Разработка учёных «НИИПП» опубликована в издании «Биотехносфера»

С полным текстом статьи Вы можете ознакомиться на страницах официального сайта АО «НИИПП» ниже.

Обнаружение вен — один из самых важных этапов многих медицинских процедур. Однако он усложняется у проблемных категорий граждан, а именно при частых венепункциях, травмировании тканей, смуглой кожей и т. д. Работа нацелена на решение проблем обнаружения подкожных вен. В статье описываются два устройства, их технические характеристики, принцип действия и область применения.

Введение

Часто возникают ситуации, когда необходимо выполнить больному внутривенную инъекцию, взять кровь на анализ, сделать инфузию, установить периферический катетер, а сосуды обнаружить не удается. Бывает, что эти манипуляции жизненно необходимы. С такой проблемой практически ежедневно сталкивается каждая бригада скорой помощи, а также медсестры в процедурных кабинетах. Ежедневно медицинский персонал выполняет более миллиона внутривенных инъекций [1–3]. Доступ к венозному руслу у проблемных категорий граждан занимает 5–7 мин и более. Пока эти действия специалисты проводят, опираясь на свой опыт.

Существует множество спосбов определения вен, например, компьютерная томография (КТ), ультразвуковое и магнитно-резонансное изображение (МРТ). Эти методы не могут использоваться в большинстве случаев, поскольку они дорогостоящие и сложные. Некоторые из них требуют повторного сканирования, чтобы получить четкое изображение вен. Это означает, что большое количество ионизирующего излучения проходит через тело пациента и может привести к повреждению тканей, например, через генетические мутации в хромосомах, которые могут привести к раку [4]. Основная цель работы — разработать портативное неионизирующее устройство по обнаружению вен для инъекции или забора крови, которые бы не уступали по своим техническим характеристикам импортным аналогам и имели бы наименьшую стоимость.

Сегодня существует несколько светотехнических приборов (контактные и бесконтактные) для обнаружения подкожных вен, но они являются разработками иностранных компаний. Бесконтактные приборы визуализации вен (5–7 тысяч долларов):

• веновизор AV 400 компании AccuVein, США;

• веновизор Vein Finder VIVO500 компании VivoLight, Китай;

• веновизор VeinViewer Vision компании «Christie», США;

• очки для визуализации вен Eyes-OnGlasses компании Еvena, США.

Контактные приборы визуализации вен (1,7 тысячи долларов) — веновизор VeinLite от компании TransLite, США.

Венепункция становится все более сложной областью для практикующих врачей и приносит большие неудобства пациентам во время инъекции, поэтому не удивительно, если практикующий врач не может найти вены кровеносных сосудов.

Способы обнаружения подкожных вен

Трансиллюминационный метод. Метод трансиллюминации основан на оценке тенеобразований, которые образуются при подсвечивании исследуемой области комбинацией разноцветных светодиодов, что позволяет получить четкий и высококонтрастный рисунок подкожных вен. Свет в видимой области спектра используется, как правило, красный или оранжевый, поскольку они обладают наибольшей проникающей способностью в разные слои кожи человека (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость проникающей способности от длины волны в разные слои кожи человека.

В процедуре визуализации вен кольцо со светодиодами прижимается к коже, чтобы осветить исследуемый участок (рис. 2).

Рис. 2. Визуализация подкожных вен: а — использование красного спектра излучения; б — использование оранжевого спектра излучения.

В приборе используется 16 красных светодиодов с длиной волны 660 нм и 16 оранжевых светодиодов с длиной волны 588 нм. Оранжевый спектр излучения в основном используется для просмотра поверхностных вен, в то время как красный спектр излучения — для более глубоких вен и для смуглой кожи благодаря более глубокому проникновению в мутных средах.

К основным недостаткам устройства относится необходимость в непосредственном контакте с кожей пациента, что может привести к распространению вирусов и бактерий от пациента к пациенту. Следовательно, устройство требует очистки после каждого использования. Визуализация вен от видимого спектра не может быть пригодна для пациентов, которые имеют более глубокие вены из-за большого количества жира в организме. Это происходит из-за ограниченной способности видимого света проникать глубже в ткани кожи.

Инфракрасный способ. Система с инфракрасным излучением для визуализации вен работает на принципе распространения света, т. е. поглощения, отражения и рассеяния света в тканях. Этот метод широко применяется в области биомедицинской визуализации и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими лучевыми методами, используемыми для медицинской спектроскопии. Излучение не является ионизирующим, поэтому система может применяться несколько раз на пациенте без какихлибо вредных воздействий [5].

