Сравнительный анализ эффективности и эргономики проводных и беспроводных ультразвуковых систем

Competing interests. The authors declare no competing interests.

Funding. This research received no external funding.

Compliance with ethical principles. The authors confirm that they respect the rights of the people participated in the study, including obtaining informed consent when it is necessary.

Cite as: Emel'yantsev A.A., Zheleznyak I.S., Kipriyanova I.V., Latysheva A.Ya., Romanov G.G., Voronkov L.V., Vengerovich T.D. Comparative analysis of the efficiency and ergonomics of wired and wireless ultrasound systems. Bulletin of the Medical Institute “REAVIZ”: Rehabilitation, Doctor and Health. 2024;14(4):113–121.

Актуальность

Ультразвуковая диагностика является одной из наиболее широко используемых технологий медицинской визуализации во всем мире. Преимущество заключается в доступности изображений в режиме реального времени с высоким разрешением и детализацией. Важными факторами визуализации является качественное оборудование и технические особенности датчика в сочетании с опытом врача-диагноста. В последние годы появились три области развития ультразвуковой технологии: инновационная и сложная технология высокого класса, широко применяемая, распространённая и надежная технология среднего класса и технология, направленная на уменьшение размеров устройства для ультразвукового исследования (УЗИ) у постели больного или на месте оказания медицинской помощи («point-of-care ultrasound» – POCUS) в качестве эффективного инструмента диагностики острых состояний [1, 2].

Использование компактных ультразвуковых аппаратов оправдано в случае затруднения расположения стационарного оборудования рядом с пациентом: отделение реанимации, транспортные средства, наличие дополнительных медицинских приспособлений и средств иммобилизации [3]. Для решения этих вопросов проводились исследования с использованием портативных ультразвуковых устройств в форм-факторе «ноутбук» в различных медицинских учреждениях [4–6]. Однако примене- ние этих аппаратов по-прежнему ограничено, поскольку кабель датчика снижает мобильность и удобство обследования, что напрямую влияет на качество изображения [7–9].

Отдельные требования к ультразвуковым аппаратам предъявляются в отделениях реанимации и интенсивной терапии в связи с дополнительными требованиями к дезинфекции и стерильности оборудования [1]. Особенно данные требования проявились в условиях пандемии новой коронавирусной инфекции, где в условиях изоляции пациентам требовались мониторинг степени уплотнения паренхимы лёгких и исследование возможных заболеваний брюшной полости, поскольку при длительном стационарном лечении отмечался рост рецидивов и осложнений соматических заболеваний, не связанных с основным диагнозом. Проведение данных исследований с помощью мобильных ультразвуковых устройств намного эффективнее, чем трудоёмкая транспортировка на компьютерную томографию (КТ) [2].

Для оценки эффективности беспроводных устройств представляет интерес сравнение с ультразвуковым аппаратом высокого класса в роли «золотого» стандарта. Кроме того, важен анализ эффективности использования датчика в отношении состояний пациента, влияющих на качество ультразвукового изображения, таких как гиперпневматизация кишечника или ожирение [10].

Данный подход актуален как для стационарных многопрофильных лечебных учреждений МО РФ, так и для организации диагностики больных/ пострадавших/раненых в процессе их эвакуации на следующий этап оказания медицинской помощи. Опыт военных конфликтов с конца ХХ в. показал, что для эвакуации раненых и больных следует использовать наиболее щадящие и быстроходные транспортные средства. К ним, прежде всего, относятся самолёты и вертолёты. В 2014–2015 гг. в ведущие военно-медицинские организации МО РФ осуществлена поставка медицинских самолётных и вертолётных модулей с возможностью оказания помощи пациентам, страдающим различными неотложными состояниями [11, 12]. Учитывая вероятность продолжительной эвакуации, обеспечение полноценной диагностики неотложных состояний больных реанимационного профиля является немаловажной задачей врачебно-сестринских бригад. Наличие компактного беспроводного ультразвукового сканера с возможностями автономной работы существенно упрощает эту задачу.

Цель исследования: сравнить эффективность, преимущества и удобство использования беспроводных датчиков ультразвуковой диагностики по отношению к стационарным аппаратам высокого класса.

Материалы и методы

Всего обследовано 40 пациентов (31 мужчина и 9 женщин) в период с февраля по апрель 2023 года в клиниках Военно-медицинской академии по плановым и неотложным показаниям.

