Wibracja jako metoda skriningu złamań u dzieci

Główne pytanie badawcze, na którym opiera się to badanie pilotażowe, brzmi: „Czy widma drgań pozwalają wiarygodnie odróżnić kości złamane od niezłamanych u dzieci?”

Problem:

Wykonuje się znaczną liczbę niepotrzebnych zdjęć rentgenowskich, aby wykluczyć obecność złamań. W 2011 r. 46 000 dzieci trafiło na oddział ratunkowy (SOR) szpitala dziecięcego w Sheffield, dla których wykonano 10 400 zdjęć rentgenowskich. Samo wykonanie 2215 radiogramów stopy/kostki i nadgarstka okazało się niepotrzebne. Przekłada się to na potencjalne oszczędności w wysokości 119 610 GBP rocznie w Sheffield i około 12 mln GBP rocznie w Anglii i Walii.

Oczywiście istnieje zapotrzebowanie na nieinwazyjną, przenośną, tanią i szybką metodę badania przesiewowego kości długich pod kątem złamań w celu ustalenia prawdopodobieństwa, czy kość jest złamaniem dodatnim, czy ujemnym; osoby z dużym prawdopodobieństwem złamania zostaną następnie poddane radiogramowi w celu ustalenia obecności, rodzaju i umiejscowienia złamania.

Możliwe rozwiązanie:

Analiza drgań polega na mechanicznym wzbudzeniu obiektu, a następnie rejestracji i analizie kolejnych odpowiedzi. Kiedy struktura może poruszać się swobodnie po wzbudzeniu, będzie wibrować ze swoimi określonymi częstotliwościami drgań własnych, w których siły bezwładności równoważą się z siłami sprężystości, w zależności od sztywności tej konstrukcji.

Widmowa analiza drgań jest niezawodnie wykorzystywana w przemyśle do wykrywania pęknięć w maszynach.

Naukowcy przetestowali hipotezę, że złamane i niezłamane kości zwracają różne widma drgań na 13 osobach dorosłych; 7 zdrowych ochotników z Wydziału Inżynierii Sheffield Hallam University i 6 pacjentów po urazach w Northern General Hospital, z których 3 miało złamania, ze 100% korelacją widm drgań z obecnością/brakiem złamania i brakiem bólu.

Biorąc pod uwagę te zachęcające wyniki, proponuje się rozszerzenie badania na dzieci.

Teoria badań:

Naukowcy postulują, że istnieją wykrywalne różnice w częstotliwości drgań własnych kości ze złamaniem i bez. Nieuszkodzona kość kontralateralna każdego dziecka posłuży jako porównanie dla strony poszkodowanej.

Zastosowanie analizy drgań polega na mechanicznym wzbudzeniu obiektu oraz rejestracji i analizie kolejnych odpowiedzi. Teoretycznie, stosując bodziec do kości i analizując wynikową reakcję, możliwe jest monitorowanie różnych stanów patologicznych i wywołanych urazami.

Drgania mogą być indukowane albo przez impuls, który daje odpowiedź zgodną z wprowadzeniem szeregu niezależnych częstotliwości podstawowych, albo przez cykle o zmiennej częstotliwości czystych fal sinusoidalnych.

Po wywołaniu wibracji przez mały, specjalnie skonstruowany, sterowany komputerowo stukacz, najpowszechniejszą metodą ich rejestrowania jest użycie mierników piezoelektrycznych na wypukłościach kostnych (minimalizując wpływ leżącej pod nimi tkanki miękkiej). Na przykład, analizując gojenie się złamania kości piszczelowej, kostka boczna lub przyśrodkowa są głównymi miejscami. Pomyślne działanie mierników piezoelektrycznych zależy od sprzężenia miernika z badaną strukturą w taki sposób, że indukowane naprężenia powodują zmianę netto ładunku końcówek przetwornika w wyniku efektu piezoelektrycznego.

Kryształy piezoelektryczne są stosunkowo niedrogie, a ich właściwości dobrze poznane. Zarówno materiały piezorezystancyjne, jak i piezoelektryczne są powszechnie stosowane do wykrywania naprężeń powodowanych przez wibracje w strukturach w skali makro. Jednak często wymagają trudnego przetwarzania i interpretacji sygnału. Grupa badawcza ma doświadczenie w pracy ze złożonymi sygnałami medycznymi (np. elektroencefalogramy) w celu wydobycia odpowiednich informacji i wykorzysta to doświadczenie w tym projekcie.

Wcześniejsze studia wykonalności stanowią solidną podstawę dla proponowanego studium. Istnieją obszerne informacje teoretyczne, techniki analizy drgań struktur fizycznych są dobrze ugruntowane, a ponadto w wielu badaniach zbadano analizę drgań o niskiej częstotliwości jako możliwe narzędzie diagnostyczne w dziedzinie ortopedii. Na przykład w jednym z badań stwierdzono, że przenoszenie drgań przez złamanie zależy od etapów gojenia się kostniny złamania.

O ile naukowcy są świadomi, w żadnym badaniu nie wykorzystano dokładnej metodologii zaproponowanej w obecnym badaniu do badań przesiewowych pod kątem złamań u dzieci.