяющие качество выдаваемого звука – это рабочий частотный диапазон, уровень чувствительности, амплитудно-частотная характеристика, направленность, звуковое давление, уровень собственных шумов микрофона.
При скрининговых плантоподографических обследованиях предполагается использование микрофона в небольшом помещении с большим количеством отражений и с возможным проникновением посторонних шумов из соседних помещений, из-за двери, из окна/окон. Поэтому при выборе технических характеристик микрофона будем ориентироваться на эти условия.
В общем случае считается, что чем шире рабочий частотный диапазон у микрофона, тем качественней он передает звуки. Однако это не столь важно в нашем случае его использования. Частота человеческой речи находится в пределах 0,1 – 10 кГц, но для записи голосовых команд для управления ПК подойдет микрофон, поддерживающий диапазон частот всего лищь от 300 до 3400 Гц. Чтобы повысить разборчивость команд и снизить влияние помех, низкочастотные сигналы необходимо подавлять. Для этого следует выбирать микрофон с отключаемым фильтром низких частот (с частотой среза 80…120 Гц).
Показатель уровня чувствительности определяет минимальный уровень звуковых колебаний, который может быть определен микрофоном. Однако устройства с очень высокой чувствительностью будут хорошо воспринимать и посторонние шумы. Поэтому в помещении с возможным проникновением посторонних источников звука извне не стоит выбирать высокий уровень чувствительности.
От формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) микрофона зависит его чувствительность к определенным частотам. Микрофоны с пологой АЧХ обычно имеют расширенный частотный диапазон. Они воспроизводят сигналы от различных источников звука. Микрофоны с рельефной АЧХ имеют пики или провалы в определенных частотах, поэтому они полезны, когда надо ослабить прием нежелательных звуков и шумов за пределами требуемого диапазона. В нашем случае следует выбрать микрофон именно с рельефной АЧХ с уменьшенной отдачей на низких частотах (срез низа), с целью уменьшения влияния помех.
Направленность микрофона определяет его чувствительность к звукам, поступающим с разных сторон. По направленности различают следующие типы микрофонов: уз к она пр авл енные, которые характеризуются высокой чувствительностью к звуку, поступающему из прямого направления и крайне низкой чувствительностью к остальным звукам; бин ап ра вле н ные, хорошо принимающие сигналы с прямого и с обратного направлений; в сен апра в л енны е, принимающие звуковые сигналы, поступающие со всех направлений. Ненаправленный и бинаправленный микрофоны необходимо использовать в специально оборудованном - заглушенном помещении. Поскольку площадь помещения для скринингового обследования стоп может быть небольшой, можно ожидать значительное количество звуковых отражений. Также предполагается, что в помещение могут проникать посторонние шумы. При этом требуется четкое улавливание звуков от одного источника – врача. В этих условиях выбор следует сделать в пользу узконаправленного одностороннего микрофона, и его следует устанавливать тыльной стороной к источнику звуковых помех (например, к двери), а воспринимающей - к врачу-оператору в прямом звуковом поле, чтобы звук достигал микрофон, не отражаясь предварительно от стен, потолка, пола помещения или поверхностей других предметов (рис. 3.6).
Применение нагрузочного и рычажного тестов при компьютерной плантоподо-графии для исследования функциональных характеристик стопы
Графические построения на изображении стоп в проекции на сагиттальную плоскость YZ. Чтобы рассчитать все обоснованные показатели (см. раздел 2.2), исходная информация для которых берётся с изображения стопы, полученного регистрацией её с медиальной стороны, необходимо провести графические построения, изображенные на рисунке 2.6, а для оценки высоты свода, и графические построения на рисунке 2.19 для оценки асимметрии поперечных размеров голеней.
Программное обеспечение системы должно позволять одновременно на обоих изображениях стоп и голеней в сагиттальной плоскости для оценки асимметрии поперечных размеров голеней вызывать горизонтальные линии не менее двух раз. Когда на изображении одной стопы перемещаем горизонтальную линию, то одновременно аналогичная линия должна перемещаться на изображении другой стопы на такой же уровень от опоры. Это необходимо для того, чтобы определять поперечные размеры обеих голеней на одинаковом расстоянии от опоры.
