Смещение грудной клетки: Деформация грудной клетки у детей и подростков

Деформация грудной клетки – статьи о здоровье

10.11.2022

Деформации грудной клетки у детей – врожденное или рано приобретенное искривление грудины и сочленяющихся с ней ребер. Деформации грудной клетки у детей проявляются видимым косметическим дефектом, нарушениями со стороны деятельности дыхательной и сердечно-сосудистой систем (одышкой, частыми респираторными заболеваниями, быстрой утомляемостью).

Причины

Большинство деформаций грудной клетки у детей являются генетической патологией. Иными словами, в генах уже есть программа, запускающая неправильные рост и развитие хрящей грудной клетки. Достаточно часто родители склонны винить себя в появлении у малыша каких-либо деформаций. Но, в основном своем большинстве, деформация грудной клетки —  это генетический врожденный порок, который, к счастью, возможно скорректировать.

Если деформация врожденная, то в таких ситуациях форма передней части грудной клетки изменена. Такие нарушения сопровождаются недоразвитием ребер или их отсутствием, недоразвитием мышц и грудины.

К причинам возникновения приобретенных деформаций относят различные заболевания (рахит,  сколиоз, хронические заболевания легких, туберкулез костей), травмы, ожоги, возникающие в области грудной клетки.

При нарушении формирования костных структур могут возникать самые тяжелые формы деформаций.

Симптомы

Внешние изменения. В большинстве случаев (92% от всех врожденных деформаций) у детей встречается воронкообразная патология грудины, которая характеризуется неполноценным развитием реберных хрящей, в результате чего образуется углубление в нижней или средней зоне груди. Грудина значительно увеличена в поперечном направлении.

По мере роста и формирования детского организма недуг приобретает более выраженный характер. По мере роста ребер явно уменьшается полость грудной клетки, что, в свою очередь, необратимо приводит к искривлению позвоночника и нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы и легких.

У новорожденных малышей данная патология имеет слабо выраженный характер и приобретает более выраженную степень в трехлетнем возрасте. При вдохе отмечают периодическое западание ребер, и усиливается парадоксальное дыхание, которое приводит к развитию дыхательной недостаточности.

По сравнению со сверстниками, дети отстают в своем физическом развитии, подвержены простудным заболеваниям и вегетативным расстройствам, быстро устают при занятиях спортом или физической активности.

В случае деформации верхнего или среднего отдела грудной клетки отмечается ладьевидное углубление, при котором могут нарушаться двигательные функции.

Диагностика

Развитие деформации легко определяется специалистом по многим внешним признакам.

Инструментальная диагностика включает такие способы, как рентгенография, которая позволяет выявить вид патологии и степень ее развития.

Посредством компьютерной томографии выявляются костные дефекты, сдавливание легких, смещение средостения, а также степень развития заболевания.

А при помощи магнитно-резонансной томографии можно получить обширную информацию относительно отклонений в мягких и костных тканях.

Если есть подозрение на нарушение в работе легких и сердца, тогда проводится эхокардиография, сердечный мониторинг способом Холтера, рентген легких и другие исследования.

Лечение

Лечение деформации грудной клетки у ребенка проводится под строгим контролем со стороны ортопеда. Килевидная патология грудины не требует специфической терапии, поскольку она не мешает полноценной работе внутренних органов. В этом случае у детей может наблюдаться только небольшая утомляемость и одышка. Дефект несложно устранить торакопластикой.

Консервативная терапия проводится при впалой грудной клетке. Курс лечения полностью зависит от степени западения грудины. 1 и 2 степень требуют проведения лечебной гимнастики, при этом упор делается на грудину: пациент учится отжиматься, разводить гантели в стороны, подтягиваться. Также ребенку показано заниматься такими видами спорта, как гребля и волейбол — нагрузки, полученные в результате этих упражнений, препятствуют дальнейшему западению грудины. Результат дает и качественный массаж.

В тяжелых случаях назначается хирургическая операция, но проводить ее можно не ранее достижения ребенком 7 лет. Дело в том, что в этом возрасте патология перестает формироваться. Во время операции врач делает надрез в грудной клетке ребенка и вставляет туда магнитную пластину. После операции снаружи на грудную клетку надевается специальный пояс с магнитом. Они начинают притягиваться друг к другу, происходит постепенный лечебный эффект — обычно впалая грудь изменяется через 2 года ношения магнитных пластин.

Если дефект грудной клетки обусловлен наследственностью, то первоначально ребенок обследуется на возможные патологии, которые могли вызвать данную деформацию, а затем проводится лечение — консервативное или хирургическое, в зависимости от первопричины заболевания.

Деформация грудной клетки — симптомы, причины и методы лечения в «СМ-Клиника»

Лечением данного заболевания занимается Травматолог-ортопед

• Что это такое?
• О заболевании
• Виды деформации грудной клетки и стадии
• Симптомы деформации грудной клетки
• Причины деформации грудной клетки
• Диагностика деформации грудной клетки
• Мнение эксперта
• Лечение деформации грудной клетки
• Хирургическое лечение
• Профилактика
• Реабилитация
• Вопрос-ответ

О заболевании

Воронкообразная деформация груди является самым распространенным вариантом искривления. В детском и подростковом возрасте частота этой патологии составляет около 3%. В группе риска находятся мальчики, у которых заболевание встречается в 5 раз чаще.

Все деформации груди условно делятся на часто встречающиеся, куда отнесены воронкообразное (ВДГК) и килевидное искривление, а также редко встречающиеся типы. К последней категории относится синдром Поланда, расщепление грудины врожденного характера и синдром Куррарино–Сильвермана.

Диагностика деформации грудной клетки базируется на результатах объективного и пальпаторного обследования, рентгенографии, компьютерного или магнитно-резонансного томографического сканирования. Лечебная программа составляется персонифицированно для каждого пациента с учетом аномалии развития, возможных осложнений и стадии патологического процесса. Однако радикальное исправление неправильной формы грудной клетки у детей, девушек, юношей и взрослых возможно только оперативным путем.

Виды деформации грудной клетки и стадии

Согласно принятой классификации, воронкообразный вид деформации грудной клетки принято делить на 3 степени, которые дифференцируются между собой на основании показателя Гижицкой. Последний представляет отношение минимального размера грудной полости к максимальному (в передне-заднем направлении).

• Легкая степень – индекс более 0,7.
• Умеренная степень – индекс в диапазоне 0,5-0,7.
• Тяжелая степень – показатель свыше 0,7.

Симптомы деформации грудной клетки

Симптомы деформации грудной клетки определяются видом имеющейся патологии.

ВДГК является самым частым вариантом. Для этой аномалии характерно вдавление грудинной кости внутрь грудной полости, что обусловлено изменением строения грудинно-реберного компартмента. Причины развития этой патологии окончательно не верифицированы. Считается, что аномалия развивается вследствие асинхронности роста костно-хрящевых структур грудной полости.

В зависимости от тяжести заболевания пациенты могут сообщать о болезненных ощущениях в области передней и левой окологрудинной линии, одышке при нагрузке и о снижении сердечно-легочной выносливости, все это можно исправить с помощью операции. Сердечная оценка важна по нескольким причинам, включая тот факт, что у части пациентов может быть аномально расположено или частично сжато сердце из-за деформации. В редких случаях ВДГК может быть проявлением наследственного синдрома Марфана.

При килевидном искривлении грудной клетки грудина патологически выдается вперед, причем деформация может быть как симметричного, так и асимметричного типа. Этот порок развития не представляет опасности для внутренних органов и доставляет пациенту только косметический недостаток.

Синдром Поланда связан с недостаточным внутриутробным развитием большой и малой мышцы груди, недоразвитием или отсутствием 1 или нескольких ребер. Чаще всего поражения локализованы на правой стороне.

Расщелина грудинной кости врожденного характера обычно затрагивает верхний сегмент. Эта аномалия развития не только ассоциирована со значимым косметическим недостатком, но и с непосредственными медицинскими рисками. В норме грудина защищает сердце и отходящие от него сосуды от механического сдавления. При данном аномалии они не имеют протекции, поэтому могут легко травмироваться, представляя витальную опасность для ребенка. Требуется как можно более ранее хирургическое вмешательство.

При синдроме Куррарино–Сильвермана наблюдается преждевременное закрытие ростковых зон тела и грудинной рукоятки. В результате этого грудина имеет малые размеры и искривлена, изменяя внешний вид грудной клетки. Этот генетический синдром часто сочетается с другими пороками развития, которые затрагивают сердце и магистральные сосуды. Патологические изменения затрагивают также позвоночный столб, который искривляется в боковом и передне-заднем направлении, со временем развиваются дегенеративные процессы в хрящевой ткани.

Причины деформации грудной клетки

Причины деформации грудной клетки классифицируются на 2 категории:

• врожденные;
• приобретенные.

Врожденные причины обычно обусловлены изменениями генетической программы плода под влиянием неблагоприятных факторов внешней или внутренней среды. Приобретенные причины могут быть связаны с перенесенными операциями на органах грудной клетки, полученными травмами, воспалительными процессами или являться результатом новообразований грудины, ребер или органов грудной полости.

Получить консультацию

Если у Вас наблюдаются подобные симптомы, советуем записаться на прием к врачу. Своевременная консультация предупредит негативные последствия для вашего здоровья.

Узнать подробности о заболевании, цены на лечение и записаться на консультацию к специалисту Вы можете по телефону:

+7 (495) 292-39-72

Заказать обратный звонок Записаться онлайн

Почему «СМ-Клиника»?

1

Лечение проводится в соответствии с клиническими рекомендациями

2

Комплексная оценка характера заболевания и прогноза лечения

3

Современное диагностическое оборудование и собственная лаборатория

4

Высокий уровень сервиса и взвешенная ценовая политика

Диагностика деформации грудной клетки

Для диагностики патологического процесса используются визуализирующие методы – рентгенография с подсчетом определенных индексов, компьютерная или магнитно-резонансная томография.

Помимо подтверждения факта аномалии важно оценить работу сердца (электрокардиография, УЗИ с допплерометрией) и легких (спирография).

Мнение эксперта

1985 год стал по-настоящему революционным, т.к. D. Nuss разработал новый малоинвазивный способ хирургической коррекции воронкообразного искривления груди. Этот метод позволят одноэтапно исправлять имеющуюся деформацию и не требовал травматичного вмешательства. Операция заключается в том, что через небольшие проколы вводятся специальные фиксирующие пластины, которые придают грудине правильное положение. В современной ортопедии этот метод нашел широкое применение и успешно применяется в «СМ-Клиника».

Дорошев Михаил Евгеньевич

Врач травматолог-ортопед высшей категории, врач-артролог, к.м.н.

Лечение деформации грудной клетки

Лечение деформации грудной клетки позволяет улучшить внешний вид пациента и восстановить функциональное состояние сердечно-легочного комплекса, который часто подвергается сдавлению.

Консервативное лечение

Консервативные методики включают в себя физические упражнения, респираторную гимнастику и физиопроцедуры. Эти методы позволяют укрепить мышечный корсет и улучшить функциональное состояние сердечно-легочного комплекса. Однако у них есть один существенный недостаток – они не могут остановить прогрессирование патологического процесса. Поэтому в настоящее время показания к хирургическому вмешательству расширены.

Хирургическое лечение

После предварительной подготовки при воронкообразной груди возможно применение различных методик корригирующей и косметической торакопластики, в том числе операции D. Nuss, как малоинвазивного корригирующего вмешательства. Все виды операций включают в себя два основных этапа: выделение грудинно-реберного компартмента и его фиксацию в исправленном положении.

При килевидном варианте деформации операция рассматривается как единственный вариант лечения. Давящие корсеты, которые ранее применялись, оказались мало эффективными.

Хирургическое вмешательство заключается в частичном удалении искривленных хрящевых концов ребе, исправлении формы костной части грудины и фиксации грудинно-реберного компартмента в правильном положении.

При синдроме Поланда для восстановления костной структуры дефектных ребер применяются собственные трансплантанты. Возможна также частичная мышечная пластика.

Врожденное расщепление грудины должно быть устранено как можно раньше. У малышей на первом году жизни проводится костное сшивание по центральной части грудины, а у детей старше 1 года проводится также рассечение хрящевых концов ребер, которое помогает увеличить объем грудной полости.

Синдром Куррарино–Сильвермана доставляет косметический дискомфорт. Поэтому для его коррекции проводится частичное иссечение патологически измененных ребер, а также клиновидное иссечение грудины. На заключительном этапе выполняется титановая фиксация.

Профилактика

Профилактика аномалий развития грудины направлена на создание оптимальных условий для развития плода на внутриутробном этапе.

Для этого рекомендуется предгравидарная подготовка в течение минимум 3 месяцев, рациональное и сбалансированное питание во время беременности, защита от инфекционных заболеваний.

Для снижения риска приобретенных деформаций у взрослых и детей важно избегать травматизма, используя средства индивидуальной защиты.

Реабилитация

В послеоперационном периоде рекомендуется симптоматическое лечение, антибиотикопрофилактика, физиолечение, дыхательная гимнастика, а также выполнение упражнений лечебной физкультуры (под контролем сертифицированного специалиста).

Вопрос-ответ

Диагностикой и лечением этого патологического состояния занимается травматолог-ортопед.

Опасность воронкообразного искривления грудной клетки заключается в том, что возможно развитие функциональных и органических нарушений сердечно-легочного комплекса. Это проявляется поворотом и отклонением сердца от нормального положения, избыточной нагрузкой на правые отделы миокарда, расширением корневой зоны аорты.

Страдает и дыхательная функция за счет изменения жизненной емкости легочной ткани.

Стальмахович ВН, Дуденков ВВ, Дюков АА. Лечение воронкообразной деформации грудной клетки у детей. Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2017;5(3):17-24.

Малахов ОА, Рудаков СС, Лихотай КА. Хирургическая коррекция воронкообразной и килевидной деформаций грудной клетки у детей и подростков. В: Актуальные вопросы детской травматологии и ортопедии: сб. тезисов конф. детских травматологов и ортопедов России Москва, 2001;260-261.

Nuss D, Obermeyer RJ, Kelly RE. Nuss bar procedure: past, present and future. Ann Cardiothorac Surg. 2016;5(5):422-433.

>

Заболевания по направлению Травматолог-ортопед

Абсцесс Броди Адгезивный капсулит Анкилоз Арахнодактилия Артроз Артроз голеностопного сустава Артроз локтевого сустава Артроз плечевого сустава Артропатия Асептический некроз головки бедренной кости (АНГБК) Ахиллобурсит Ахиллодиния Ахондроплазия Болезнь Бехтерева Болезнь Блаунта Болезнь Гоффа Болезнь де Кервена Болезнь Кальве Болезнь Келлера Болезнь Кенига Болезнь Кинбека Болезнь Олье Болезнь Пертеса Болезнь Форестье Болезнь Шейерманна-Мау Болезнь Шинца Болезнь Шляттера Бурсит Бурсит коленного сустава Бурсит плечевого сустава Бурсит стопы Вальгусная деформация большого пальца стопы (Hallux valgus) Внутрисуставной перелом Воронкообразная грудная клетка Врожденный вывих бедра Вывих Вывих бедра Вывих кисти Вывих ключицы Вывих коленного сустава Вывих надколенника Вывих пальца Вывих плеча Вывих предплечья Вывих стопы Гемартроз Гематогенный остеомиелит Гигантоклеточная опухоль кости Гигрома Гиперостоз Гиповолемический шок Гнойный артрит Гнойный бурсит Гонартроз Грудной спондилез Деформация конечности Деформация стоп Деформирующий артроз Дискоидный мениск Дорсопатии Закрытый перелом Илеопсоит Импиджмент-синдром Искривление позвоночника Килевидная грудная клетка Киста Бейкера Киста менисков Кифоз Кифосколиоз Клиновидные позвонки Клинодактилия Коксартроз Колотая рана Колото-резанная рана Компрессионный перелом позвоночника Конская стопа Локтевой бурсит Межпозвоночная грыжа Миозит Молоткообразные пальцы стопы Мраморная болезнь Нестабильность позвоночника Оскольчатый перелом Остеоартроз Остеодистрофии Остеома Остеомаляция Остеомиелит Остеопения Остеопороз Остеосклероз Остеофиты Остеохондроз Перелом Перелом бедра Перелом большеберцовой кости Перелом большого бугорка плечевой кости Перелом вертлужной впадины Перелом голени Перелом головки лучевой кости Перелом грудины Перелом грудного отдела позвоночника Перелом ключицы Перелом поясничного отдела Перелом пястной кости Перелом пяточной кости Перелом ребер Перелом руки Перелом свода черепа Перелом скуловой кости Перелом шейки бедра Пяточная шпора Синдром Марфана Сколиоз Травмы позвоночника

Все врачи

м. ВДНХ

м. Молодёжная

м. Текстильщики

м. Курская

м. Севастопольская

м. Чертановская

м. Крылатское

м. Войковская

Старопетровский проезд, 7А, стр. 22

ул. Клары Цеткин, д. 33 корп. 28

м. Балтийская

Старопетровский проезд, 7А, стр. 22

ул. Клары Цеткин, д. 33 корп. 28

м. Марьина Роща

м. Новые Черёмушки

м. Водный стадион

м. Улица 1905 года

м. Юго-Западная

м. Сухаревская

Все врачи

Загрузка

Лицензии

Перейти в раздел лицензииПерейти в раздел правовая информация

Лазерный мониторинг смещения грудной клетки

. 1997 авг; 10 (8): 1865-9.

дои: 10.1183/036.97.10081865.

Т Кондо ¹ , Т. Улиг, П. Пембертон, П. Д. Слай

принадлежность

• ¹ Отдел клинической науки, Телемарафон TVW, Институт исследований детского здоровья, Западный Перт, Австралия.

• PMID: 9272932
• DOI: 10.1183/0
36.97.10081865

Бесплатная статья

Т. Кондо и др. Эур Респир Дж. 1997 Август

Бесплатная статья

. 1997 авг; 10 (8): 1865-9.

дои: 10.1183/036.97.10081865.

Авторы

Т Кондо ¹ , Т. Улиг, П. Пембертон, П. Д. Слай

принадлежность

• ¹ Отдел клинической науки, Телемарафон TVW, Институт исследований детского здоровья, Западный Перт, Австралия.

• PMID: 9272932
• DOI: 10.1183/0
36.97.10081865

Абстрактный

Мы разработали прототип лазерного монитора, состоящий из одного лазерного датчика, для наблюдения за смещением грудной клетки во время дыхания. На этом мониторе формы дыхательных волн выражаются в виде переднезаднего движения грудной клетки. Целью данного исследования было изучить характеристики и производительность этого прототипа. Работоспособность оценивалась: 1) в статических условиях; 2) с использованием модели легкого, вентилируемого как в обычном режиме, так и в режиме высокочастотных колебаний (HFOV); и 3) при спонтанном дыхании у нормальных взрослых. In vitro монитор хорошо себя показал как в статических условиях, так и при ИВЛ. Надежные формы «дыхательных» волн без частотно-зависимых изменений соотношения между смещением и объемом были получены как при обычной вентиляции, так и при ВЧОВ на частоте 15 Гц. In vivo абдоминальное смещение, измеренное по средней линии, линейно коррелировало с сигналом дыхательного объема, интегрированным с потоком. Сигналы, формируемые монитором, были адекватными для мониторинга дыхания и для расчета переменных времени дыхания. Хотя одного лазерного датчика вряд ли будет достаточно для мониторинга дыхания у спонтанно дышащих субъектов, производительность прототипа монитора была достаточно впечатляющей, чтобы стимулировать дальнейшую разработку и дальнейшее изучение этого типа действительно неинвазивного респираторного монитора.

Похожие статьи

• Новый датчик для мониторинга движения грудной клетки во время высокочастотной осцилляторной вентиляции.

  Дэвис С. , Маццолини А., Миллс Дж., Даргавилль П. Дэвис С. и др. мед. инж. физ. 1999 ноябрь; 21 (9): 619-23. doi: 10.1016/s1350-4533(99)00094-6. мед. инж. физ. 1999. PMID: 10699564

• Влияние анестезии пропофолом на изменения торакоабдоминального объема при спонтанном дыхании и искусственной вентиляции легких.

  Аливерти А., Костич П., Ло Мауро А., Андерссон-Олеруд М., Кваранта М., Педотти А., Хеденшерна Г., Фрихольм П. Аливерти А. и др. Acta Anaesthesiol Scand. 2011 май; 55(5):588-96. doi: 10.1111/j.1399-6576.2011.02413.x. Epub 2011 8 марта. Acta Anaesthesiol Scand. 2011. PMID: 21385159

• Механика грудной клетки при искусственной вентиляции легких.

  Гримби Г., Хеденшерна Г. , Лёфстрём Б. Гримби Г. и др. J Appl Physiol. 1975 г., апрель; 38 (4): 576-80. doi: 10.1152/jappl.1975.38.4.576. J Appl Physiol. 1975 год. PMID: 1141086

• Высокочастотные колебания для взрослых пациентов с острым респираторным дистресс-синдромом. Систематический обзор и метаанализ.

  Goligher EC, Munshi L, Adhikari NKJ, Meade MO, Hodgson CL, Wunsch H, Uleryk E, Gajic O, Amato MPB, Ferguson ND, Rubenfeld GD, Fan E. Голигер ЕС и соавт. Энн Ам Торак Соц. 14 октября 2017 г. (Приложение_4): S289-S296. doi: 10.1513/Анналы АЦ.201704-341ОТ. Энн Ам Торак Соц. 2017. PMID: 29043832 Обзор.

• Оценка респираторных переменных по торакоабдоминальному дыхательному расстоянию: обзор различных методов и методов калибровки.

  Хусейн А., Ге Д., Гастингер С., Дюмонд Р., Приу Дж. Хусейн А. и др. Физиол Изм. 3 апреля 2019 г .; 40 (3): 03TR01. дои: 10.1088/1361-6579/ab0b63. Физиол Изм. 2019. PMID: 30818285 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Метод бесконтактного мониторинга сердечного ритма во сне с использованием непрерывного доплеровского радара на основе алгоритма демодуляции квадратичной суммы разностей и алгоритма поиска.

  Чен Х, Ни Х. Чен Х и др. Датчики (Базель). 2022 9 октября; 22 (19): 7646. дои: 10.3390/s22197646. Датчики (Базель). 2022. PMID: 36236745 Бесплатная статья ЧВК.

• Использование датчика углеродных нанотрубок для обнаружения послеоперационных аномальных дыхательных волн.

  Кобаяси М., Вада Ю., Окумия Ю., Ятака К., Судзуки К., Накашима Ю., Исибаши Х., Окубо К. Кобаяши М. и соавт. Дж. Торак Дис. 2021 май; 13(5):3051-3060. doi: 10.21037/jtd-21-156. Дж. Торак Дис. 2021. PMID: 34164196 Бесплатная статья ЧВК.

• Достижения в методах и датчиках на основе камер для количественной оценки дыхания.

  Рехума Х., Нумейр Р., Эссури С., Жуве П. Рехума Х. и др. Датчики (Базель). 2020 17 декабря; 20 (24): 7252. дои: 10.3390/s20247252. Датчики (Базель). 2020. PMID: 33348827 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• ВНУТРИ- И МЕЖОЦЕНОЧНАЯ НАДЕЖНОСТЬ ПРОТОКОЛА БИОФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ НЕДОНОШЕННЫХ НОВОРОЖДЕННЫХ.

  Campos JV, Moreno MA, Silva RB, Silva JNQD, Carvalho MF, Santos RCAD, Peres RT, Santos RDS, Ferreira HC. Кампос СП и др. Преподобный Пол Педиатр. 2020 7 декабря; 39:e2020034. дои: 10.1590/1984-0462/2021/39/2020034. Электронная коллекция 2020. Преподобный Пол Педиатр. 2020. PMID: 33295596 Бесплатная статья ЧВК.

• Обзор методов обработки сигналов для удаленного мониторинга состояния здоровья с использованием сверхширокополосного приемопередатчика Impulse Radio.

  Хан Ф., Гаффар А., Хан Н., Чо С.Х. Хан Ф. и др. Датчики (Базель). 2020 27 апреля; 20 (9): 2479. дои: 10.3390/s20092479. Датчики (Базель). 2020. PMID: 32349382 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

термины MeSH

Исследование с использованием высокоточного лазерного ПЗС-датчика смещения для измерения движения поверхности тела, вызванного сердцебиением

Journal of Biomedical Science and Engineering
Vol. 5 № 11 (2012), ID статьи: 24774, 6 страниц DOI:10.4236/jbise.2012.511084

An investigation using high-precision CCD laser displacement sensor to measure body surface motion induced by heartbeat

Satoshi Suzuki ¹ , Takemi Matsui ² , Takafumi Asao ¹ , Kentaro Kotani ¹

¹ Факультет машиностроения, Факультет технических наук, Университет Кансай, Осака, Япония

² Кафедра системной инженерии, Факультет системного дизайна, Токийский столичный университет, Токио, Япония

Электронная почта: [email protected]

Поступила в редакцию 22 августа 2012 г.; пересмотрено 23 сентября 2012 г.; принято 5 октября 2012 г.

Ключевые слова: Неограниченное зондирование; Частота сердцебиения; Поверхность тела; Движение

РЕФЕРАТ

Целью этого исследования было измерение движения поверхности тела, вызванного сердцебиением, с помощью высокоточного лазерного датчика, чтобы обеспечить ссылку для других исследований медицинских методов дистанционного зондирования, которые не ограничены и не ограничены. -контакт. Движения поверхности тела в некоторых точках на груди и на спине были измерены у восьми мужчин с помощью лазерного датчика смещения. Для сравнения, электрокардиограф также использовался для мониторинга сердцебиения. В результате мы подтвердили циклические движения амплитудой около 0,1 мм на всей поверхности тела не только спереди, но и со спины и шеи. Напротив, необходимо было учитывать, какая часть тела была наиболее подходящей для измерения, поскольку в разных частях тела наблюдалась разница в амплитудах движений. Амплитуда движений также зависела от состояния поверхности тела и подкожного слоя. Эти результаты показывают возможность получения информации о сердцебиении из любой точки тела с помощью техники бессознательного восприятия, а также потенциал этой техники для мониторинга состояния тела и личных физических характеристик.

1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время, чтобы избежать ограничений, вызванных наличием проводов отведений, и снять бремя прикрепления электродов, медицинские методы дистанционного зондирования, которые не ограничивают, неинвазивны и бесконтактны для мониторинга показателей жизнедеятельности, были активно исследуются и разрабатываются (здесь мы называем такие техники «бессознательным ощущением»). Примеры включают датчики с использованием тензодатчика [1], датчиков давления [2] или пленки из пьезоэлектрического полимера поливинилиденфторида (ПВДФ) [3]. В частности, датчик на основе PVDF может без ограничений и неинвазивно измерять сердцебиение и дыхание на спинной поверхности тела человека. В настоящем исследовании предлагается метод полностью бесконтактного мониторинга показателей жизнедеятельности с использованием микроволнового радара. Первоначально метод был разработан для поиска выживших, оказавшихся в ловушке под обломками землетрясений [4,5]. Микроволновый радар имеет следующие характеристики: 1) микроволны могут передаваться через большинство объектов, за исключением металлов и воды, и 2) движение объекта можно обнаружить на расстоянии, фактически не касаясь его. Применяя эту систему для мониторинга показателей жизнедеятельности человека, движение поверхности тела можно наблюдать на расстоянии, не снимая никакой одежды. Например, частота дыхания испытуемых в постели контролировалась через постель с помощью установленного на потолке микроволнового радара [6]. Цель настоящего исследования состоит в том, чтобы разработать систему не только для снижения нагрузки на пожилых людей, которая создается за счет прикрепления электродов к телу, но и для снижения нагрузки на лиц, осуществляющих уход, которым необходимо подтверждать безопасность пожилых пациентов при частых посещениях в ночное время. . Методы микроволнового радара, используемые в этом исследовании, уже применялись для мониторинга показателей жизнедеятельности медведя, впадающего в спячку, в течение более трех месяцев подряд в зоологическом саду [7]. В другом испытании компактный микроволновый радар с частотой 24 ГГц, прикрепленный к задней поверхности кресла, мог контролировать не только частоту сердечных сокращений, но и вариабельность сердечного ритма (ВСР) [8].

Эти методы бессознательного восприятия направлены на обнаружение движения на поверхности тела в очень малых масштабах, вызванного сердечным движением. Важный вклад в эту предметную область внесли Lin, Droitcour et al. [9,10], которые разработали математическую теорию методов бесконтактного зондирования и построили математические модели в предположении мониторинга движений поверхности тела.

Однако движения на поверхности тела, вызванные сердцебиением, настолько малы, что едва заметны. Как следствие, проблемой в предыдущих исследованиях было подавление внешнего шума и удаление артефактов, возникающих в результате дыхательной активности и движений, вызванных движением рук [11]. Тем не менее ни в одном из этих исследований не рассматривался вопрос о том, сколько движений разной амплитуды возникает на поверхности тела. Существуют определенные части тела, которые, как обычно считается, обладают характеристиками, необходимыми для мониторинга с помощью бессознательных ощущений, из-за различий между условиями на коже и под кожей для каждой части тела.

Таким образом, для использования в качестве эталонной базы для исследования бессознательного восприятия целью текущего исследования было измерение движений на поверхности тела, вызванных сердцебиением, с использованием высокоточного датчика смещения лазера с зарядовой связью (ПЗС) и определение подтвердить величину этих движений. Наблюдение за движением на поверхности грудной клетки и спинной области обсуждает применимость бессознательного метода измерения.

2. МЕТОДЫ

2.1. Технические характеристики высокоточного лазерного ПЗС-датчика смещения

Для измерения движения на поверхности тела был выбран промышленный высокоточный ПЗС-лазерный датчик смещения (LK-G35; Keyence Co., Токио). Этот красный ПЗС-лазер имеет длину волны 650 нм, разрешение измерения 0,05 мкм и эффективный диапазон измерения ±5 мм; его максимальная частота дискретизации составляет 50 кГц, а максимальная выходная мощность — 4,8 мВт. Этот тип лазерного датчика смещения часто используется для измерения толщины и ровности лакокрасочного покрытия автомобиля, а также в контроле качества для обнаружения очень мелких потертостей на компакт-дисках и жестких дисках.

Если лазерный луч от лазерного датчика перемещения облучать непосредственно на кожу человека, луч из-за своей малой мощности не проникнет в тело и не вызовет проблем с кожей. Однако для обеспечения максимальной безопасности мы наклеили на поверхность тела кусок белой виниловой стретч-ленты, а каждый участник был одет в очки для защиты от лазерного излучения с оптической плотностью 3.

2.2. Положения для измерения и участники

Целевые положения V2, V3 и V5 (см. рис. 1) для измерения движений поверхности тела были определены на основании направления на электрокардиограмму в 12 отведениях. Кроме того, контролировалась левая сонная артерия (СА на рис. 1), поскольку это репрезентативная артерия, длина которой составляет

(a) (b)

Рисунок 1. Точки измерения. V2, V3 и V5 были определены на основании электрокардиограммы в 12 отведениях. Кроме того, также контролировали сонную артерию с левой стороны (CA). Позиции измерения в дорсальной области V9 были выбраны в соответствии с электрокардиограммой в 18 отведениях, а высота локтя (EH) в поясничной области была измерена в соответствии с промышленным стандартом. а) передний; (б) Назад.

, расположенный близко к поверхности кожи. И наоборот, положение измерения на спинной области, V9, был выбран, поскольку он относился к электрокардиограмме в 12 отведениях [12] и к более раннему исследованию, проведенному авторами, которые отслеживали то же положение [8]. Кроме того, исследователи [13,14] пытались обнаружить сердцебиение в поясничной области; поэтому движение на высоте локтя (ЭГ на рис. 1) в области пиломатериалов измеряли в соответствии с промышленным стандартом [15]. В этом положении ЭГ развилась примерно на 20 мм от средней линии до левой стороны рассматриваемого позвоночника.

Движение поверхности тела было измерено у восьми мужчин (средний возраст: 21,88 ± 1,13 года; диапазон: 21–24 года). Кроме того, чтобы проследить взаимосвязь между измерениями и личными физическими характеристиками каждого участника, была заранее определена их толщина подкожного жира (см. Таблицу 1). Подкожный жир вокруг каждой точки измерения измеряли три раза с помощью штангенциркуля кожной складки (MD-550; Yamasa Tolei CO. LTD. , Токио) в соответствии с предыдущим исследованием [16] и рассчитывали среднее значение.

2.3. Процедура исследования

Для проведения измерений участник, обнаженный до пояса, ложился на матрац из вспененного уретана, а лазерный датчик перемещения устанавливался на устойчивой алюминиевой раме над телом. Лазерный датчик располагался на расстоянии 3 см от поверхности тела, и движение измерялось в каждой целевой точке (рис. 2). Кроме того, чтобы измерить спину, участники ложились лицом вниз на матрас. Чтобы устранить любое движение, вызванное дыханием, мы проинструктировали каждого участника задерживать дыхание на 30 секунд. Для сравнения мы также проводили мониторинг электрокардиографа (ЭКГ), подключенного к прекардиальным отведениям (WEB-5500; Nihon Koden Co., Токио), и собирали информацию с частотой дискретизации 100 Гц. Данные выходного сигнала от лазерного датчика расстояния

Таблица 1. Индивидуальные физические характеристики восьми добровольцев.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки. Высокоточный лазерный ПЗС-датчик смещения использовался для измерения движения на поверхности тела, а ЭКГ также использовалась в качестве эталона, обеспечивая прямые измерения с ЭКГ.

сохраняли синхронно с данными ЭКГ в цифровом записывающем устройстве (LX-10; TEAC Co., Токио).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Движения на поверхности тела

На рис. 3 показаны 10-секундные выборки данных, отслеженных для субъекта S1, извлеченные из 30-секундных данных. На рис. 3(а) показан выходной сигнал ЭКГ, а на рис. 3(б) показан выходной сигнал, полученный высокоточным лазерным ПЗС-датчиком смещения. Из этого рисунка видно, что циклические колебания в данных, полученных лазерным датчиком смещения, синхронизированы с зубцами R на ЭКГ. Хотя некоторые данные датчиков включали дрейф базовой линии в результате дыхательных движений, эти синхронные циклические колебания с зубцами R на ЭКГ четко наблюдались у всех участников. Кроме того, это циклическое колебание имеет несколько пиков, подобных пульсовой волне. Эта форма волны подтвердилась во всех положениях измерения у всех участников, несмотря на небольшие различия в форме движения на поверхности тела. Аналогично, некоторые предыдущие

(a)(b)

Рисунок 3. Пример данных субъекта S1, наблюдаемых в течение 10 секунд, извлеченных из общих 30-секундных данных; (а) показан выходной сигнал ЭКГ, (б) показан выходной сигнал, полученный высокоточным ПЗС-лазерным датчиком смещения. Циклические колебания, синхронизированные с зубцами R ЭКГ, проявляются в данных, полученных лазерным датчиком смещения. (а) Выходной сигнал ЭКГ; (б) Выходной сигнал лазерного датчика смещения.

исследований показали, что форма колебаний, приобретаемая микроволновым радаром при мониторинге движения поверхности тела, имеет два или более пика за цикл [8-10]. Подобно пульсовой волне, эти множественные пики, как считается, связаны с изменениями артериального давления.

3.2. Разница между положениями измерения

На рис. 4 показаны средние амплитуды движений на поверхности тела в каждой точке измерения. Несмотря на то, что между амплитудами в каждой точке измерения есть различия, во всех точках обнаруживаются циклические колебания. В частности, амплитуды для сонной артерии, естественно, велики, потому что движение измеряется непосредственно на артерии. Напротив, движения на передней части тела имеют амплитуду около 0,1—0,2 мм, а на задней — около 0,1 мм в высоту. Следует отметить, что спинная область также движется, несмотря на то, что это движение немного меньше, чем переднее.

Рис. 4. Результаты движения по поверхности тела. Для того, чтобы сравнить между каждой точкой измерения всего предмета. Хотя есть некоторые различия в амплитудах в каждой позиции измерения, движения на поверхности тела подтверждаются во всех точках измерения.

Как следствие, спинная область не может считаться непригодной для измерения основных показателей жизнедеятельности. Были отмечены и обсуждены трудности измерения жизненно важных показателей со спины человека, однако информация о сердцебиении может быть извлечена с помощью методов бессознательного восприятия, поскольку поверхность спинных областей движется.

3.3. Взаимосвязь между движением поверхности тела и толщиной подкожной жировой клетчатки

На рис. 5 показана взаимосвязь между движениями поверхности тела и толщиной подкожной жировой клетчатки, измеренная штангенциркулем для всех положений у всех участников. Тенденция к уменьшению амплитуды поверхностных движений тела с увеличением толщины подкожно-жировой клетчатки отчетливо прослеживается на рис. подтверждается и может рассматриваться как мера состояния поверхности тела.

4. РЕЗЮМЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

Мы исследовали движение поверхности тела, вызванное сердцебиением, с помощью высокоточного ПЗС-лазерного датчика смещения. В результате мы показали, что циклические движения существуют во всех измеряемых точках поверхности тела, причем не только для передней части тела, но и для спины и шеи. Хотя амплитуды этих движений были разными для разных частей тела, результаты указывают на возможность прямого получения информации о сердцебиении из любой точки тела с помощью методов бессознательного восприятия.

И наоборот, поскольку для разных частей тела наблюдались разные амплитуды, необходимо рассмотреть наиболее подходящую часть тела для измерения, принимая во внимание возможности и работу прибора

Рисунок 5. Результат зависимости между движением на поверхности тела и толщиной подкожно-жировой клетчатки. Наблюдается тенденция к обезжириванию амплитуды движений на поверхности тела при увеличении толщины подкожно-жировой клетчатки.

9Датчики 0006. Мы выбрали восемь выборок, состоящих из людей, имеющих физиологически схожие характеристики. Однако в результате важно, чтобы в этой статье были указаны различия, которые проявляются в такой однородной выборке. А именно, в случае извлечения информации из движения поверхности тела необходимо учитывать не только целевые измерения, но и физические характеристики людей. Предполагается, что результаты варьируются в зависимости от возраста, пола и других факторов. Кроме того, результаты зависят от твердости кожи и наличия ожогов или кожных заболеваний. Результаты этого отчета послужили цели, указав на важность обсуждения таких вопросов с точки зрения физиологии для исследования методов бессознательного восприятия. Изучение влияния других факторов остается темой будущих исследований и дискуссий.

С другой стороны, значение формы сигналов также важно. Формы сигналов, полученных высокоточным лазерным датчиком смещения ПЗС, нестабильны и также различаются в зависимости от объекта. Этот характер был замечен в предыдущих исследованиях методов бессознательного восприятия [9,10,13,14]. Кроме того, сигналы как в этом отчете, так и в предыдущих исследованиях не являются простыми сигналами, такими как синусоида. Хотя в разных исследованиях наблюдаются различия в количестве пиков и плеч, в большинстве исследований было подтверждено появление некоторых пиков и плеч в каждом цикле [17-19].]. Это означает, что некоторая физиологическая информация включена в каждый цикл таких сигналов, как сигналы ЭКГ и пульсовые волны. Пульсовая волна поступает, например, из лучевой, плечевой и сонной артерий в верхней части тела, а также из бедренной артерии и задней большеберцовой артерии в нижней части тела. Форма пульсовой волны различается в зависимости от точки измерения [20]. Пульсовая волна на сонной артерии, как правило, имеет 6 волновых характеристик, волны предвыброса, анакротическое плечо, перкуторную волну, приливную волну, вырезку и дикротическую вырезку. Более того, в пульсовой волне, полученной в других точках, некоторые особенности волны проявляются нечетко [20].

Кроме того, основной пик пульсовой волны, называемый перкуторной волной, возникает после зубца R на ЭКГ, а также между зубцом S и зубцом Т на ЭКГ. Основные пики выходных сигналов высокоточного ПЗС-лазерного датчика смещения во всех точках измерения появляются сразу после появления зубца R ЭКГ. Выходные сигналы высокоточного лазерного ПЗС-датчика смещения имеют характеристики, аналогичные пульсовой волне. Считается, что движение на поверхности тела несет в себе информацию, подобную пульсовой волне, потому что движение на поверхности тела вызывается вибрацией, вызванной кровотоком в периферическом сосуде.