Действие прибора, состоящего из излучателя ИК-диапазона, основано на том, что падающее излучение взаимодействует с клеточными структурами: поглощается или отражается и рассеивается. Поглощение существенно зависит от концентрации основных элементов в ткани: воды (H2O), меланина, оксигемоглобина (HbO2) и дезоксигемоглобина (Hb). Интенсивность остаточного излучения, отраженного от участков тканей с повышенным содержанием деоксигемоглобина (восстановленный гемоглобин, доставляющий кислород к клеткам организма по вене) за счет его большего поглощения, существенно ниже интенсивности остаточного излучения, отраженного окружающими вену мягкими тканями, поглощающими зондирующее излучение в меньшей степени. Поэтому на изображении участки с венозным сосудом затемнены [6].

Экспериментальная установка

Наша система сбора данных о венозном рисунке человека состоит из цифровой камеры DCM 510 с разрешением 5 Мп (2592×1944) и размерами пиксела 2,2×2,2 мкм, инфракрасного отрезающего фильтра, четырех ИК-светодиодов на 860 нм для обеспечения равномерного освещения исследуемой области и персонального компьютера (рис. 3).

Рис. 3. Макет сбора данных о венозном рисунке исследуемой области: 1 — цифровая камера DCM 510; 2 — инфракрасный отрезающий фильтр; 3 — кольцо с ИК-светодиодами (4 шт.); 4 — компьютер; 5 — исследуемая область.

В процессе тестирования и отладки программного обеспечения цифровой камеры DCM 510 по обработке изображений исследуемой области в ИКосвещении произведена настройка различных характеристик с наложением программных фильтров на получаемое в реальном времени изображение с цифровой камеры. В итоге получены результаты, показанные на рис. 4 (во время получения изображения в комнате было естественное и искусственное освещение).

Рис. 4. Венозный рисунок исследуемой области: а — правая рука; б — левая рука; в — грудная область; г — правая нога.

В результате настройки программы получено высококонтрастное изображение венозного русла, которое позволяет в дальнейшем наиболее быстро обрабатывать, сохраняя высокую детализацию и качество выходного изображения (рис. 5).

Рис. 5. Реализация алгоритма предварительной обработки венозного русла: а — изображение венозного русла полученного с камеры; б — предварительная обработка венозного русла.

Заключение

В работе разработаны два устройства для обнаружения периферических вен, основанных на использовании оптического диапазона и ИК-диапазона. Устройство с красным и оранжевым спектрами излучения является наиболее простым и менее информативным по сравнению с ИК-методом и имеет ряд недостатков, таких как необходимость в дезинфекции и малое поле для обследования. Второе устройство с использованием камеры и ИКподсветки более информативное. Полученные предварительные результаты весьма обнадеживающие, поскольку обеспечивают необходимую информацию для исследования венозного русла. Полученные в ходе работы программные настройки имеют большое значение для будущей реализации устройства, что позволит в дальнейшем быстро обрабатывать полученное изображение и при этом сохранять высокую детализацию и качество выходного изображения, которое будет проецироваться на тот же участок кожи в реальном времени.

Реализованный макет сбора данных о венозном рисунке исследуемой области (рис. 3) может найти применение при выполнении оперативных вмешательств как хирургами-флебологами, так и пластическими хирургами.

Авторы: Д. О. Зятьков, Г. С. Глушков, Е. Н. Богомолов, Д. В. Шашев

Литература

1. Jacobson A. F., Winslow E. H. Variable’s influencing intravenous catheter insertion difficulty and failure: an analysis of 339 intravenous catheter insertions // Heart & Lung Jurn. Vol. 34. N 5. P. 345–359.

2. Matching the peripheral intravenous catheter to the individual patient / A. Rivera, K. Strauss, A. van Zundert, E. Mortier // Acta Anaesthesiol. Belg. Vol. 58. N 1. P. 19–25.

3. Mbamalu D., Banerjee A. Methods of obtaining peripheral venous access in difficult situations // Postgrad Med. Vol. 75. N 886. P. 459–462.

4. Dharmaratnam А., Preetham Shankpal, Kishore R. Design and Development of Haemostatic Drug Delivery System // Sastech Journal. Vol. 11. N 2. P. 7–14.

5. Strangman G., Boas D. A., Sutton J. P. Non-invasive neuroimaging using near-infrared light // Biological Psychiatry. Vol. 52. N 7. P. 679–693.

6. Солодихина А. А. Теоретическая основа разработки визуализатора подкожных сосудов: сб. тез. 3-й Всерос. интернет-конференции «Грани науки 2014» / Отв. ред. А. В. Герасимов. Казань: Изд-во КФУ, 2014.