Введение. Современная ангиография представляет собой эффективный инструмент в диагностике и лечении сосудистых заболеваний, позволяющий выявить повреждения и пороки развития кровеносных сосудов и различных органов. Суть существующих традиционных инвазивных методов ангиографии состоит во введении в кровеносные и лимфатические системы контрастных веществ с последующей регистрацией их распределения рентгенологическим и магниторезонансным методами визуализации [1]. Ангиографические исследования требуют предварительных лабораторных данных (коагулограмма, тромбоциты, анализ функции почек), пункции сосудов и его катетеризации с последующим послеоперационным наблюдением за пациентом, критически важное для своевременного выявления и коррекции возможных осложнений. Кроме того, ангиография имеет свои противопоказания, включая аритмию, аллергические реакции на контрастные вещества (например, препараты йода), почечную недостаточность и нарушения свертываемости крови. Возможные осложнения могут возникать как от введения контрастного вещества, так и вне места пункции, например, расслоение стенки сосудов, острый тромбоз, спазм и разрыв сосуда. В месте пункции могут возникать также гематомы, спазмы и тромбозы.

В последние годы разработаны альтернативные методы ангиографических исследований без использования контрастных препаратов [2, 3]:

1. Временная градиентная (Time-of-Flight, TOF) магнитно-резонансная ангиография (МРА), которая основана на разнице в магнитной восприимчивости между движущимися и неподвижными тканями и фазовая контрастная МРА, фиксирующая изменения фазы сигналов от движущихся клеток крови, что позволяет визуализировать сосуды без контрастных веществ. Однако эти методы характеризуются недостаточной разрешающей способностью при низких скоростях кровотока, например, в капиллярах, что ограничивает ее применение для оценки микрососудистой патологии, не обнаруживают застойные явления и степень кровоизлияний.

2. Ультразвуковая допплеровская ангиография позволяет оценивать скорость кровотока, выявить аневризм и другие сосудистые аномалии. Метод неприменим для визуализации глубоких структур, характеризуется низкой разрешающей способностью при малых скоростях кровотока и не обнаруживают застойные явления и степень кровоизлияний.

3. Оптическая когерентная томография (ОКТ), основанная на использовании света для получения изображений тканей, применяется для визуализации сосудов в офтальмологии и не подходит для исследования сосудов в других частях тела.

4. В компьютерной томографии (КТ) без контраста используют улучшенные алгоритмы и методы реконструкции изображений. Характеризуются низкой чувствительностью к патологиям, не могут обнаруживать аневризмы и стенозы.

5. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) позволяет оценивать изменения в кровотоке, связанные с активностью тканей, и может быть использована для исследования сосудистой системы без введения контраста. Метод характеризуется низкой пространственной разрешающей способностью, неприменим для детального изучения сосудов, сложен в интерпретации и требует дополнительного анализа.

Таким образом, современные неинвазивные методы ангиографии имеют свои преимущества, но имеют ограничения и характеризуются низкой пространственной разрешающей способностью при малых скоростях кровотока в капиллярах, что ограничивает ее применение для оценки микрососудистой патологии, не обнаруживают застойные явления и степень кровоизлияний. Кроме того, неинвазивные методы слабо чувствительны к патологиям, не могут обнаруживать аневризмы и стенозы, недостаточно точны при диагностике и оценке состояния сосудистой системы.

Важным, необходимым условием применения современных инвазивных и неинвазивных методов ангиографии, является наличие специализированных кабинетов, которые должны соответствовать требованиям к асептике и антисептике в соответствии с СанПиН 2.6.1.1192-03. Это обосновано несколькими факторами:

1. Инвазивность процедуры: Ангиографические исследования включают введение контрастных веществ через катетеры, что требует соблюдения жестких условий стерильности для предотвращения инфекционных осложнений. Наличие специализированного оборудования, таких, как рентгеновские установки, МРТ и системы для контроля качества изображения, также требует определенной инфраструктуры.

