Способ диагностики диабетической полинейропатии

Изобретение относится к медицине и предназначено для диагностики диабетической полинейропатии. Получают цифровое конфокальное изображение роговичных нервных волокон в слоях переднего эпителия роговицы и боуменовой мембраны. На изображении выбирают условное главное направление, относительно которого от угла α=0° до α=179° вычисляют множество интегральных удлинений нервных волокон роговицы, содержащее в каждом элементе сумму точек изображения с координатами x, y для каждого угла α, удовлетворяющих двум условиям - принадлежности точки изображения отображаемому нервному волокну роговицы и прохождению в этой точке касательной к нервному волокну роговицы под округленным до целого углом α к условному главному направлению изображения. Из полученного множества интегральных удлинений нервных волокон роговицы выбирают абсолютное максимальное и абсолютное минимальное значения интегральных удлинений и вычисляют коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы. Диагностируют диабетическую полинейропатию при значениях коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы меньше 2,8 для лиц в возрасте более 40 лет, и меньше 3,0 - для лиц в возрасте менее 40 лет. Способ обеспечивает объективную диагностику диабетической нейропатии при скрытых формах сахарного диабета, что достигается за счет определения коэффициента анизотропии. 2 ил., 3 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к медицине и предназначено для диагностики диабетической полинейропатии.

Полинейропатия - поражение периферических участков нервной системы, сопровождающееся параличами, нарушениями чувствительности и трофическими расстройствами. Причинами развития полинейропатии могут выступать различные этиологические факторы, в основном, воспалительного, токсического, травматического и аллергического характера. В зависимости от длительности процесса выделяют острую, подострую и хроническую полинейропатии. Острая и подострая полинейропатии преимущественно обратимы и вызваны непосредственным влиянием отравляющих веществ или лекарств.

Точную причину развития хронической полинейропатии, как правило, выявить не удается. Однако к основным патологиям, способствующим развитию полинейропатии, можно отнести дифтерию, сахарный диабет, цирроз печени, коллагенозы, онкологические заболевания и гипотиреоз. В последнее время особенно возрос интерес к полинейропатии, связанной с развитием сахарного диабета, в связи с огромной распространенностью данного заболевания, приводящего к инвалидизации и увеличению смертности населения во всем мире.

Диабетическая полинейропатия относится к одному из самых частых заболеваний нервной системы в развитых странах, формирующаяся на любой стадии развития сахарного диабета, а зачастую - предшествующая его развитию и приводящая к наличию грозных осложнений, вплоть до ампутации конечностей. Данная патология развивается у 75% пациентов при наличии сахарного диабета, лечение ее весьма затруднено, а диагностика, как правило, сводится к анамнестическому сбору жалоб, таких как: чувство жжения и покалывания, а также онемение и потеря чувствительности в конечностях, отечность стоп и чувство зябкости. Для точной диагностики наличия диабетической полинейропатии возможно использование «золотого стандарта» - биопсии кожи или участка нерва с пораженной поверхности конечности, являющейся затруднительной инвазивной манипуляцией, а также проведение электронейромиографии с игольчатыми электродами.

Подавляющее большинство случаев первичного выявления сахарного диабета связано с изменениями в биохимическом анализе крови, основанными на показателях уровня глюкозы, гликированного гемоглобина и липидного профиля крови. Однако известны случаи первичного выявления диабета после обследования офтальмологом, отметившим характерные изменения на глазном дне. Очевидно, что сочетание большого потока пациентов, проходящего через учреждения офтальмологического профиля наряду с данными о том, что орган зрения при развитии диабетической патологии страдает одним из первых, делают актуальным разработку экспресс-теста, позволяющего выявить системные проявления сахарного диабета.

Ученым из Австралии Натаном Эфроном (Nathan Efron) было выдвинуто предположение о возможности применения конфокального микроскопа для оценки состояния роговичных нервных волокон у пациентов с сахарным диабетом. Опыт использования конфокальной микроскопии в Медицинской школе Университета Манчестера доктором Малик (Malik R.A.) (длительностью более восьми лет) доказал, что данную методику можно использовать в качестве ранней диагностики изменений в роговичных нервных волокнах, появляющихся при развитии диабетической полинейропатии.

