Кости в фокусе

Любовь к науке и точности

Молодого ученого Матвея Орлова уже узнают в Самаре как активного организатора научпопа для школьников, автора познавательных видеоблогов для детей, регулярного спикера и участника конкурсных и просветительских мероприятий с элементами научного шоу для школьников.

Матвей Орлов в 2020 году окончил с отличием Самарский государственный аграрный университет по направлению «Ветеринария». В 2024 году окончил аспирантуру по направлению «Биологические науки» и в этом же году в Оренбургском государственном аграрном университете защитил диссертационную работу на соискание степени кандидата биологических наук по специальности «Патология животных, морфология, физиология, фармакология и токсикология». На сегодняшний день преподает в Самарском ГАУ дисциплину «Физиология и этология сельскохозяйственных животных».

Молодой специалист уверен, что метрология в медицине – это вопрос крайне важный. Ведь медицина всегда была и будет связана с точностью. Поэтому для решения одной из самых серьезных проблем животноводства всего мира Матвеем Орловым совместно с профессором Алексеем Савинковым был разработан прибор ультразвуковой эхоостеометр. Он представляет собой инновационное решение в области медицинской и ветеринарной диагностики, а перспективы его использования выглядят весьма многообещающе.

Прибор проходил испытания и апробирование на базе АО «Самарплем», научно-учебной лаборатории «Виварий» (ФГБОУ ВО Самарский ГАУ) и в СПК (колхоз) им. Калягина, по итогам которых было выпущено более 10 научных публикаций.

Новое средство измерения было отмечено на XXIII Российской агропромышленной выставке «Золотая осень – 2021», мероприятии «Поволжские агропромышленные выставки» и выставке «Вектор самарской науки». Также изобретение стало победителем национальной премии имени А.А. Ежевского, а еще – всероссийского конкурса молодежных авторских проектов «Моя страна – моя Россия».

История проблемы

Как известно, каждое средство измерения появляется тогда, когда необходимость в нем становится критической. Так получилось и с устройством Матвея Орлова. На сегодняшний день значительной проблемой в ветеринарии является выявление и диагностика болезней, связанных с нарушением обмена веществ. Группой заболеваний «Остеодистрофии» на сегодняшний день страдают свыше 45% (более 3,5 млн) крупного рогатого скота в Российской Федерации. Течение этих заболеваний можно описать тремя стадиями:

I стадия – не диагностируется ни одним доступным способом, так как на этом этапе развития заболевания изменения в гематологии (кровеносной системе), рентгенологии (изменения в структуре костной ткани) не отмечаются, не фиксируется снижение продуктивности. Точное количество животных на данной стадии неизвестно, а переход от I ко II стадии занимает около трех недель;

II стадия – небольшое снижение продуктивности (молокоотдача и набор массы) на 20-30%. Данная стадия диагностируется с помощью гематологического исследования. На сегодняшний день около 2,4 млн животных находится на этой стадии. Переход от II к III стадии занимает около месяца;

III стадия – выраженное снижение продуктивности на 80-100%. Обычно диагностируется с помощью рентгена и гематологии, но чаще всего животных на этой стадии отправляют на убой. Сегодня порядка 1,2 млн животных в РФ находится на данной стадии.

Проблема роста болезней минерального обмена связана как с нарушениями в содержании и кормлении животных, так и с несовершенством и малой доступностью актуального и компактного рентгеновского оборудования, позволяющего выявить проблемы и своевременно начать лечение, остановив развитие патологии в начальной стадии.

В результате невозможность ранней диагностики этих заболеваний приводит к снижению продуктивных и экономических показателей хозяйства, которые усугубляются необходимостью проводить дорогостоящие гематологические исследования, позволяющие контролировать общее состояние животных, а также отсутствием диагностических альтернатив.

Ранняя диагностика при помощи ультразвука

Созданный молодым ученым прибор называется «ультразвуковой эхоостеометр», и его работа направлена на диагностику заболеваний группы «Остеодистрофии» на I стадии патологического процесса. Прибор можно отнести как к ветеринарным, так и к медицинским, а именно направленным на диагностику функциональных и патологических состояний костей скелета, связанных с их минеральной  резорбцией .

Прибор предназначен для прижизненной оценки состояния костной ткани путем измерения времени прохождения ультразвуковых импульсов и отображения расчетной усредненной скорости ультразвука при последовательных измерениях разных участков исследуемой кости. Другими словами, этот прибор позволяет измерять структуру изменений костной ткани без вреда и лишнего беспокойства для животных. Техническим результатом использования прибора является повышение эффективности постановки диагноза в доклинических стадиях нарушения минерального обмена максимально простым и недорогим способом. Пока аналогов эхоостеометра в мире нет – метод, реализуемый в ультразвуковом эхоостеометре, в ветеринарии активно не применяется, а в медицине приборы ультразвуковой диагностики чаще всего стационарны и имеют большую энергоемкость.

Поскольку ультразвуковой эхоостеометр измеряет плотность костной ткани посредством скорости прохождения в ней ультразвукового излучения и выдает числовые значения в метрах в секунду, его можно отнести к сложным функциональным медицинским средствам измерения. С учетом активного развития этого направления появление аналогичного прибора для диагностики состояния здоровья человека является даже не вопросом времени, а просто необходимостью перенастроить прибор на другие параметры.

