Ультразвуковой комплекс транскраниального мониторинга церебрального кровотока и автоматической детекции микроэмболии
Аннотация
В работе представлен разработанный совместно МАИ с НПФ БИОСС ультразвуковой диагностический комплекс транскраниального мониторинга церебрального кровотока и автоматической детекции микроэмболии. Комплекс адаптирован на решение широкого круга задач мониторинга с последующей обработкой полученных данных и сохранения их в базе данных. Комплекс прошел успешно апробацию при выполнении операций на сердце и сосудах головного мозга.
Мониторинг цереброваскулярного и периферийного кровотока в режиме реального времени является одной из востребованных в современной клинической практике задач медицины. Ее значение трудно переоценить для создания полноценной информативной картины кровоснабжения мозга в процессе выполнения сердечно-сосудистых операций, снижении риска кардиальных и неврологических осложнений, корректировки проводимой при операции терапии и прогнозировании развития церебральных осложнений. Результаты статистики показывают, что при относительно низкой частоте документированных нарушений мозгового кровотока, например, при операциях аортокоронарного шунтирования, нарушения когнитивных функций и энцефалопатия в послеоперационный период регистрируется почти у 80% пациентов, а у трети больных она сохраняется и по прошествии 12 месяцев [1, 2].
Одной из причин таких осложнений является эмболический инсульт мозга при кардиохирургических вмешательствах, который, как показывают результаты исследований [3, 4], является доминирующим фактором в развитии ишемического инсульта. Для снижения риска осложнений необходимы интраоперационные средства мониторинга мозгового кровотока и автоматической детекции микроэмболии в режиме реального времени для оперативного оповещения бригады хирургов о количественных и качественных характеристиках эмболии.
Возрастание количества сердечно-сосудистых операций и повышение их сложности требует проведения углубленных обследований сосудистой системы пациента перед операцией и в период реабилитации. В этих условиях средства мониторинга позволяют провести тщательную диагностику состояния всех сосудов обследуемого бассейна при моделировании любой функциональной и медикаментозной пробы. Анализ полученных результатов, в свою очередь, позволяет повысить достоверность картины обследований в целом.
В силу вышесказанного, в настоящее время особое значение приобретают задачи разработки и внедрения в клиническую практику современных средств мониторинга и автоматической детекции микроэмболии. Такие средства также должны отвечать всем требованиям эффективного мониторирования данных с их последующей обработкой.
На сегодня микроэмболия остается одной из наиболее частых причин смерти пациентов. Микроэмболы могут вызвать необъяснимое ухудшение состояния больного во время проведения анестезии при самых разных оперативных вмешательствах. Поэтому мониторинг эмболизации сосудов на базе транскраниальной доплерографии представляет одно из наиболее эффективных средств повышения качества и безопасности операций. Реализация алгоритма детекции микроэмболии в режиме реального времени является одной из самых сложных задач при создании специализированных медицинских комплексов и систем мониторинга кровотока [5].
Отделом программирования комплексных систем медицинской диагностики МАИ совместно с НПФ «БИОСС» (г. Зеленоград) в течение последних лет активно проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в направлении создания аппаратно-программных средств мониторинга мозгового и периферийного кровотока. В результате был создан ультразвуковой диагностический комплекс транскраниального мониторинга церебрального кровотока и автоматической детекции микроэмболии. Комплекс адаптирован на решение широкого круга задач мониторинга. В отличие от аналогичных зарубежных разработок фирм DWL (Германия) и EME Nicolet (США), рассматриваемый комплекс имеет развитые средства настройки пользовательского интерфейса, расширенный набор функций мониторинга и постпроцессорной обработки тренда и сигналов микроэмболов. Для режима анализа эмболии в системе предусмотрен широкий набор операций визуализации данных, прослушивания доплеровского аудио-сигнала, масштабирования и частотного анализа в окрестности сигнала. Система предоставляет пользователю также возможности экспорта данных в Excel и Word, ручного обсчета спектрограмм, архивирования данных мониторинга на внешние носители формата CD или DVD и поддержку сетевого обмена данными.
В состав аппаратной части комплекса входит переносной компьютер со встроенным модулем транскраниального доплера (рис. 1), набор ультразвуковых датчиков и головной шлем.
Программное обеспечение комплекса включает базу данных результатов обследований WinPatientExpert и модуль мониторинга Monitex.
Система функционирует в следующих режимах: регистрация пациента, настройка, мониторинг, постпроцессорная обработка и сохранение данных.
Регистрация пациента осуществляется после загрузки программного обеспечения комплекса и сводится к заполнению требуемых полей электронной карточки. Пример заполненной формы представлен на рисунке 2.
В режиме настройки мониторинга пользователь должен определить параметры мониторирования, к которым относятся количество каналов, тип регистрируемого тренда, предполагаемая продолжительность мониторинга, названия обследуемых сосудов и использование режима автоматической детекции микроэмболии. Для ввода этих параметров используется диалог, представленный на рисунке 3.
Система позволяет выполнять многоканальный мониторинг всех типов трендов (огибающей, скорости систолы, средней скорости, средневзвешенной скорости, пульсационного индекса, индекса сопротивления и др.), спектрограммы кровотока по каждому каналу, доплеровского аудио-сигнала и расчетных индексов доплера. Все данные строго синхронизированы по времени. Для этого используются абсолютная и относительная временные шкалы. Одновременно записываются все комментарии, расставленные врачом на тренде по ходу мониторинга.