Все пациенты были разделены на две группы: основная – при наличии патологических изменений, выявленных аппаратом высокого класса, и контрольная – при отсутствии патологических изменений. Обе группы были обследованы тремя врачами ультразвуковой диагностики. Для вычисления чувствительности, специфичности и точности сравнивались результаты диагностики свободной жидкости, неоднородности структуры паренхимы органов и наличия патологических образований, а также размеры анатомических структур в абсолютных величинах между аппаратами высокого класса: «DC-70» (Mindray, Китай), «CX-50» (Philips, Нидерланды), «Logic E9» (GE, США) – врач со стажем 15 лет, и беспроводным двухсторонним ультразвуковым сканером «Uprobe-C5PL» (Sonostar, Китай) – врач со стажем 13 лет. Также проводилась оценка согласованности результатов пациентов основной и контрольной групп с использованием беспроводного устройства между врачами со стажем 13 и 12 лет в выявлении патологических изменений. Дополнительно два врача-исследователя заполнили анкеты с субъективной оценкой удобства работы с беспроводными датчиками на небольшой группе из 5 пациентов (по неотложным показаниям в условиях реанимации).

Все пациенты проходили амбулаторное и стационарное лечение в клиниках Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова в период с февраля по апрель 2023 г. включительно и обследовались по неотложным и плановым показаниям. Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» МО РФ (протокол №274 от 24.01.2023 г.).

Средние выборочные значения количественных признаков сравниваемых показателей в графических диаграммах представлены в виде медианы (Мe), в таблицах – Мe ± SD, где SD – стандартное отклонение. Для статистической обработки полученных данных использованы непараметрические методы статистики: U-критерий Манна – Уитни, Т-критерий Уилкоксона, линейный регрессионный анализ, анализ четырёхпольных таблиц с расчётом чувствительности, специфичности и точности, анализ межэкспертной согласованности. Обработка данных проводилась в программном пакете MedCalc (ver. 19.2.1). Репрезентативность обосновывается сплошным характером выборки.

Пациенты обеих групп были сопоставимы по полу и возрасту (табл. 1).

Таблица 1. Распределение пациентов по полу и возрасту, Мe ± SD Table 1. Distribution of patients by gender and age, Me ± SD
Показатель	Группа основная      контрольная
Количество пациентов, чел.	21	19
Мужчины	17	14
Женщины	4	5
Возраст ± SD, лет	42 ± 9,35	42 ± 14,43

Оценка точности измерения абсолютных размеров различных органов проводилась путём проведения стандартного исследования органов брюшной полости, забрюшинного пространства, малого таза и щитовидной железы всем 40 пациентам основной и контрольной групп на ультразвуковом аппарате высокого класса и последующим повторным обследованием этого же пациента вторым врачом-исследователем при помощи беспроводного трансдьюсера. Измерения размеров органов проводилось в стандартных плоскостях с использованием основных анатомических ориентиров врачами-исследователями независимо друг от друга. Также проводилась оценка размеров выявленных патологических образований и свободной жидкости. Результаты вносились в электронную таблицу с присвоением данным анонимного номера.

Распределение пациентов по используемому ультразвуковому аппарату в зависимости от исследуемой области представлены в таблице 2 и на рисунке 1.

Таким образом, данные различных органов и систем представлены равномерно.

Таблица 2. Соотношение количества исследуемых областей в зависимости от используемого аппарата высокого класса и беспроводных ультразвуковых датчиков

Table 2. Ratio of the number of areas examined depending on the high-end device and wireless ultrasound sensors used

Исследуемая область	GE	Mindray	Philips	Sonostar	Всего
Щитовидная железа	6	5	–	11	22
Печень	6	4	–	10	20
Почки	6	4	2	12	24
Селезенка	4	3	–	7	14
Желчный пузырь	4	3	–	7	14
Мочевой пузырь	1	1	1	3	6
Простата	1	1	1	3	6
Поджелудочная железа	2	3	–	5	10
Сосуды	8	2	–	10	20
FAST	–	–	3	3	6
Всего	38	26	7	71	142

Исследуемая область:

• ■    Щитовидная железа

• ■    Печень

Почки

Селезенка

• ■    Желчный пузырь

• ■    Мочевой пузырь

• ■    Простата

• ■    Поджелудочная железа

• ■    Сосуды

• ■    FAST

Рисунок 1. Соотношение исследуемых областей к общему количеству исследований

• Figure 1.    Ratio of research areas to the total number of studies

Результаты и их обсуждение

При сравнении измеряемых количественных характеристик на аппарате высокого класса и беспроводном сканере не было выявлено значимых различий между основной и контрольной группами (рис. 2, U-критерий Манна – Уитни с поправкой Бон- феррони, p = 0,8411; U-критерий Манна – Уитни с поправкой Бонферрони, p = 0,7190).