В целом, большинство исследований методов бессознательного восприятия относится к ЭКГ. Более того, в большинстве исследований бесконтактной детекции обычно рассматривается только взаимосвязь между временем появления зубца R ЭКГ и пиком волны, а другая информация, включенная в сигналы, не обсуждается. Причина этого, по-видимому, заключается в том, что формы сигналов, полученных с помощью бессознательных методов восприятия, нестабильны, а также различаются у разных субъектов. Однако кажется, что ЭКГ недостаточно для обсуждения форм волн и информации, содержащейся в формах волн, и вместо этого пульсовые волны подходят в качестве справочного материала для исследований методов бессознательного восприятия.

Скорость пульсовой волны иногда используется для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний [21]. В будущем потенциально сердечно-сосудистые заболевания можно будет диагностировать, не прикасаясь непосредственно к пациенту, путем детального исследования взаимосвязи между пульсовой волной и выходными данными, полученными с помощью неинвазивного метода измерения. Если сердечно-сосудистая информация в выходных данных может быть четко понята, методы бессознательного восприятия будут полезны не только для пациентов, к которым нельзя прикасаться, например, с тяжелыми ожогами и серьезными рваными ранами, но также и для пациентов, у которых есть проблемы с сердечными функциями. .

ССЫЛКИ

1. Чаччо, Э.Дж., Хиатт, М., Хеги, Т. и Джевецкий, Г.М. (2007)Измерение и мониторинг натяжения ремня электрокардиограммы у недоношенных детей для оценки функции дыхания. Биомедицинская инженерия онлайн, 6, 1-11.
2. Джейкобс Дж., Эмбри П., Глей М., Кристенсен С. и Салливан П. (2004) Характеристика нового датчика частоты сердечных сокращений и частоты дыхания. Материалы конференции IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Сан-Франциско, 1–5 сентября 2004 г., 2223–2226.
3. Ван, Ф., Танака, М. и Чонан, С. (2006) Разработка носимой системы оценки психического стресса с использованием пленочного датчика PVDF. Journal of Advanced Science, 18, 170-173. doi:10.2978/jsas.18.170
4. Чен, К.-М., Хуанг, Ю., Чжан, Дж. П. и Норман, А. (2000) Микроволновые системы обнаружения жизни для поиск людей под обломками землетрясений или за барьером. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 47, 105-114. дои: 10.1109/10.817625
5. Чен, К. -М., Мишра, Д., Ван, Х., Чуанг, Х.-Р. и Postow, E. (1986) Микроволновая система обнаружения жизни X-диапазона. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 33, 697-702. doi:10.1109/TBME.1986.325760
6. Уэнояма М., Мацуи Т., Ямада К., Судзуки С., Такасе Б., Судзуки С. и Исихара М. (2006) Бесконтактные респираторные заболевания система мониторинга с помощью прикрепленной к потолку микроволновой антенны. Медицинская и биологическая инженерия и вычислительная техника, 44, 835-840. дои: 10.1007/s11517-006-0091-8
7. Suzuki, S., Matsui, T., Kawahara, H. and Gotoh, S. (2009) Разработка бесконтактной и долгосрочной системы мониторинга дыхания с использованием микроволнового радара для спящего черного медведя. Зообиология, 28, 259-270. doi:10.1002/zoo.20229
8. Судзуки С., Мацуи Т., Имута Х., Уэнояма М., Юра Х., Исихара М. и Каваками М. (2008) Новое измерение вегетативной активации метод стресс-мониторинга: бесконтактное измерение вариабельности сердечного ритма с помощью компактного микроволнового радара. Медицинская и биологическая инженерия и вычислительная техника, 46, 709-714. doi:10.1007/s11517-007-0298-3
9. Droitcour, A., Lubecke, V., Lin, J. and Boric-Lubecke, O. (2001) Микроволновое радио для доплеровского радиолокационного зондирования показателей жизнедеятельности. IEEE MTT-S International Proceedings of Microwave Symposium Digest, Финикс, 20–25 мая 2001 г., стр. 175–178.
10. Лин, Дж. К. (1992) Микроволновое определение физиологического движения и изменения объема: обзор. Биоэлектромагнетизм, 13, 557-565. doi:10.1002/bem.2250130610
11. Li, C. and Lin, J. (2008) Подавление случайных движений тела при обнаружении основных показателей жизнедеятельности с помощью доплеровского радара. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 56, 3143-3152. doi:10.1109/TMTT.2008.2007139
12. Goldberger, A.L. (2006) Клиническая электрокардиография: упрощенный подход. 7-е издание, Мосби, Мэриленд-Хайтс.
13. Шин, Дж. Х., Чи, Ю. Дж., Чон, Д.-У. и Парк, К. С. (2010) Система и алгоритмы мониторинга сна без ограничений с использованием метода надувного матраса с балансирующей трубкой. IEEE Transactions по информационным технологиям в биомедицине, 14, 147-156. doi:10.1109/TITB.2009.2034011
14. Танака С., Мацумото Ю. и Вакимото К. (2002) Неограниченное и неинвазивное измерение периодов сердцебиения и дыхания с помощью фонокардиографического датчика. Медицинская и биологическая инженерия и вычислительная техника, 40, 246-252. дои: 10.1007/BF02348132
15. Международная организация по стандартизации (ISO) (1996) ISO 7250: Основные измерения человеческого тела для технологического проектирования.
16. Watanabe, J. and Tochikubo, O. (2003) Взаимосвязь между накоплением висцерального жира и гипертонией у мужчин с ожирением. Clinical and Experimental Hypertension, 25, 199-208. doi:10.1081/CEH-120019152
17. Li, C., Cummings, J., Lam, J., Graves, E. and Wu, W. (2009) Радиолокационный дистанционный мониторинг жизненных признаков.