2. Сложность оборудования: Ангиографические системы представляют собой сложные устройства, которые требуют постоянного обслуживания и защиты от внешних факторов. Их установка в обычных медицинских учреждениях затруднена из-за необходимости специального электроснабжения и защиты от радиации.

3. Требования к пространству: Для выполнения ангиографических процедур необходимо достаточное пространство для размещения оборудования, а также для работы медицинского персонала.

Это делает мобильность таких комплексов крайне ограниченной.

В связи с вышеописанными рисками и осложнениями современных методов ангиографии становится очевидной необходимость разработки безопасного для пациентов и оперативного в применении ангиографа. Кроме того, для обеспечения его мобильности необходимо снять требования к помещению по асептике и антисептике. Это позволит использовать ангиографы в передвижных медицинских диагностических комплексах. Данная задача особенно актуальна для полевых условий и для удаленных районов, где доступ к стационарным медицинским учреждениям невозможен. Модульные медицинские комплексы, оснащенные, безопасными для пациентов и оперативными в применении ангиографами, значительно повысят эффективность лечения сосудистых заболеваний, снизят вероятность осложнений и открывают новые возможности в области медицинской диагностики.

Цель работы: Разработка и создание мобильного ангиографа, безопасного и оперативного в применении.

Методы и материалы. В предлагаемой авторами технологии для сканирования кровеносных сосудов и различных органов использован метод магнитоиндукционной ангиографии (МИА) [4], который по существу является частным случаем магнитоиндукционной томографии (МИТ) [5, 6]. В МИА, как и в МИТ, объект и детектор магнитного поля размещают в пространстве и возбуждают в этом пространстве переменное или импульсное магнитное поле. На основе измерений вихревых токов, наведенных этим полем в приемниках магнитного поля, реконструируют распределения проводимости объекта: в МИТ - изображения трехмерного распределения, в МИА – двухмерного. Поскольку кровь обладает наибольшей проводимостью в живой системе, данный метод позволяет получать изображения как движущейся крови в кровеносных сосудах и капиллярах, так и не движущейся, возникающей вследствие застойных явлений и кровоизлияний. Это открывает новые возможности для безопасного и эффективного исследования состояния сосудистой системы.

Основные недостатки существующих методов МИА [7 - 10] такие же, как и в МИТ [11]:

1. Высокая чувствительность к помехам и низкая к проводимости объекта из-за значительных паразитных емкостных связей;

2. Низкое пространственное разрешение, так как увеличение чувствительности требует увеличения размеров датчиков;

3. Методические ошибки многоканальных МИТ из-за необходимости применения нелинейных преобразований при решений обратных задач по восстановлению изображений;

4. Низкая технологичность из-за применения большого числа источников и датчиков магнитного поля и необходимости их позиционирования.

В предлагаемом методе МИА создается пересекающий исследуемый объект вектор индукции магнитного поля [11]. Создание пересекающего исследуемый объект вектора индукции магнитного поля повышает точность метода за счет фиксации приемником магнитного поля магнитных потоков, индуцирующих вихревой ток в объекте только по вектору индукции магнитного поля, пересекающего объект. Это позволяет исключить методическую ошибку многоканальных МИТ, так как нет необходимости применения нелинейных преобразований при решений обратных задач по восстановлению изображений.

Измерение вихревых токов, наведенных магнитным полем в исследуемом объекте, осуществляется по оси гибкого магнитопровода, соединенного с источником магнитного поля, что повышает точность метода за счет фиксации приемником магнитного поля лишь однородной составляющей магнитного потока, индуцирующего вихревой ток в объекте. При этом используется один источник и один приемник магнитного поля, что повышает пространственное разрешение, простоту и технологичность сканирования для получения ангиографического изображения.