Для сравнения размеров органов по кластерам был использован непараметрический Т-критерий Уилкоксона.

группа:

---- основная

---- контрольная

УЗИ        беспроводной высокого класса       УЗИ

Рисунок 3. Размах значений количественных параметров по кластерам. Синие столбики – измерения аппарата УЗИ высокого класса, зеленые – беспроводного сканера

Figure 3. Range of values of quantitative parameters by clusters. Blue columns – measurements of a high-end ultrasound machine, green – of a wireless scanner

Рисунок 2. Сравнение групп пациентов по количественным показателям

• Figure 2.    Comparison of patient groups by quantitative indicators

Таблица 3. Значения Т-критерия Уилкоксона при сравнении результатов измерений аппарата высокого класса и беспроводного сканера по отдельным органам

Table 3. Wilcoxon T-test values for comparison of measurement results of a high-end device and a wireless scanner for individual organs

Исследуемая область	ЩЖ	Почки	С	КВР	ЛДП	ЖП	ПЖ	МП	ПрЖ
УЗИ высокого класса
Медиана	12,1	45,9	74,2	137	60,9	30,8	17,0	64,0	31,0
1-й квартиль                |	6,2	18,3	42,5	132	54,6	13,8	11,8	54,0	27,0
3-й квартиль	17,7	99,7	98,3	143	71,4	48,7	22,7	85,2	33,6
УЗИ беспроводной
Медиана	14,3	46,5	81,6	139	63,1	25,0	19,9	62,0	31,1
1-й квартиль                |	6,7	20,5	47,3	134	57,3	13,5	12,1	61,0	25,0
3-й квартиль	19,1	94,8	99,9	147	77,1	46,6	22,6	79,5	39,2
Значения критерия
Значение p	0,11	0,45	0,06	0,94	0,32	0,48	0,49	0,45	0,24
Число позитивных сдвигов	46	37	9	5	6	5	10	4	5
Число негативных сдвигов	30	27	4	3	4	8	7	3	2

Примечание: ЩЖ – щитовидная железа; С – селезенка; КВР – косой вертикальный размер печени; ЛДП – левая доля печени; ЖП – желчный пузырь; ПЖ – поджелудочная железа; МП – мочевой пузырь; ПрЖ – предстательная железа.

Из данных таблицы 3 и рисунка 3 следует, что значимых отличий результатов измерений беспроводного сканера с «золотым» стандартом не выявлено. Отмечается незначительное превышение позитивных сдвигов над негативными при оценке щитовидной железы, что объясняется небольшим размером органа и соответственно большой погрешностью измерений непосредственно оператора.

Для проверки точности измерения размеров органов без учёта группы и исследуемой области был проведён регрессионный анализ с построением предсказательной линейной модели отношения значений аппарата высокого класса и беспроводного УЗИ (рис. 4). Значение коэффициента регрессии (r = 0,99; p < 0,01) характеризует сильную корреляционную зависимость измеренных величин независимо от органа или наличия/отсутствия заболевания.

Для проверки возможностей диагностики беспроводных ультразвуковых датчиков в выявлении патологических состояний была проведена оценка эффективности по следующим параметрам: наличие жидкости в плевральных, брюшной полостях и полости перикарда, наличие изменения структуры паренхимы и патологических образований органов.