Инновационность предложенного Орловым эхоостеометра заключается в применении трех волн ультразвука – продольной, поперечной и поверхностной, что позволяет снизить погрешность до 3%. Прибор состоит из достаточно простого корпуса, wi-fi- и bluetooth-адаптеров, контроллера для обработки сигнала, USB-кабеля, пьезоэлектрического излучателя, высокочастотного генератора, вырабатывающего ультразвуковой импульс, основного блока, состоящего из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), драйвера и двух приемных датчиков (собранных в единой конструкции); прибор оснащен сенсорным экраном с доступным интерфейсом. Скорость измерительного акта составляет не более одной минуты, а сами измерения проводятся неинвазивно, без дополнительного стресса для животного. Особенности конструкции и российские запчасти позволяют удешевить его производство, сделать прибор компактным (вес не более 3 кг) и доступным для использования в полевых условиях как в ветеринарной, так и в медицинской практике.

Справка

Данный прибор позволяет диагностировать до 90% внутренних патологий как сельскохозяйственных, так и домашних животных в разных физиологических состояниях (лактация, беременность, патологическое состояния, в период половой охоты, а также изменения физиологического состояния организма в разных режимах кормления). На данный момент не существует действующих мировых аналогов.  

Прибор прост в применении, что позволяет им пользоваться не только ветеринарному специалисту, но и людям, которые не имеют специального образования. Ветеринарный специалист может отслеживать в режиме онлайн (посредством программного обеспечения) измерения за период исследований. Разработанный прибор позволяет повысить продуктивность в клинических исследованиях патологий на 80% и увеличить процент точности постановки диагноза. Также прибор снижает экономические затраты на проведение лечебных мероприятий ориентировочно на 50-60%. Прибор эхоостеометр позволяет диагностировать остеодистрофию, осуществлять мониторинг эффективности кормления, состояния здоровья по сезонам года, физиологических изменений внутренних патологий у животных, проводить динамическое отслеживание всех изменений благодаря автоматически обновляемой базе данных и интернет-соединению прибора с компьютером.

подробнее

Согласно информации, опубликованной в материалах испытаний опытного образца портативного ветеринарного ультразвукового эхоостеометра, проводившихся в декабре 2022 года на базе ООО «СТАРТ», прибор способен выполнять линейное измерение скорости ультразвука в костях скелета. Таким образом, опосредованно может быть измерена плотность костей скелета, которая напрямую зависит от уровня минерализации костного матрикса. Для измерения уровня прохождения ультразвука в костной ткани было выбрано три области исследования: лобная кость, латеральная поверхность плюсны, позвонки в средней части хвоста.

Таким образом, испытуемый прибор целесообразно использовать в качестве экспресс-метода диагностики алиментарной остеодистрофии коров, вызванной нарушением минерального обмена.

Экономическая эффективность этого метода пока только просчитывается, поскольку прямое влияние метода исследования на доход фермы выявить крайне сложно. Но и на этом этапе понятно, что правильная профилактика заболевания позволит оптимизировать расходы на лечении скота, на выводе голов из основного стада, на сохранении человеческого капитала (сотрудников фермы) – все это косвенные, но существенные в условиях аграрного производства показатели. При дальнейшем развитии технологии с выводом ее на медицинскую диагностику эффективность прибора, спасающего здоровье и, возможно, жизнь, получит новое подтверждение.

Потенциал эхоостеометра

Эхоостеометр, как новое средство измерения, позволяет не только диагностировать ряд заболеваний, связанных с обменными процессами, но и обеспечить профилактику этих заболеваний, что оберегает животноводческие хозяйства и фермы от экономических потерь. Если говорить о том, как прибор может использоваться в медицине для лечения людей, то изобретатель отмечает следующие возможности:

• ранняя диагностика заболеваний костной ткани. Прибор позволяет с высокой точностью (погрешность около 3%) оценивать состояние костей, что особенно важно для диагностики таких заболеваний, как остеопороз, остеопения и другие патологии костной ткани. Раннее выявление этих заболеваний может значительно улучшить качество жизни пациентов, так как позволит своевременно начать лечение и предотвратить осложнения, например, переломы;

• неинвазивность и безопасность. Ультразвуковая технология, используемая в эхоостеометре, является неинвазивной и безопасной для пациентов. Это делает процедуру диагностики комфортной и доступной для широкого круга людей, включая пожилых пациентов и тех, кто имеет противопоказания к другим методам исследования, например, к рентгенографии;

• доступность и портативность. Прибор компактный и относительно недорогой в производстве, это позволяет использовать его не только в крупных медицинских центрах, но и в небольших клиниках, а также в условиях удаленных регионов, где доступ к сложному диагностическому оборудованию ограничен. Это может значительно улучшить качество медицинской в российской глубинке, а также в развивающихся странах;

• мониторинг лечения. Эхоостеометр полезен для отслеживания эффективности лечения заболеваний костной ткани. Врачи могут регулярно оценивать изменения в плотности и структуре костей, что позволит корректировать терапию в режиме реального времени и добиваться лучших результатов;

• применение в спортивной медицине. Прибор может найти применение в спортивной медицине для оценки состояния костей у спортсменов, особенно тех, кто подвержен высоким нагрузкам и риску травм. Это поможет предотвращать переломы и другие повреждения, связанные с чрезмерной нагрузкой на костную ткань;

• исследования и профилактика. Эхоостеометр изначально расценивался нами как инструмент для научных исследований в области костной ткани, а также для профилактических осмотров населения и животных. Регулярные обследования помогут выявлять группы риска и принимать меры для предотвращения развития заболеваний.