Однако до настоящего момента конфокальное исследование роговичных нервных волокон имело существенное ограничение в применении получаемых данных для диагностики полинейропатии, что было связано, прежде всего, с высокой степенью субъективизма в описании состояния нервных волокон.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ диагностики диабетической полинейропатии на основе нескольких показателей состояния роговичных нервных волокон: NFD (Nerve Fibre Density) - количество основных нервных стволов, NBD (Nerve Branch Density) - количество ответвлений от основных нервных стволов, NFL (Nerve Fibre Length) - общая длина всех нервных волокон, NFT (Nerve Fibre Tortuosity) - общий коэффициент извитости нервных волокон роговицы (Malik R.A., Kallinikos P., Abbott C.A., van Schie C.H., Morgan P., Efron N., Boulton AJ. Corneal confocal microscopy: a non-invasive surrogate of nerve fibre damage and repair in diabetic patients. Diabetologia. 2003; 46: p. 683-688). Однако в связи с тем, что площадь наблюдаемого участка роговицы в десятки раз меньше ее размеров и позиционирование при наблюдении невозможно, достаточно сложно найти аналогичные пучки нервных волокон при нескольких процедурах съемки у одного и того же пациента, а тем более у нескольких разных пациентов, даже если постараться фиксировать взгляд в одной точке. С учетом большой глубины фокуса при любом типе конфокальных наблюдений велика вероятность одновременной параллельной съемки нескольких слоев нервных волокон. Поэтому такие параметры, как количество нервных волокон, их ответвлений, а также общая длина всех волокон, могут давать кратные ложные значения при попытке их оценить. При этом общая длина напрямую зависит от коэффициента извитости, что вносит дополнительные искажения. В последних версиях программного обеспечения (2014 года) этот недостаток частично был учтен в расчетах путем нормирования общей длины нервных волокон роговицы к общему коэффициенту извитости. Тем не менее, подход к интерпретации снимков не изменился - в рассмотрение брали снимки разных участков роговицы, при этом требовалась ручная трассировка, то есть выделение определенных участков нервных волокон вручную, что, как говорилось выше, не является информативным и объективным.

Задачей изобретения явилась разработка усовершенствованного способа диагностики диабетической полинейропатии на основе показателя коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность объективной диагностики диабетической полинейропатии, в том числе при скрытых формах сахарного диабета для эффективной профилактики и своевременного начала лечения.

Технический результат достигается за счет вычисления коэффициента анизотропии направленности роговичных нервных волокон морфометрической характеристики нервной сети роговицы, чувствительной к развитию полинейропатии.

В основе предлагаемого нами способа лежит оценка коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы K_ΔL по данным анализа конфокального изображения.

Ранее было доказано, что по мере развития диабетической полинейропатии увеличивается извитость нервных волокон роговицы. Геометрически любые нервные волокна можно описывать совокупностью малых (элементарных) прямых отрезков. При этом сумма отрезков по каждому из направлений будет характеризовать направленность этого волокна. Таким образом, для прямолинейных однонаправленных нервных волокон будет характерно доминирование одного направления среди всех возможных. И, наоборот, для нервного волокна, имеющего в целом тоже генеральное направление, но характеризующегося высокой степенью извитости, доминирующего направления обнаруживаться не будет, так как направленность будет складываться из разнонаправленных элементарных отрезков. Проще всего наличие или отсутствие доминирующего направления на диаграммах направленности можно описать коэффициентом анизотропии, что и является основной идеей наших вычислений, лежащих в основе способа диагностики.

Для проверки предлагаемого способа и оценки рефересных значений показателя коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы были выбраны две контрастные группы пациентов - группа с диагностированной полинейропатией (76 пациентов, 114 глаз) и группа клинически здоровых лиц (38 человек, 64 глаза). Исследования проводили с помощью метода электронейромиографии с использованием аппарата «Синапсис» (http://neurotech.ru/product.aspx?prd=1). При этом выполняли исследование нервно-мышечной проводимости с анализом декремента М-ответа, определение потенциалов двигательных единиц, а также оценку количества двигательных единиц.

Обе группы имели поливозрастной характер и были условно эквивалентны по диапазону и распределению возрастов (от 18 до 89 лет с медианой 53,5 года). В обеих группах было отмечено возрастное скольжение коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы со снижением его значений по мере увеличения возраста (фиг. 1). На фиг. 1 возраст обозначен на оси абсцисс, а коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы - на оси ординат. Полые кружки - пациенты с верифицированной полинейропатией, точки - клинически здоровые люди. Вместе с этим, представленная выборка позволяет корректно описать референсное значение, ограничивающее нормальные и патологические значения по двум возрастным диапазонам коэффициента анизотропии направленности роговичных нервных волокон, не прибегая к описанию функции возрастного скольжения референсного значения.