Рисунок 4. Кривая регрессионного анализа соотношения измеряемых значений с помощью методик беспроводного УЗИ и аппарата высокого класса

Figure 4. Regression analysis curve of the ratio of measured values using wireless ultrasound techniques and high-end equipment

Таблица 4. Диагностическая эффективность беспроводных УЗ-датчиков

Table 4. Diagnostic efficiency of wireless ultrasound sensors

Показатель диагностического теста	Патологические изменения Свободная           Изменение         Образование жидкость         структуры органа
Чувствительность, %	91,7	70,0	70,0
Специфичность, %	100,0	93,3	100,0
Точность, %	97,5	87,5	95,0
AUC	0,96	0,82	0,85
Отношение правдоподобия для положительных результатов	–	10,5	–
Отношение правдоподобия для отрицательных результатов	0,08	0,32	0,3
Прогностическая ценность положительного результата, %	100,0	77,78	100,0
Прогностическая ценность отрицательного результата, %	96,55	90,3	90,9

Из данных таблицы 4 следует, что беспроводные сканеры обладают достаточно высокими характеристиками диагностического теста в сравнении со стационарными аппаратами. Отмечается высокая специфичность выявленных изменений в связи с минимальным количеством ложноположительных результатов. Также имеет место хорошая чувствительность датчиков в выявлении свободной жидкости, что особенно важно для диагностики неотложных состояний. Единичные случаи ложноотрицательных результатов объясняются минимальным объёмом жидкости.

Для проверки информативности изображений, полученных с помощью беспроводного сканера, была проведена их экспертная оценка двумя врачами с большим стажем работы – 13 и 12 лет соответственно, оба врача имели высшую квалификационную категорию по специальности «ультразвуковая диагностика». Анализ представлял собой визуальное изучение изображения с дальнейшим присвоением каждому пациенту цифрового значения выявленных патологических изменений по следующему классификатору (табл. 5).

Сравнительный анализ согласованности с помощью расчёта коэффициента Каппа – Коэна представлен в таблице 6 и на рисунке 5.

На рисунке 5 столбцами изображены оценки одного эксперта по каждому из признаков, указанных в классификаторе. В случае несовпадения оценок в этом же столбце указывается другим цветом доля других признаков по результатам исследования второго эксперта. Рассчитанное значение коэффициента Каппа – Коэна (К = 0,836) соответствует показателю «высокая согласованность».

Для сравнительного анализа эргономических характеристик и удобства использования различных УЗ-аппаратов было проведено анкетирование трёх врачей ультразвуковой диагностики, проводивших исследования с помощью беспроводных датчиков у пациентов в условиях отделения реанимации и интенсивной терапии. Субъективная оценка была определена с помощью разработанного классификатора (табл. 7). Примеры изображений датчика аппарата УЗИ высокого класса и беспроводного сканера представлены на рисунке 6.

Таблица 5. Классификатор выявленных изменений

Table 5. Classifier of identified changes

Балл                    Характеристика

0     Отсутствие патологии

• 1     Выявление свободной жидкости в полостях

• 2     Выявление неоднородности структуры органа

• 3     Выявление патологического образования

• 4    Выявление жидкости и патологического образования

• 5     Выявление жидкости и неоднородности структуры

• 6    Выявление образования и неоднородности структуры

Таблица 6. Количественная оценка совпадений и разногласий между экспертами

Table 6. Quantitative assessment of agreements and disagreements between experts

Второй эксперт	Первый эксперт
	0	1	2	3	4	5	6
0	21	1	1	0	0	0	0
1	1	5	0	0	0	0	0
2	1	0	1	0	0	1	0
3	0	0	0	1	0	0	0
4	0	1	0	0	2	0	0
5	0	0	0	0	0	1	0
6	0	0	0	0	0	0	3

Рисунок 5. Соотношение оценок первого эксперта относительно второго

Figure 5. Ratio of the first expert's assessments to the second

Таблица 7. Классификатор субъективной оценки эргономики и эффективности беспроводных датчиков

Table 7. Classifier of subjective assessment of ergonomics and efficiency of wireless sensors

Балл                    Характеристика

• 5    Лучше, чем стационарный аппарат высокого класса

• 4    Не отличается от стационарного аппарата высокого класса

• 3    Незначительно хуже, чем стационарный аппарат высокого класса (качество изображения хуже, но не влияет на заключение)

• 2     Существенно хуже, чем стационарный аппарат высокого

класса (качество изображения хуже и влияет на заключение)

• 1     Не информативно

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

  Рисунок 6. Изображения различных классов УЗИ-устройств: слева изображения датчика аппарата УЗИ высокого класса, справа – беспроводного сканера. 1 ряд – щитовидная железа с диффузным нарушением однородности структуры; 2 ряд – узел щитовидной железы; 3 ряд – почка с гидронефрозом; 4 ряд – левая доля печени

  Figure 6. Images of different classes of ultrasound devices: on the left are images of a high-end ultrasound device sensor, on the right are images of a wireless scanner. Row 1 – thyroid gland with diffuse structural homogeneity disorder; Row 2 – thyroid nodule; Row 3 – kidney with hydronephrosis; Row 4 – left lobe of the liver

  
  

Данные эргономических характеристик, качества изображения и удобства использования датчиков по результатам анкетирования трёх экспертов представлены в таблице 8.