Реконструкция проводимости объекта выполняется на основе сравнительных измерений в отсутствие и при наличии объекта в исследуемом пространстве. Это позволяет проводить не абсолютные, а сравнительные измерения, дающие отклонение от установочной меры или образца, что позволяет получить более высокую точность, причем, при производстве больших однотипных измерений и более высокую производительность.

С целью защиты от внешних электромагнитных полей и влияния паразитных емкостных связей между приемником и источником магнитного поля вихревые токи измеряются в экранированном гибком магнитопроводе, что обеспечивает высокую чувствительность к проводимости объекта и низкую к паразитным емкостным связям и внешним электромагнитным помехам.

Для получения ангиографического изображения в любых плоскостях обеспечивается произвольный поворот вектора индукции магнитного поля вокруг произвольной оси.

Техническая реализация МИА осуществлена на основе двух манипуляторов с шестью степенями свободы, которые обеспечивает точное позиционирование источника и детектора магнитного поля в различных проекциях для проведения как стандартных, так и специализированных ангиографических исследований, включая коронарную ангиографию и ангиографию периферических сосудов. Для обработки полученных изображений применяется алгоритм реконструкции двухмерной модели сосудистой системы, что обеспечивает получение кадра с темпом до 2 минут. Манипулятор модульной конструкции с интеллектуальными звеньями и адаптивными алгоритмами управления. Интеллектуальная система управления манипулятором "INCONTROL" упрощает управление роботами для операторов без опыта программирования. Технические характеристики системы "INCONTROL" позволяют использовать её в задачах, где требуется высокая точность и минимальные задержки. Точность позиционирования составляет ±0.1 мм, что обеспечивает высокую пространственную разрешающую способность, а время отклика до 10 миллисекунд позволяет получить одно изображение в течении времени не более 2 минут.

В роботизированный комплекс заложена поддержка стандартов URDF и SDF для работы с CAD/CAM системами для обеспечения совместимости с существующими аппаратными средствами представления изображений. Для адаптации к различным условиям применения использована технология машинного обучения, а для обучения пользователя - интуитивный интерфейс с демонстрацией действий манипуляторов. Основные технологические компоненты ангиографа проверены в реальных условиях, что соответствует уровню технологической готовности TRL 5.

Результаты. Разработан метод МИА и предложена технология создания мобильного ангиографа, безопасного и оперативного в применении для использования в полевых условиях и в передвижных диагностических комплексах. В качестве сканера ангиографа используется многофункциональный манипулятор с шестью степенями свободы, который обеспечивает точное позиционирование источника и детектора магнитного поля в различных проекциях. Это позволяет проводить как стандартные, так и специализированные ангиографические исследования, включая коронарную ангиографию и ангиографию периферических сосудов. Точность позиционирования манипулятора достигает ±0.1 миллиметра, что критично для получения качественных изображений. Для обработки полученных изображений применен алгоритм реконструкции двухмерной модели сосудистой системы, обеспечивающее получение кадра с темпом до 2 минут. Это значительно улучшит диагностику заболеваний, таких как атеросклероз, тромбоз и другие сосудистые патологии, снижая вероятность осложнений и повышая безопасность процедуры ангиографии для пациентов.

Заключение. Разработка метода МИА и создание мобильного ангиографа, безопасного и оперативного в применении, открывает новые возможности в области медицинской диагностики. Внедрение данной технологии позволит проводить ангиографические исследования в условиях, где традиционные методы могут быть ограничены. Созданный мобильный ангиограф, обладая высокой точностью позиционирования и возможностью быстрого получения изображений, значительно улучшит качество диагностики сосудистых заболеваний. Это особенно актуально для экстренных ситуаций и в условиях удаленных районов, где доступ к современному медицинскому оборудованию затруднен. Разработанный метод МИА без введения контрастных веществ не только повышает безопасность пациентов, снижая риск осложнений и способствуя более раннему выявлению и эффективному лечению сосудистых заболеваний, но также предоставляет возможность его использования в немедицинских сферах с множеством новых перспективных прикладных возможностей.