Выявлена высокая положительная достоверная корреляция (R²=0,81, р<0,05) потенциала двигательных единиц при электронейромиографическом исследовании со значениями коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы.

Можно вычислить чувствительность и специфичность предлагаемого способа диагностики с оговоркой, что при разбивке групп электронейромиографическое исследование использовалось нами в качестве диагностического критерия полинейропатии.

При значениях коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы ниже 3,0 в возрастной группе до 40 лет чувствительность и специфичность предлагаемого показателя для диагностики полинейропатии составили 80% и 77% соответственно. При значениях коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы ниже 2,8 в возрастной группе старше 40 лет чувствительность и специфичность предлагаемого показателя для диагностики полинейропатии составили 82% и 67% соответственно (фиг. 2). На данной диаграмме представлена вероятность распределения коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы в норме (заштриховано) и при выявленной диабетической полинейропатии (сплошная заливка) для группы пациентов в возрасте до 40 лет (А) и старше 40 лет (Б) с вынесенными референсными значениями, характеризующими равные вероятности встречаемости. В группу А (возраст менее 40 лет) вошел 51 участник (83 глаза), в группу Б (возраст более 40 лет) - 63 участника (95 глаз).

Чувствительность метода (Se) расчитывали по формуле

где TP - истинные положительные результаты исследования,

D - количество всех заболевших.

Специфичность метода рассчитывали по формуле:

где TN - истинно отрицательные случаи,

D - здоровые пациенты.

Способ осуществляют следующим образом. Получают цифровое конфокальное изображение роговицы в пределах переднего эпителия роговицы и боуменовой мембраны (с помощью оптического микроскопа или волновых методов). На изображении выбирают условное главное направление, относительно которого от угла от α=0° до α=179° вычисляют множество интегральных удлинений нервных волокон роговицы $$\left\{L_{\alpha =0^{\circ }},L_{\alpha =1^{\circ }},L_{\alpha =2^{\circ }}\dots L_{\alpha ={179}^{\circ }}\right\}$$ , содержащее в каждом элементе сумму точек изображения с координатами x, y для каждого угла α, удовлетворяющих двум условиям - принадлежности точки изображения отображаемому нервному волокну роговицы и прохождению в этой точке касательной к нервному волокну роговицы под округленным до целого углом α к условному главному направлению изображения:

Из полученного множества интегральных удлинений нервных волокон роговицы выбирают абсолютное максимальное и абсолютное минимальное значения интегральных удлинений. Вычисляют коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы по формуле:

$$K=\frac{{\displaystyle \int L_{\max }}}{{\displaystyle \int L_{\min }}}$$ , где K_ΔL - коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы, $${\displaystyle \int L_{\max }}$$ и $${\displaystyle \int L_{\min }}$$ - абсолютные максимальное и минимальное интегральные удлинения нервных волокон роговицы среди всех оцениваемых направлений α множества $$\left\{L_{\alpha =0^{\circ }},L_{\alpha =1^{\circ }},L_{\alpha =2^{\circ }}\dots L_{\alpha ={179}^{\circ }}\right\}$$ .

Диагностируют диабетическую полинейропатию при значениях коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы меньше 2,8 для лиц в возрасте более 40 лет, и меньше 3,0 - для лиц в возрасте менее 40 лет.

Пример 1. Пациент К., 29 лет, диагноз: СД I типа, длительностью 25 лет, осложнившийся диабетической полинейропатией, уровень гликированного гемоглобина 6,6 ммоль/л.

Пациента усадили за конфокальный лазерный микроскоп (HRT-III с роговичной насадкой) для получения изображения роговицы. Изображения роговицы были получены парацентрально, а также в пределах переднего эпителия роговицы и боуменовой мембраны. На изображении выбрали условное главное направление изображения (α=0°), например, чтобы оно соответствовало горизонтальному направлению. Проверили каждую точку изображения в x, y координатах, и если точка изображения принадлежала отображаемому нервному волокну, то определяли целочисленное значение угла α между касательной к нервному волокну роговицы в этой точке и нулевым направлением, к текущему значению массива $$\left\{L_{\alpha =0^{\circ }},L_{\alpha =1^{\circ }},L_{\alpha =2^{\circ }}\dots L_{\alpha ={179}^{\circ }}\right\}$$ для определенного α добавили 1.

Например, точка с координатами х=99, y=43 принадлежала на изображении отображаемому нервному волокну, а касательная к этому нервному волокну в этой точке находилась под углом α=43° к горизонтальному направлению снимка. Таким образом, к значению $$L_{{\alpha }_{{43}^{\circ }}}=9$$ , ранее равнявшемуся L01430=8 (что соответствовало при сканировании изображения 8 обнаруженным ранее случаям прохождения касательной под углом α=43° к горизонтальному направлению снимка и одновременного попадания точки на нервное волокно роговицы), прибавляли 1, что стало равным $$L_{{\alpha }_{{43}^{\circ }}}=9$$ .

Подобным образом формировали все множество, характеризующее интегральное удлинение нервных волокон роговицы $$\left\{L_{\alpha =0^{\circ }},L_{\alpha =1^{\circ }},L_{\alpha =2^{\circ }}\dots L_{\alpha ={179}^{\circ }}\right\}$$ , содержащее суммарное количество точек изображения с координатами x, y для каждого угла α, удовлетворяющих двум условиям - принадлежности точки изображения отображаемому нервному волокну и расположению касательной к роговичному нервному волокну в данной точке под округленным до целого углом α к условному главному направлению изображения:

После рассмотрения всех точек изображения из полученного множества выбрали абсолютное максимальное и абсолютное минимальное значения интегральных удлинений, при этом коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы вычислили по формуле как отношение величины максимального интегрального удлинения к минимальному:

Коэффициент анизотропии был равен 1,6, что подтвердило наличие у данного пациента диабетической полинейропатии без проведения длительных, дорогостоящих и инвазивных манипуляций (ЭМГ с игольчатым электродом, оценка холодовой, тепловой и вибрационной видов чувствительности).

Пример 2. Пациент Н., 67 лет, диагноз: СД II типа, длительностью 13 лет, осложнившийся диабетической полинейропатией, уровень гликированного гемоглобина 4,9 ммоль/л.

Пациента усадили за конфокальный лазерный микроскоп (HRT-III с роговичной насадкой) для получения изображения роговицы. Изображения роговицы были получены парацентрально, а также в пределах переднего эпителия роговицы и боуменовой мембраны. На изображении выбрали условное главное направление изображения (α=0°), например, чтобы оно соответствовало горизонтальному направлению. Проверили каждую точку изображения в x, y координатах, и если точка изображения принадлежала отображаемому нервному волокну, то определяли целочисленное значение угла α между касательной к нервному волокну роговицы в этой точке и нулевым направлением, к текущему значению массива $$\left\{L_{\alpha =0^{\circ }},L_{\alpha =1^{\circ }},L_{\alpha =2^{\circ }}\dots L_{\alpha ={179}^{\circ }}\right\}$$ для определенного α добавили 1.

Например, точка с координатами x=114, y=89 принадлежала на изображении отображаемому нервному волокну, а касательная к этому нервному волокну в этой точке находилась под углом α=73° к горизонтальному направлению снимка. Таким образом, к значению $$L_{\alpha ={73}^{\circ }}$$ , ранее равнявшемуся $$L_{\alpha ={73}^{\circ }}=5$$ (что соответствовало при сканировании изображения 5 обнаруженным ранее случаям прохождения касательной под углом α=73° к горизонтальному направлению снимка и одновременного попадания точки на роговичное нервное волокно), прибавили 1, и что стало равным $$L_{\alpha ={73}^{\circ }}=6$$ .

Подобным образом формировали все множество, характеризующее интегральное удлинение нервных волокон роговицы $$\left\{L_{\alpha =0^{\circ }},L_{\alpha =1^{\circ }},L_{\alpha =2^{\circ }}\dots L_{\alpha ={179}^{\circ }}\right\}$$ содержащее суммарное количество точек изображения с координатами х, y для каждого угла α, удовлетворяющих двум условиям - принадлежности точки изображения отображаемому нервному волокну и расположению касательной к нервному волокну в данной точке под округленным до целого углом α к условному главному направлению изображения:

После рассмотрения всех точек изображения из полученного множества выбрали абсолютное максимальное и абсолютное минимальное значения интегральных удлинений, при этом коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы вычислили по формуле как отношение величины максимального интегрального удлинения к минимальному:

Коэффициент анизотропии был равен 2,4, что подтвердило, несмотря на удовлетворительные показатели гликированного гемоглобина, наличие у данного пациента диабетической полинейропатии без проведения длительных, дорогостоящих и инвазивных манипуляций (ЭМГ с игольчатым электродом, оценка холодовой, тепловой и вибрационной видов чувствительности).