Режим мониторинга предназначен для регистрации данных, отображения их пользователю и настройки аппаратной части комплекса транскраниального доплера. После установки датчиков и регулировки приборных настроек включается мониторинг (рис. 4) и система начинает регистрацию данных с одновременной записью на жесткий диск.
Максимальная продолжительность записи мониторинга составляет 5 часов. Программа автоматически контролирует наличие требуемых ресурсов системы и при необходимости выдает пользователю предупреждение.
В приборных окнах доплера автоматически рассчитываются и отображаются до 20 гемодинамических индексов кровотока в обследуемом сосуде. Реализована возможность настройки точности индикатора каждого из параметров и возможность его отключения.
В режиме мониторинга пользователю предоставлены возможности по включению/отключению записи спектрограммы кровотока, изменению типа регистрируемого тренда, установке комментария на тренде. Также доступен диалог диаграммы распределения мощности микроэмболов по каждому каналу (рис. 5). Диаграмма показывает в режиме реального времени количество микроэмболов и их мощность в децибелах по отношению к фоновой мощности кровотока.
В процессе мониторинга на тренде в месте детекции микроэмболического сигнала автоматически устанавливается метка «Эмбол» с указанием времени регистрации, номера канала и ее мощности (рис. 6).
Режим постпроцессорной обработки предназначен для просмотра данных мониторинга, их редактирования и ручного обсчета. Для удобства анализа исходного тренда в структуру пользовательского интерфейса включено окно масштабирования, которое отображает выделенный на тренде участок в развернутом временном масштабе, как показано на рисунке 7 (окно масштабирования тренда расположено снизу).
Позиционируя в окне масштабирования спектральное окно, пользователь управляет выводом спектрограммы для данного участка тренда в приборные окна доплера. Таким образом, пользователь получает гибкий инструмент для детализации всего объема синхронизированной информации при ее просмотре в любом месте тренда.
Для анализа информационного портрета микроэболических сигналов в системе предусмотрено два уровня детализации данных. На первом уровне выдается общая информация о количестве зарегистрированных эмболов по каждому каналу в виде диаграммы, представленной на рисунке 5. Диаграмма строится по выделенному на исходном тренде участку. Общее распределение мощности эмболов пользователь получает при визуальном анализе исходного тренда (рис. 8), где метками красного цвета обозначены эмболы.
На втором уровне детализации пользователь получает развернутую информацию о характеристиках зарегистрированного микроэмболического ультразвукового сигнала: аудиоданные из окрестности микроэмбола, кривую мгновенного значения мощности и порог детекции (рис. 9). Одновременно в окно доплера соответствующего канала, где был зарегистрирован эмбол, выводится спектрограмма.
Высокая сложность аппаратно-программной реализации режимов автоматической детекции эмболов и их дифференциации является потенциальным источником ложноположительных и ложноотрицательных срабатываний. Для повышения корректности полученных данных мониторинга в программе реализован режим обсервера, позволяющий удалить псевдоэмбол и установить метку «Эмбол» на тренде. Для этого используются средства прослушивания доплеровского аудио сигнала и просмотра спектрограммы кровотока.
Режим сохранения данных предназначен для записи на жесткий диск и архивирования на внешние носители всех данных мониторинга и результатов обработки с целью последующего анализа.
Отдел программирования комплексных систем медицинской диагностики МАИ совместно с НПФ БИОСС разработал измерительно-вычислительный ультразвуковой комплекс транскраниального мониторинга церебрального кровотока и автоматической детекции микроэмболии. Его применение позволяет повысить качество сердечно-сосудистых операций и значительно снизить риск послеоперационных осложнений.
Сегодня усилия сотрудников отдела программирования комплексных систем медицинской диагностики МАИ направлены на исследования двух основных проблем: дифференциации газовых и материальных микроэмболических сигналов и определения состава микроэмболического материала. Здесь также должны быть решены проблемы классификации микроэмболов по морфологическому составу и физическим характеристикам. Наиболее перспективным методом для решения поставленных задач является многоглубинная многочастотная детекция, для осуществления которой требуются как более мощная аппаратная поддержка, так и качественно новое программно-алгоритмические обеспечение.
Список литературы:
1. Brillman J. // Neurocardiology.- 1993.-Vol. 11.- P. 475-495.
2. Sotaniemi K.A.// Ann.Thorac.Surg.-1995.-Vol. 59.- P. 1336-1339.
3. Ю.Л. Шевченко и др. Кардиогенный и ангиогенный церебральный эмболический инсульт (физиологические механизмы и клинические проявления).- М.: ГЭОТАР – Медиа, 2006. -272 с.
4. Спенсер М. Транскраниальный допплерографический мониторинг и причины ишемического инсульта в связи с проведением каротидной эндартерэктомии // IV Int. Symp. on Transcranial Doppler and Electrophysiological monitoring. Scientific reports.- СПб., 1997.- С. 127-132.
5. Адаскин А.В., Павлова Н.В., Сергейчик В.В. Программно-алгоритмическое обеспечение для определения жировой микроэмболии в кровотоке // Труды XV Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, г. Алушта, 2006 г.» - М.: Издательство МИФИ, 2006.