СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ КРОВОТОКА Российский патент 2016 года по МПК A61B8/06 

Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике, нейрохирургии и неврологии и может быть использовано для вычисления скорости кровотока в сосудах, имеющих прямолинейный участок не менее 1,5 см. При традиционном способе проведения допплерографии невозможно измерить угол локации сегмента сосуда, поэтому измеренная скорость кровотока всегда меньше реальной.

Известен широко применяемый в медицине метод определения скорости кровотока, в основе которого лежит эффект Допплера, заключающийся в регистрации изменения частоты отраженного ультразвука от движущегося объекта. На основании изменения частоты рассчитывается скорость источника отраженного сигнала. В случае с измерением скорости кровотока «движущимся объектом» являются форменные элементы крови.

В качестве аналогов необходимо рассмотреть способ исследования функции сердца методом допплерографии, предложенный Satomura S. [2] в 1957 году, и способ измерения скорости кровотока в интракраниальных артериях методом допплерографии, предложенный Aaslid R. [4] в 1982 году. Satomura S. [2] использовал не только допплерографию, но и проводил исследования, сочетая допплерографию, электрокардиографию и фонокардиографию. Исследования сердца и сосудов проводились постоянно-волновым допплером. Однако такой режим допплерографии не пригоден для транскраниальных исследований. Способ транскраниальных исследований, предложенный Aaslid R. [4], заключается в локации интракраниальных сосудов через ультразвуковые окна: височное, орбитальное, затылочное. Общий недостаток этих методов заключается в невозможности выяснить угол пространственной взаимной ориентации вектора скорости и вектора зондирующего УЗ луча. Это приводит к появлению погрешности, которая возрастает с увеличением угла локации.

Аналог предлагаемого изобретения описан в патенте США № US 5390677 А [6]. В патенте описан способ измерения скорости кровотока с учетом осевой и поперечной составляющих, причем локация проводится из одной точки. Осевую скорость измеряют методом допплерографии, а поперечный переток крови - методом «хронометрии», путем измерения времени перетока крови, по ширине ультразвукового луча. Недостатками способа являются сочетание различных методов для измерения скорости, которые имеют разную точность, что приводит к методическим погрешностям. Кроме этого, использование метода ограничено участками сосудов с ламинарным током крови, данное условие значительно сужает границы применимости.

За прототип принято изобретение, описанное в патенте РФ №2246896: «Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации». Способ осуществляют путем ультразвуковой допплеровской локации кровотока, на выбранном участке сердечно-сосудистой системы, не менее чем тремя некомпланарными зондирующими ультразвуковыми лучами (УЗ-лучами), установленными под углами в диапазоне от 0 до ±80°. Измеряют углы ориентации выбранного участка кровотока относительно ультразвуковых лучей и допплеровские сдвиги частот по каждому каналу измерения, и вычисляют скорость кровотока с учетом поправки на угол локации. Устройство содержит измерительный блок с ультразвуковыми датчиками и электронный блок. Измерительный блок выполнен в виде браслета с подвижными шарнирами и возможностью измерения углов боковых секций относительно центральной секции и друг друга. Датчики соединены через коммутатор с электронным блоком. Использование изобретения позволяет повысить точность измерения скорости кровотока за счет учета угловой ориентации датчиков относительно исследуемого сосуда. Недостатками данного изобретения являются сложность и трудоемкость в использовании ввиду необходимости настройки и подгонки углов фиксации датчиков под каждую обследуемую область, и настройки глубин локации для каждого датчика отдельно. В данном изобретении использован принцип многоточечной (трехточечной) локации, что также является недостатком, потому что многоточечная локация применима не во всех случаях из-за особенностей анатомии.

Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении точности измерения скорости кровотока в сосуде. Основой решения данной задачи является разработка способа учета поправки на угол локации кровеносных сосудов.

Истинная скорость кровотока вычисляется по следующей известной формуле:

, где

u_ист - истинная скорость кровотока;

u_изм - измеренная скорость кровотока;

cos α - косинус угла между осью сосуда и ультразвуковой волной.

Для вычисления истинной скорости кровотока необходимо определить угол локации α.

Поставленная задача решена за счет того, что использован способ измерения скорости кровотока методом допплерографии, отличающийся тем, что измерение проводится на двух глубинах из одной точки, на прямолинейном участке сосуда длиной не менее 1,5 см, причем разница в глубинах измерения составляет не менее 10 мм, контрольный объем локации составляет 50% от разницы глубин локации, но не более 10 мм, полученные скорости кровотока (см/с) и глубины локации (в см) подставляются в формулу, по которой производится расчет истинной скорости кровотока:

где u_d - измеренная скорость в точке D, в см/с,

u_c - измеренная скорость в точке С, в см/с,

с, d - глубины локации, в см,

Фиг №1.