Для облегчения всех графических построений на изображении стопы в проекции на сагиттальную плоскость YZ программное обеспечение должно обеспечивать возможность скрывать построения для оценки поперечных размеров голеней, чтобы они не перекрывали изображение стопы и не мешали графическим построениям для оценки подометрических показателей. И наоборот, скрывать графические построения для оценки подометрических показателей и вызывать их снова при необходимости.
Графические построения на изображении стоп в проекции на фронтальную плоскость XZ. Чтобы рассчитать все обоснованные показатели (см. раздел 2.2), исходная информация для которых берётся с изображения стопы, полученного регистрацией её сзади, необходимо провести следующие графические построения, изображенные на рисунке 2.13 для оценки вальгус-ного отклонения оси пятки и на рисунке 2.18 для оценки асимметрии поперечных размеров голеней.
Программное обеспечение системы должно позволять одновременно на обоих изображениях стоп и голеней во фронтальной плоскости для оценки асимметрии поперечных размеров голеней вызывать горизонтальные линии не менее двух раз. Когда на изображении одной стопы перемещаем горизонтальную линию, то одновременно аналогичная линия должна перемещаться на изображении другой стопы на такой же уровень от опоры. Это необходимо для того, чтобы определять поперечные размеры обеих голеней на одинаковом расстоянии от опоры.
Для облегчения всех графических построений на изображении стопы в проекции на фронтальную плоскость XZ программное обеспечение должно обеспечивать возможность скрывать построения для оценки поперечных размеров голеней, чтобы они не перекрывали изображение стопы и не мешали графическим построениям для оценки отклонения пяточной оси. И наоборот, скрывать графические построения для оценки отклонения пяточной оси и вызывать их снова при необходимости.
Хотя в разных комплексах для плантографии уже используется большая часть представленных здесь построений, они не являются идентичными.
Графические построения на изображении НК и таза пациента в проекции на фронтальную плоскость XZ.
Чтобы рассчитать все обоснованные показатели (см. раздел 2.2), исходная информация для которых берётся с изображения нижних конечностей, полученного регистрацией их спереди, необходимо провести следующие графические построения, изображенные на рисунке 2.14.
После выполнения таких графических построений автоматически рассчитать показатели наклона таза, асимметрии длины конечностей и деформации их оси не составит труда.
Задача оператора комплекса состоит в расстановке указанных точек, а задача программы – в автоматическом построении соединяющих их линий, расчете значений показателей оценки, а также построении пунктирных горизонтальных линий, расположенных по вертикали на середине идентичных точек для правой и левой конечностей. Такие линии отображены на рисунке 2.14 красным цветом и они нужны для улучшения визуализации патологических отклонений.
Предложенное цветовое решение при графическом построении облегчает визуальное выявление патологии. Несовпадение зеленых сплошных линий с красными пунктирными будет признаком наклона таза и/или асимметрии длины нижних конечностей.
Графические построения на изображении нижних конечностей пациента в проекции на сагиттальную плоскость XZ.
Чтобы рассчитать все обоснованные показатели (см. раздел 2.2), исходная информация для которых берётся с изображения нижних конечностей, полученного регистрацией их сбоку, необходимо провести следующие графические построения, изображенные на рисунке 2.17.
После выполнения таких графических построений автоматически рассчитать показатели деформации оси нижних конечностей в проекции на сагиттальную плоскость для выявления сги-бательной контрактуры или рекурвации в коленном суставе не составит труда.
Задача оператора комплекса состоит в расстановке указанных точек, а задача программы – в автоматическом построении соединяющих их линий, расчете значений показателей оценки.
Схема регистрации биомедицинской информации при скрининговой оценке состояния нижних конечностей.
Анализ изображений стоп позволяет оценивать влияние на плантографические и подометри-ческие показатели таких эндогенных факторов, как патологические деформации стоп, половозрастные характеристики.
Как уже было обосновано в разделе 3.1, на плантографические и подометрические параметры M оказывают влияние как эндогенные факторы L, относящиеся к самой нижней конечности и особенно стопе (патологические и возрастные изменения её формы) и относящиеся к пациенту, так и экзогенные факторы K: M = F{K, L}, Однако не все эндогенные и экзогенные факторы могут быть учтены при обследовании методами компьютерной плантографии и подометрии, так как многие из них сложно оценить инструментальными методами. То есть во множествах K факторов есть контролируемые экзогенные факторы Kn, которые будут измерены, и неконтролируемые Km: