Способ диагностики наполненности мочевого пузыря - RU2619752C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области медицины и биофизики, может быть использовано в нефрологии для оценки наполненности, сократительной способности, а также гиперактивности мочевого пузыря.

Известен способ индикации уровня наполненности мочевого пузыря (МП) на основе частоты колебаний МП (см. патент на изобретение US2013289446 (A1) - Bladder Fullness Level Indication Based on Bladder Oscillation Frequency, МПК A61B5/00; A61B5/11; A61B5/20; A61B7/00; A61N1/05; A61N1/36). Данная система диагностики включает имплантируемый датчик, который может регистрировать механические колебания от МП, которые происходят в процессе наполнения МП. Уровень полноты МП пациента может быть определен на основе частоты механических колебаний в МП пациента. Мочевой пузырь может механически колебаться в ответ на возникновение не связанных с выпуском мочи сокращений МП пациента. Частота, при которой мочевой пузырь колеблется, может иметь корреляцию с уровнем полноты мочевого пузыря. В некоторых примерах медицинское устройство может быть сконфигурировано для управления подачей электрической стимуляции терапии пациента на основе частоты колебаний в мочевом пузыре. Кроме того, чтобы контролировать терапию на основе частоты колебаний пузыря, уведомления пациента могут быть сгенерированы (например, автоматически процессором устройства) на основе частоты колебаний МП. Недостатком данного метода является инвазивность данного метода диагностики, включающей имплантацию устройства в тело пациента.

Известно устройство контроля для предотвращения недержания мочи, которое основано на измерении электрического импеданса МП, который регистрирует как объем мочи, так и степень сжатия и расширения МП, связанную с дыханием. Оно включает в себя пару крепящихся на поверхности тела электродов, которые подают высокочастотный переменный ток, и пару электродов-датчиков, расположенных также на коже в области МП (между источниками), которые регистрируют изменение импеданса между ними (см. патент на изобретение US5103835 (A) – Impedance monitoring device for preventing urinary incontinencе. МПК A61B5/20; A61F5/37; A61F5/44; A61F5/48; A61N1/36). Недостаток данного устройства заключается в том, что оно чувствительно к помехам, которые возникают при перемещениях. Оно требует дополнительно калибровки для вертикального положения.

Известен способ измерения уровня наполненности МП с помощью системы, регистрирующей сопротивление МП между двумя электродами, которые имплантированы в соответствующих местах вблизи стенки мочевого пузыря, расположенными напротив друг друга по отношению к центру пузыря. По крайней мере, один из электродов получает электрический сигнал, излучаемый другим электродом, таким образом измеряя импеданс (см. патент на изобретение US2007100387 (А1) - Impedance-based bladdersensing, МПК A61N1/32). Недостатком данного способа является его инвазивность, которая повышает риск возникновения воспалительных процессов как в областях провреждения кожного покрова, так и в области имплантации электродов.

Прототипом заявляемого способа является способ и устройство для контроля уровня наполнения МП у пациента, основанный на измерении импеданса, как минимум, между двумя парами электродов, расположенными на поверхности тела пациента вокруг МП. При этом переменное напряжение подается хотя бы на один из электродов в паре. Таким образом измеряется объем МП путем измерения изменений импеданса между электродами(см. патент на изобретение WO2013013782 (A2) - METHOD AND DEVICE FOR MONITORING THE FILLING LEVEL OF THE BLADDER OF A PATIENT, МПК A61B5/053; A61B5/20). Данный метод частично инвазивен, так как требует введения, по крайней мере, одного электрода внутрь тела человека в брюшную полость. Недостатком способа является его чувствительность к движению человека во время исследования: пациент должен находиться в неподвижном положении во время исследования. Также неудобства могут быть причинены пациенту во время проведения процедуры из-за необходимости ввода электрода внутрь тела.

Задачей заявляемого способа является неинвазивное исследование биопотенциалов мочевого пузыря (МП) в зависимости от его наполненности.

Технический результат заключается в упрощении способа диагностики МП благодаря отсутствию необходимости измерять биопотенциалы МП инвазивно со стенок МП, снижению помех и улучшению точности измерения с помощью фильтрации электрокардиографического сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что в ходе исследования испытуемого располагали в удобное положение на стул, накладывали три электрода отведений электроэнцефалографа на кожу в области мочевого пузыря (МП). Для данного исследования использовались электроды электрокардиографа грудных отведений. Один из электродов являлся индифферентным. Таким образом получали два отведения для регистрации миоволн (биопотенциалов) мочевого пузыря. Одновременно проводили запись сигнала одного электрокардиографического отведения. Фоновую запись проводили в течение 20 мин до нагрузочной водно-питьевой пробы. Затем давали нагрузочную водно-питьевую пробу в виде 350 мл теплой воды (температура около 36ºС) и снова производили запись сигнала с отведений в течение 20 мин.

Описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1, где представлена схема экспериментального осуществления заявляемого способа, цифрами обозначены:

1 – испытуемый;

2, 3, 4 – электроды электрокардиограммы (ЭКГ);

5, 6, 7 – электроды на области МП;

8 – электроэнцефалограф;

9 – ПК.

На фиг.2 изображена зависимость средней амплитуды от времени для частот 0,7 Гц; 1,5 Гц; 1,7 Гц, по оси абсцисс отложено время Т в минутах, по оси ординат – амплитуда А в мкВ, цифрами обозначены:

10 – нагрузка, среднее;

11 – фон, среднее;

12 – полиномиальная аппроксимация средних значений, полученных после функциональной нагрузки;

13 – полиномиальная аппроксимация средних значений, полученных в фоновой записи.

Фиг. 3 - представляет зависимость стандартных отклонений от времени для фоновой записи и после функциональной пробы, по оси абсцисс отложено время Т в минутах, по оси ординат – величина среднеквадратичного отклонения Х в мкВ, цифрами обозначены:

14 – значения стандартного отклонения для фона;

15 – значения стандартного отклонения после функциональной нагрузки.

Осуществление способа

В ходе исследования производят регистрацию биоэлектрической активности мочевого пузыря неинвазивым способом при помощи электроэнцефалографа 8, например 21-канальный компьютерный электроэнцефалограф «Нейрон-Спектр-4» фирмы «Нейрософт», подключенного к компьютеру с пакетами программ MS Excel и Mathcad 14, схема подключения электроэнцефалографа 8 к испытуемому представлена на фиг. 1. Следует отметить, что вместо электроэнцефалографа можно использовать любой другой усилитель биопотенциалов, а электроэнцефалограф был выбран вследствие своей высокой чувствительности.

В ходе исследования испытуемого 1 располагают в удобное положение на стул.

Накладывают три электрода 5, 6, 7, выполненные в виде присосок (http://www.medrk.ru/shop/index.php?id_group=78&id_subgroup=182&id_goods=20561), на кожу испытуемого в области мочевого пузыря (МП). Электроды располагают вдоль горизонтальной прямой, причем электрод 5, расположенный в центре, является индифферентным, он является электродом сравнения для измерения разности потенциалов. Крайние электроды 6, 7 вместе с индифферентным формируют два отведения для регистрации миоволн (биопотенциалов) мочевого пузыря.

Подключение к электроэнцефалографу 8 осуществляется следующим образом: индифферентный электрод 5 подключается к гнезду ушного электрода (например, А2 для «Нейрон-Спектр-4»), а остальные 6, 7 подключаются к гнездам, соответствующим тому же полушарию, что и ушной электрод (например, F8 и Т4 для «Нейрон-Спектр-4»).

Накладывают три электрода-прищепки 2, 3, 4, выполненные в виде зажимов (http://www.medrk.ru/shop/index.php?id_group=78&id_subgroup=182&id_goods=17382), на запястья обеих рук и щиколотку правой ноги. Электрод на правой ноге 4 используется как заземление для устойчивости сигнала ЭКГ, электроды на запястьях 2, 3 предназначены для измерения разности потенциалов, они и формируют, собственно, сигнал ЭКГ первого стандартного отведения.

Подключение к электроэнцефалографу 8 осуществляется следующим образом: ножной электрод 4 подключается к гнезду заземления электроэнцефалографа, электрод 3 подключается к гнезду ушного электрода (например, А1 для «Нейрон-Спектр-4»), а электрод 2 к любому из гнезд, соответствующим полушарию того гнезда ушного электрода, к которому подключили электрод 3. Таким образом, получаем, что электроды для регистрации биопотенциалом МП подключены к гнездам электроэнцефалографа, соответствующим правому полушарию головного мозга, а электроды для регистрации ЭКГ – к левому. Также возможны варианты подключения электродов от МП к левому, а ЭКГ – к правому, или и электроды МП, и электроды ЭКГ подключены к одному и тому же полушарию.

Проводят запись сигналами волн (биопотенциалов) мочевого пузыря между 6 и 5, 7 и 5 электродами.

Проводят запись сигнала ЭКГ первого стандартного электрокардиографического отведения (между левой (3) и правой руками (2), заземление на правой ноге (4)). Отведение – это определенная позиция двух регистрирующих электродов, между которыми измеряется разность биопотенциалов.

Фоновую запись сигналов проводят в течение 20 мин. Полученные сигналы ЭКГ и биопотенциалов МП подвергают математической обработке с помощью ПК 5, в которую входит разбиение на файлы, включающие данные по одной минуте, нормировка (приведение в состояние от 0 до 1) с помощью средств программы MS Excel и построение спектров участков методом Фурье для каждой минуты в среде математического пакета Mathcad 14. Спектры сигналов с отведений от МП 6 и 5, 7 и 5 фильтровали от сигнала ЭКГ (делят спектр отведения МП на спектр отведения ЭКГ) в MS Excel. Выделяются наиболее характерные гармоники из низкочастотной области спектра (0,5-2 Гц). Для этой цели были выбраны частоты 0,7, 1,5 и 1,7 Гц, у которых амплитуда наиболее явно изменялась от спектра к спектру. Затем строят временные зависимости амплитуд наиболее характерных гармоник фильтрованных спектров.

Затем проводят нагрузочную водно-питьевую пробу в виде 350 мл теплой воды (температура около 36ºС) и вновь производят запись сигналов от МП и ЭКГ с отведений в течение 20 мин. Аналогично строят временные зависимости амплитуд наиболее характерных гармоник фильтрованных спектров после нагрузочной пробы.

На следующем этапе обработки сигналов производится сравнение поведения выбранных гармоник до и после нагрузочной водно-питьевой пробы. Результаты подобной обработки представлены на фиг.2, где изображена зависимость средней амплитуды от времени для частот 0,7 Гц; 1,5 Гц; 1,7 Гц, и фиг.3, где представлена зависимость стандартных отклонений от времени для фоновой записи и после функциональной пробы.

В результате получается динамика изменения наиболее характерных гармоник из спектра сигнала МП, по которой можно судить о степени наполняемости МП.

Теоретическое обоснование способа

Данный способ является неинвазивным и абсолютно безболезненным, он регистрирует биопотенциалы с поверхности кожи в области нахождения МП.

В процессе построения спектров сигналов с отведений было выявлено, что наибольшая активность наблюдается в низкочастотном диапазоне от 0 до 2 Гц. По результатам анализа спектров фона для одного и того же времени (в покое и при нагрузке) было установлено, что коэффициент корреляции чуть больше 0,8, то есть существует некоторая степень линейной зависимости между данными спектрами, следовательно, они схожи. Поэтому были выбраны три частоты в диапазоне 0,5–2 Гц, у которых наиболее четко прослеживалась динамика изменения амплитуды от времени. Для них также проводился корреляционный анализ (с помощью программы STATISTICA 10) в сравнении фон-нагрузка. В результате установлен коэффициент корреляции ≈0,2 для каждой частоты. Следовательно, эти частоты можно использовать для сравнения и анализа биоэлектрической активности мочевого пузыря. Причем для гармоник с наиболее высокой амплитудой (0,7 Гц, 1,5 Гц, 1,7 Гц) характерен схожий характер увеличения или уменьшения амплитуды во времени, а также изменение ее с периодичностью 4-6 мин.

Из фиг. 2, на которой представлена зависимость средних значений амплитуд выбранных трех частот от времени, видно увеличение активности на частотах 0,7 Гц, 1,5 Гц, 1,7 Гц с 10-й минуты после нагрузочной пробы (данные были подтверждены на 5 испытуемых). Из фиг. 3 можно сделать общий вывод о том, как изменялась дисперсия среднего значения гармоник (амплитуды биопотенциалов стенок мочевого пузыря) во времени: для некоторых значений времени отличие дисперсии при функциональной нагрузке и фоновой записи >30%. Достоверность полученных данных превышает 95% (уровень значимости р=0,03). Он был посчитан методом Стьюдента в программе STATISTICA 10.

Из полученных результатов следует, что в спектре биопотенциалов стенок МП – в случае функциональной водно-питьевой пробы наблюдается увеличение активности биопотенциалов стенок МП после десятой минуты регистрации. Отметим, что этот вывод получен при данных условиях исследований (объем воды ее температура). Известно, что время всасывания воды в организме человека зависит не только от химического состава воды и психофункционального состояния организма, но и от температуры воды (Горемыкин В.И., Усанов Д.А., Просова Е.Е. и соавт. Устройство для коррекции нарушений уродинамики верхних мочевых путей у детей с хроническим пиелонефритом// Медицинская техника, 2014, № 4, С. 1–4).

Можно отметить также, что при функциональной нагрузке (водно-питьевой пробе) изменяется характер динамики выбранных гармоник: в фоновой записи гармоники ведут себя практически одинаково во времени, а после питьевой пробы наблюдается большее изменение в амплитудах гармоник с течением времени, причем периодическое с интервалом около 12 мин (фиг. 2). Одним из главных результатов данного способа является обнаружение нескольких частот из интервала 0,5-2 Гц (0,7 Гц, 1,5 Гц, 1,7 Гц), на которых можно увидеть динамику стенок МП, подтвержденной в серии случаев с достаточной достоверностью, вытекающей из корреляционного анализа данных гармоник.

Таким образом, с помощью заявляемого способа была выявлена общая закономерность в изменении биоэлектрической активности МП, что может быть основой при диагностике степени наполненности МП и сократительной способности МП.

Примеры применения

Были проведены исследования по зависимости биопотенциалов стенки МП от степени его наполненности у нескольких пациентов. Была проведена регистрация биопотенциалов МП и построение фильтрованных спектров данных сигналов до и после нагрузочной водно-питьевой пробы. После водно-питьевой пробы была выявлена общая динамика в изменении активности определенных частот 0,7 Гц, 1,5 Гц, 1,7 Гц из диапазона наибольшей активности в спектре сигнала. Отклонения от среднего амплитуд данных гармоник увеличивались с течением времени, что совпадало с ощущением наполнения МП у испытуемых. Данные частоты показывали общую закономерность как в нескольких экспериментах с одним испытуемым, так и в результатах, полученных при исследовании других испытуемых. Результаты применения данного способа показали возможность определения степени наполненности МП по увеличивающимся амплитудам гармоник спектра сигнала с ЭЭГ. Достоверность данных по выбранным частотам более 95% (уровень значимости р=0,03).

Реферат

Изобретение относится к медицине и нефрологии и может быть использовано для определения наполненности мочевого пузыря. Накладывают электроды на кожу в области нахождения мочевого пузыря. Подключают их к усилителю биопотенциалов для получения двух отведений, с помощью которых измеряют сигналы биоэлектрической активности стенок мочевого пузыря. Одновременно производят регистрацию электрокардиограммы для фильтрации сигнала. Математически обрабатывают полученные сигналы путем нормировки и построения спектров сигналов мочевого пузыря и электрокардиограммы методом Фурье. Осуществляют фильтрацию сигнала мочевого пузыря от сигнала электрокардиограммы путем деления спектра сигнала мочевого пузыря на спектр сигнала электрокардиограммы. Выделяют характерные частоты спектров из диапазона наибольшей активности 0,7 Гц, 1,5 Гц, 1,7 Гц. Указанные измерения осуществляют дважды - до и после водно-питьевой нагрузки. Сравнивают амплитуды характерных частот и по их увеличению судят о степени наполненности мочевого пузыря. Способ позволяет точно, просто и неинвазивно определить наполненность мочевого пузыря за счет одновременной регистрации биоэлектрической активности стенок мочевого пузыря и электрокардиограммы с последующей фильтрацией сигнала мочевого пузыря от сигнала электрокардиограммы. 3 ил.

Формула