Условно обозначим:

А - точка расположения датчика,

с, d - глубины локации,

С - точка измерения скорости на глубине с,

D - точка измерения скорости на глубине d,

CD - прямолинейный отрезок сосуда,

u_c - скорость в точке С

_ud - скорость в точке D

α, β - углы локации сосуда.

а - перпендикуляр из точки А к прямой, содержащей отрезок CD,

Способ предполагает использование только трех определенных точек: А - точка расположения датчика, С и D - точки измерения скорости в кровеносном сосуде (далее сосуде).

Учитывая что, через три произвольные точки в пространстве, не лежащие на одной прямой, можно провести только одну плоскость, далее все расчеты проводятся по правилам плоских прямоугольных треугольников.

Истинная скорость кровотока в точках С и D будет одинакова, измеренная будет отличаться за счет разного угла локации.

Исходя из равенств, выводим соотношение:

Так как скорости кровотока в точках С и D измеряем при исследовании (т.е. они нам известны), то введем следующее обозначение

тогда:

Рассмотрим ΔАСВ. Получаем

Рассмотрим ΔADB. Получаем

С учетом (4) и (5) получаем:

Так как глубины локации c u d известны, то введем следующее обозначение

С учетом (4) и (8) составляем систему из двух уравнений с двумя переменными

Так как: sin²α+cos²α=1, sin²β+cos²β=1,

то получаем:

, .

Для удобства введем следующие обозначения

Система (9) примет следующий вид

.

Второе уравнение системы (10) возведем в квадрат и получим равносильную систему

Из первого уравнения системы (13) получаем

и делаем подстановку (14) во второе уравнение системы (13), получаем уравнение

.

Решаем полученное уравнение

1-λ²y²=µ²(1-y²),

1-λ²y²=µ²-µ²y²,

1-µ=y²(λ²-µ²),

,

С учетом (12) получаем

Из выражений (10) и (11) получаем

Подставляя полученные значения косинусов углов локации в уравнение,

С учетом подстановок (3) и (8), получаем уравнение истинной скорости

Способ осуществляют путем локации сосуда под углом не более 60°, с учетом анатомических особенностей расположения сосуда, задается глубина локации (с - на Фиг. №1) и контрольный объем, далее необходимо добиться устойчивого допплеровского спектра, остановить и сохранить запись, или внести в протокол глубину локации и соответствующую ей скорость. Затем, не меняя точку расположения датчика, уменьшаем глубину локации (d на Фиг. №1) датчика не менее чем на 10 мм (25% от первоначальной глубины), и, изменяя угол, находим положение датчика, которое позволяет получить устойчивый допплеровский спектр, останавливаем локацию, сохраняем или записываем данные скорости и глубины локации. Данное ограничение необходимо для того, чтобы исключить наложение контрольного объема первой локации на контрольный объем второй локации. Это позволяет увеличить точность измерения.

Основным отличием данного способа от существующих является локация одного и того же сосуда на разных глубинах из одной точки, в зоне локации сосуд должен иметь прямолинейный участок длиной не менее 1,5 см.

Проведена клиническая апробация данного изобретения, в частности способ отработан и оптимизирован для применения в транскраниальных исследованиях для измерения скорости кровотока в сегменте M1 средней мозговой артерии (СМА).

Было проанализировано 30 ангиограмм, выполненных на мильтиспиральном компьютерном томографе, в MIP (Maximal Intensity Projection) и 3D режимах. Измерены: расстояние от бифуркации внутренней сонной артерии (ВСА) до заднего височного окна, длина сегмента M1 СМА, среднее значение угла локации сегмента M1 СМА.

Минимальная толщина височной кости наблюдается на расстоянии 1.5 см от наружного слухового хода кпереди и на 1 см выше скуловой дуги. Локация через эту точку наиболее проста, за счет хорошей ультразвуковой прозрачности. Данная точка соответствует заднему височному окну.

Средняя арифметическая длина сегмента M1 средней мозговой артерии слева 18.7±1.34 мм, коэффициент вариации 29.69%.

Средняя арифметическая длина сегмента M1 средней мозговой артерии справа 19.05±1.41 мм, коэффициент вариации 29.9%. Различия статистически не значимы (Р<0.05). Среднее расстояние от бифуркации ВСА до заднего височного окна справа 62.16±0.62 мм, слева 63.47±0.77 мм.

Авторы рекомендуют [1] проводить исследование на глубине 50 мм. В этом случае, на основе проанализированных ангиограмм, при локации через заднее височное окно средний угол локации составляет слева 36.06±2.2°, справа 35.78±2.15°. Поэтому, если добиваться точности в измерении скорости кровотока, поправку на угол нужно учитывать. На Фиг. №3 продемонстрирована межполушарная асимметрия углов отхождения M1 сегмента СМА. Угол АСВ слева 42°, справа угол АСВ 24°. Данное наблюдение подтверждает необходимость вычисления угла локации с каждой стороны.

Для апробации был принят следующий протокол. Исследование проводилось из заднего височного окна, в импульсно-волновом режиме, на глубине 55-60 и 45-50 мм, измерялись скорости кровотока на двух глубинах локации. Вычислялись углы локации с обеих сторон, полученные значения сравнивались с ангиограммами в MIP режиме, на которые наносилась ось локации и измерялся угол между сегментом M1 и осью локации. Измерение проводилось с помощью инструментов, имеющихся на рабочей станции компьютерного томографа.

Клинический случай №1.

На Фиг. №2 представлена ангиограмма пациента с подозрением на субарахноидальное кровоизлияние. При поступлении проведена КТ-ангиография. На 2-й день проведена двухглубинная ТКДГ и вычислены углы локации слева АСВ=20°, ADB=26°; справа АСВ=20°, ADB=27°. Углы, измеренные по КТ-ангиографии: слева АСВ=19°, ADB=24,°; справа АСВ=18°, ADB=24°.

Клинический случай №2.

На Фиг. №3 представлена ангиограмма пациента с субарахноидальным кровоизлиянием. Проведена КТ-ангиография и ТКДГ. По данным КТ измеренные углы составили справа ACD=24°, ADB=29°; слева ACD=40°, ADB=46°. Углы, измеренные по КТ-ангиографии: справа АСВ=21°, ADB=26,°; справа АСВ=38°, ADB=42°.

Разница в углах, вычисленных и измеренных, не превышала 5°.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет измерять скорость кровотока в сосуде с помощью допплерографа с учетом поправки на угол его локации, кроме этого исследование проводится из одной точки, что упрощает практическое применение данного способа в медицине.

Использованная литература

1. Гайдар Б.В. и др. Транскраниальная допплерография в нейрохирургии. - СПб.: Элби, 2008. - 281 с.

2. S. Satomura, Ultrasonic Doppler Method for the Inspection of Cardiac Functions, J. Accoust. Soc. Amer. 29 (1957), 1181-1185.

3. Aaslid R., Markwalder T.M., Nornes H. Noninvasive transcranial Doppler ultrasound of flow velocity in basal cerebral arteries // J. Neurosurgery. - 1982. - V. 57. - №6. P. 769-774.

4. Куперберг Е.Б. Ультразвуковая допплерография в ангиохирургии цереброваскулярных заболеваний // Ультразвуковая допплеровская диагностика сосудистых заболеваний/Под ред. Ю.М. Никитина, А.И. Труханова. - М.: Видар, 1998. - С. 163-189.

5. Патент РФ №2246896. Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации.

6. Патент США № US 5390677 А. Способ оценки и визуализации реальной трехмерной величины скорости кровотока.

Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике. Выполняют измерение скорости кровотока методом допплерографии. При этом измерение проводится на двух глубинах из одной точки, на прямолинейном участке сосуда длиной не менее 1,5 см, причем разница в глубинах измерения составляет не менее 10 мм. Контрольный объем локации составляет 50% от разницы глубин локации, но не более 10 мм, полученные скорости кровотока (в см/с) и глубины локации (в см) подставляют в формулу, по которой производится расчет истинной скорости кровотока. Способ позволяет с высокой точностью измерить скорость кровотока в сосуде с учетом угла его локации. 2 пр., 3 ил.

Способ измерения скорости кровотока методом допплерографии, отличающийся тем, что измерение проводится на двух глубинах из одной точки, на прямолинейном участке сосуда длиной не менее 1,5 см, причем разница в глубинах измерения составляет не менее 10 мм, контрольный объем локации составляет 50% от разницы глубин локации, но не более 10 мм, полученные скорости кровотока (см/с) и глубины локации (в см) подставляются в формулу, по которой производится расчет истинной скорости кровотока:

где:
υ_ист - истинная скорость кровотока, в см/с,
υ_d - измеренная скорость в точке D, в см/с,
υ_c - измеренная скорость в точке С, в см/с,
с, d - глубины локации, в см.