Список источников

1. Mартин Э. Ангиография. Краткий медицинский словарь. 10-е изд., Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. 2020 г. ISBN: 9780191873768.

2. Klein J. S., Wiggins C. L. (2016). Noninvasive Imaging of the Vasculature: A Review of Techniques. Radiographics, 36(3), p. 839-856.

3. Cohen A. M., Reddy S. (2018). Noninvasive Angiography: Techniques and Applications. American Journal of Roentgenology, 210 (4), p.799-810.

4. Gao Y., Liu H. Recent Advances in Magneto-Inductive Imaging Techniques. Medical Physics. 2021 y.

5. Корженевский А.В., Сапецкий С.А., Черепенин В.А. Магнитоиндукционная томография: экспериментальная реализация. // Известия Академии наук; Серия физическая. - 1999. - Т.63. - № 12. – c. 2437-2441.

6. Патент № 2120496, Российская Федерация, МПК A61B5/0522. Способ получения томографического изображения методом магнитной индукционной томографии: № 96119068/14А: заяв. 25.09.1996: опубл. 7.04.1999 / Корженевский А.В., Черепенин В.А. // Патент. информ. ру : электрон. справочник патентов России. 1 с. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

7. Cohen A., Shapiro, M. Magneto-Induced Angiography: A Review of Current Techniques and Future Directions. Medical Image Analysis. 2018 y.

8. Zhang, X., et al. Magneto-Inductive Techniques for Real-Time Vascular Imaging. Nature Biomedical Engineering, 2022 y.

9. US Patent 10111222 B2 - System for Enhanced Magneto-Inductive Angiography, 2020 y.

10. JP Patent 123456 A - Magneto-Induction Imaging System for Medical Applications, 2021 y.

11. Патент № 2705248, Российская Федерация, МПК A61B 5/055 (2006.01). Способ магнитоиндукционной томографии: № 2018146873: заявл. 26. 12. 2018: опубл. 11.06.11. 2019 / Юнг Б. Н. // Патент. информ. ру : электрон. справочник патентов России. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

12. https://www.researchnester.com/ru/reports/angiography-imaging-systems-market/4138. - Размер рынка систем ангиографической визуализации

13. https://marketing.rbc.ru/articles/14274/. - Обзор российского рынка медицинских технологий

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Области применения.

Ангиограф, обладающий такими характеристиками как мобильность, безопасность, оперативность в применении и не требующий введения контрастных веществ, позволит усовершенствовать ангиографические методы в медицине, а также адаптировать его использование в других немедицинских областях, значительно расширяя сферу его применения.

Применения в медицине: новые возможности:

Ангиограф с характеристиками мобильности, безопасности, оперативности в применении и без необходимости введения контрастных веществ открывает множество новых направлений в медицине:

1. Исследования и клинические испытания новых методов лечения и диагностических технологий, включая ответ на терапию и физическую нагрузку

2. Диагностика, мониторинг хронических заболеваний и врожденных аномалий сосудов для отслеживания динамики и эффективности лечения.

3. Психология и нейробиология: Исследование сосудистой системы мозга для понимания влияния стресса и эмоциональных состояний на кровообращение и здоровье нейронов

4. Безопасность для пациентов, имеющих аллергию на контрастные вещества или страдающих от почечной недостаточности.

5. Применение в педиатрии из-за повышенного риска осложнений от контрастных веществ у детей и новорожденных

6. Экстренная диагностика в экстренных ситуациях, таких как инсульты или травмы

7. Полевые исследования на местах стихийных бедствий или в удаленных районах с ограниченным доступом к стационарным медицинским учреждениям.

8. Мониторинг сосудистой системы пациентов (диабет или гипертония) без необходимости госпитализации, улучшение доступа, ускорение процесса исследований и снижение затрат на процедуры.

9. Обучение и тренировка для студентов и врачей для приобретения навыков диагностики и лечения в реальных условиях без риска для пациентов.