Пример 3. Пациент П., 56 лет, сахарный диабет, длительностью 6 лет и уровнем гликированного гемоглобина 9,8 ммоль/л, диабетическая полинейропатия ?

Пациента усадили за конфокальный лазерный микроскоп (HRT-III с роговичной насадкой) для получения изображения роговицы. Изображения роговицы были получены парацентрально, а также в пределах переднего эпителия роговицы и боуменовой мембраны. На изображении выбрали условное главное направление изображения (α=0°), например, чтобы оно соответствовало горизонтальному направлению. Проверили каждую точку изображения в x, y координатах, и если точка изображения принадлежала отображаемому нервному волокну, то определяли целочисленное значение угла α между касательной к нервному волокну роговицы в этой точке и нулевым направлением, к текущему значению массива $$\left\{L_{\alpha =0^{\circ }},L_{\alpha =1^{\circ }},L_{\alpha =2^{\circ }}\dots L_{\alpha ={179}^{\circ }}\right\}$$ для определенного α добавляли 1.

Например, точка с координатами х=4, y=103 принадлежала на изображении отображаемому нервному волокну, а касательная к этому нервному волокну в этой точке находилась под углом α=13° к горизонтальному направлению снимка. Таким образом, к значению $$L_{\alpha ={13}^{\circ }}$$ , ранее равнявшемуся $$L_{\alpha ={13}^{\circ }}=1$$ (что соответствовало при сканировании изображения 1 обнаруженным ранее случаям прохождения касательной под углом α=13° к горизонтальному направлению снимка и одновременного попадания точки на нервное волокно роговицы), прибавляли 1, что было равным $$L_{\alpha ={13}^{\circ }}=2$$ .

Подобным образом формировали все множество, характеризующее интегральное удлинение нервных волокон роговицы {L_α}, содержащее суммарное количество точек изображения с координатами х, y для каждого угла α, удовлетворяющих двум условиям - принадлежности точки изображения отображаемому нервному волокну и расположению касательной к нервному волокну роговицы в данной точке под округленным до целого углом α к условному главному направлению изображения:

После рассмотрения всех точек изображения из полученного множества выбирали абсолютное максимальное и абсолютное минимальное значения интегральных удлинений, при этом коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы вычисляли по формуле как отношение величины максимального интегрального удлинения к минимальному:

На основе разработанного нами алгоритма у данного пациента несмотря на высокие показатели уровня гликированного гемоглобина (HbAlc=9,8 ммоль/л) и «стажа заболевания» длительностью 6 лет диагноз «диабетическая полинейропатия» не был подтвержден. Коэффициент анизотропии направленности составил 3,7, что позволило отказаться от дальнейшего проведения ряда дорогостоящих и инвазивных методик.

Таким образом, предложенный способ объективной диагностики полинейропатии может быть использован в качестве основный скрининговой методики, используемой врачом-офтальмологом для выявления полинейропатиии при сахарном диабете, что в дальнейшем может способствовать эффективной профилактике и своевременному началу лечения пациентов с наличием этого тяжелого недуга.

Способ диагностики диабетической полинейропатии, включающий получение цифрового конфокального изображения роговичных нервных волокон в слоях переднего эпителия роговицы и боуменовой мембраны, отличающийся тем, что на изображении выбирают условное главное направление, относительно которого от угла от α=0° до α=179° вычисляют множество интегральных удлинений нервных волокон роговицы {L_α=0°, L_α=1°, L_α=2°...L_α=179°}, содержащее в каждом элементе сумму точек изображения с координатами x, y для каждого угла α, удовлетворяющих двум условиям - принадлежности точки изображения отображаемому нервному волокну роговицы и прохождению в этой точке касательной к нервному волокну роговицы под округленным до целого углом α к условному главному направлению изображения:

из полученного множества интегральных удлинений нервных волокон роговицы выбирают абсолютное максимальное и абсолютное минимальное значения интегральных удлинений и вычисляют коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы по формуле:

где K_ΔL - коэффициент анизотропии направленности нервных волокон роговицы,
и - абсолютные максимальное и минимальное интегральные удлинения нервных волокон роговицы среди всех оцениваемых направлений α множества {L_α=0°, L_α=1°, L_α=2°...L_α=179°}, и диагностируют диабетическую полинейропатию при значениях коэффициента анизотропии направленности нервных волокон роговицы меньше 2,8 для лиц в возрасте более 40 лет, и меньше 3,0 - для лиц в возрасте менее 40 лет.