Таблица 8. Результаты субъективной оценки эргономики и эффективности исследуемых беспроводных датчиков

Table 8. Results of subjective assessment of ergonomics and efficiency of the studied wireless sensors

Показатель	Первый эксперт	Второй эксперт	Третий эксперт
Качество изображения	3	3	3
Эргономика датчика	4	3	3
Удобство программного обеспечения	3	3	4
Количество функций	3	3	4
Удобство при неотложном исследовании	4	4	5
Использование в комплексе с планшетом	4	4	4
Использование в комплексе со смартфоном	2	2	3
Автономность	5	5	5
Средний балл	3,5	3,375	3,875

Из данных таблицы 8 можно сделать следующие выводы:

• -    несмотря на визуальные отличия изображений беспроводных сканеров от стационарного аппарата высокого класса качество диагностики значимо не снижается;

• -    эргономика беспроводного датчика незначительно хуже стационарного в связи с толщиной и формой датчика;

• -    программное обеспечение позволяет выполнить основные манипуляции, связанные с ультразвуковой диагностикой, в том числе и при неотложных состояниях;

• -    использование экрана телефона в качестве устройства вывода информации менее удобно, чем планшетный компьютер.

Обсуждение

Ультразвуковые аппараты обладают большим количеством вариантов исполнения, каждый из которых уместен в решении каких-либо определённых задач [2]. Сканеры в форм-факторе беспроводного датчика не предназначены для замены стационарных устройств, большая их часть имеет меньшее пространственное разрешение и ограниченные возможности обработки изображения в режиме реального времени. Однако при необходимости проведения обзорного исследования, в том числе и при неотложных состояниях, беспроводной ультразвуковой аппарат обладает достаточной информа- тивностью и точностью измерений по сравнению с устройствами высокого класса.

Наибольшую точность беспроводной датчик показал в диагностике свободной жидкости, что важно, учитывая ориентацию на диагностику неотложных состояний, при которых чаше всего отмечается жидкое содержимое в основных анатомических полостях [6]. При этом высокая согласованность при диагностике одних и тех же пациентов несколькими врачами свидетельствует о хорошей воспроизводимости методики.

Важным преимуществом беспроводных датчиков является их высокая мобильность и автономность, благодаря чему они могут быть при необходимости оперативно перемещены в условия без доступа к электропитанию (приспособленные помещения, транспорт), что имеет военно-прикладное значение [11]. Врачи-исследователи отмечали удобство доступа к пациенту, особенно в условиях отделения реанимации и операционной, где большое количество аппаратуры и медицинского персонала затрудняет использование сканера с проводами. Также стоит отметить простоту дезинфекции датчиков, после их применения в инфекционных изоляторах. Аналогичные выводы были сделаны и в ряде других работ [1, 2].

К недостаткам беспроводных датчиков некоторые исследователи относят малый диапазон предельной скорости кровотока, что ограничивает количественную оценку при проведении спектральной доплерографии на сосудах с магистральным типом кровотока [13]. Также отмечается невысокая информативность при использовании в качестве устройства вывода изображения смартфона в связи с малой величиной экрана. Для удовлетворительной интерпретации УЗ-изображения требуется диагональ не менее 7 дюймов. Эргономика беспроводных датчиков удовлетворительна при проведении 1–2 исследований, однако при большем количестве для врача-специалиста ощущается дискомфорт, связанный с толщиной трансдьюсера.

Заключение

Беспроводные ультразвуковые датчики позволяют диагностировать ургентные состояния с эффективностью, соответствующей аппаратам высокого класса. При этом беспроводной форм-фактор более удобен в использовании в условиях ограниченного пространства (отделения реанимации, операционные) и не препятствует работе медперсонала и медицинских приборов.