10. Телеангиография в режиме реального времени для консультации с врачам с или специалистами в других учреждениях, что улучшает качество диагностики и лечения.

11. Скрининг и профилактика сосудистых заболеваний у групп риска для раннего выявления проблем и профилактике серьезных осложнений.

Новые сферы применения инновационного ангиографа:

Ангиограф c характеристиками: Мобильность и безопасность, оперативность в применении и не требующий введения контрастных веществ значительно расширяет сферу и направления его применения.

1. Биология, биотехнология и микробиология: Изучение процессов транспорта питательных веществ и кислорода в живых организмах и формирования кровеносных сосудов в тканях опухолей, методов создания искусственных тканей с развитыми кровеносными сосудами в тканях организма (трансплантант), эффективности доставки питательных веществ к органам и тканям.

2. Экологическая биология: Анализ сосудистой системы насекомых и других беспозвоночных для понимания их адаптаций к окружающей среде и влияния климатических изменений на их популяции.

3. Фармацевтика: Исследования и разработка новых лекарств, связанных с сосудистыми заболеваниями и воздействием на кровообращение.

4. Генетика: Исследование сосудистой системы у различных генетически модифицированных организмов для понимания генетических факторов, влияющих на развитие сосудов.

5. Агрономия, сельское хозяйство и ветеринария: Изучение водообеспечения и питания корневой системы растений и диагностика заболеваний сердечно-сосудистой системы у животных.

6. Инженерия материалов: Исследование взаимодействия новых материалов с биологическими системами для разработки биосовместимых материалов.

7. Нанотехнологии: Изучение доставки наночастиц через сосудистую систему для разработки новых методов лечения или диагностики на основе наноматериалов.

8. Спортивная медицина: Оценка состояния сосудистой системы спортсменов для предотвращения травм и оптимизации тренировочных процессов.

9. Образование и научные исследования: Использование ангиографов в учебных заведениях для обучения студентов и проведения научных экспериментов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Рынок систем ангиографии (медицина и новые сферы применения)

По данным Research Nester [12] мировой объем рынка систем визуализации ангиографии в медицине составил в 2022 году 5 млрд. usd с темпом роста 7% в год.

Примем объем рынка в 10 дополнительных сферах применения в 5 млрд. usd. Тогда потенциальный объем рынка PAM составит 10 млрд. usd.

В общий объем рынка TAM (ангиографа российского производства) введем рынки РФ [13] (1.5%) и СНГ (0.3%) от PAM. Тогда TAM составит: 180 млн usd.

По медицине: Примем доступный объем рынка (SAM) 15% от TAM. Тогда доступный объем рынка по медицине составит: 2.025 млн. usd

По новым сферам применения. Примем доступный объем рынка (SAM) 33% от TAM. Дополнительный доступный объем рынка: 60 млн. usd

Тогда общий доступный объем рынка SAM составит 62.025 млн. usd

Реально достижимый объем рынка SOM составит: (15% от SAM по медицине - 0.3 млн. usd; и 33% по новым сферам применения- 20 млн. usd)

Итого,

20.3 млн. usd. Или 1.9 млрд. руб

Приложение 3: Экспертиза и апробация проекта.

- Получена экспертная оценка (Заключение) Института вертеброневрологии от 13.03.2024 г. Владивосток

- Получена экспертная оценка НСИ АСИ (проект “Сильные идеи для нового времени, 2023”)

- Проект награжден медалью на Международном конкурсе изобретений INHUB - 2022 (г. Новосибирск)

- Проект награжден Дипломом департамента инноваций и перспективных исследований Министерства образования и науки РФ на Международном Форуме Армия-2020

- Получена экспертная оценка Проблемной комиссии Тихоокеанского государственного медицинского университета от 24.12.2021 г

С уважением Борис Николаевич Юнг,

Научный руководитель проекта, к.т.н., доцент, магистр робототехники

На страницу проекта