БИОФИЗИКА, 2021, том 66, № 6, с. 1210-1216

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 616-71

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДА ОБЪЕКТИВНОЙ

РЕГИСТРАЦИИ БОЛЕВОГО СИНДРОМА

*Институт биомедицинских систем и технологий Санкт-Петербургского политехнического

университета Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29

**Федеральный научный центр реабилитации инвалидов им. Г.А. Альбрехта,

195067, Санкт-Петербург, Бестужевская ул., 50

***Институт физиологии РАН, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6

E-mail: alina-k-spb@yandex.ru

Поступила в редакцию 17.08.2021 г.

После доработки 17.08.2021 г.

Принята к публикации 28.08.2021 г.

Представлены биофизические основы метода качественной и количественной опосредованной

регистрации болевого синдрома и результаты его экспериментальной апробации. Предложенный

метод на практике может быть использован для создания систем поддержки принятия врачебных

решений, экспресс-диагностики.

Ключевые слова: боль, электрофизиология, объективная регистрация, биоимпеданс, диагностика.

DOI: 10.31857/S000630292106017X

Оценка боли затруднена в связи с высокой до-

усиления контроля за употреблением обезболи-

лей субъективности. Боль часто принимают за со-

вающих препаратов наркотического ряда, что

путствующий патологии симптом, но нередко

позволит предотвратить их избыточное употреб-

она представляет собой комплексный синдром,

ления и снизить уровень сопутствующей смерт-

состоящий как из физиологических, так и соци-

ности [7].

ально-психологических аспектов [1]. Так, хрони-

Оценки нейронной активности и региональ-

ческая боль - это состояние, которое не выделя-

ного мозгового кровотока позволяют выявлять

ется из-за сопутствующих ему заболеваний [2]. А

области мозга, связанные с обработкой болевой

миофасциальную боль часто упускают из виду

стимуляции и модуляцией этих процессов фарма-

при постановке диагноза, хотя именно она явля-

кологическими агентами и нефармакологически-

ется широко распространенной причиной обра-

ми вмешательствами [8]. Современные методы

щения за медицинской помощью, назначения

магнитно-резонансной томографии и математи-

инвалидности и обуславливает большой объем

чески обработанные данные энцефалографии

расходов в системе здравоохранения [3].

способны выявить повышение функциональной

Современная диагностика болевых синдромов

активности тех областей головного мозга, кото-

во многом основывается на субъективных оцен-

рые связаны с появлением ощущения боли, одна-

ках их места расположения и интенсивности, на-

ко они не позволяют сделать количественных

пример с помощью визуальной аналоговой шка-

оценок. [9]. При этом большую информативность

лы, опросника McGill. Однако как для коррект-

представляет анализ биопотенциалов таламиче-

ной диагностики, так и для динамического

ской части мозга [10]. Однако этот метод демон-

наблюдения за течением патологического про-

стрирует лишь принципиальную возможность

цесса необходимо осуществлять объективную ка-

анализа наличия болевых симптомов, но не спо-

чественную и количественную регистрацию па-

собен определить место их локализации и источ-

раметров боли. Так, пациенты с расстройствами

ник.

сознания не способны полноценно передавать

В Высшей школе биомедицинских систем и

свои ощущения, в том числе болевые [4]. Поэто-

технологий Санкт-Петербургского Политехниче-

му диагностика наличия боли у таких людей

ского университета ранее был предложен метод

представляет собой важный медицинский и эти-

изучения миофасциальной боли, основанный на

ческий вопрос [5, 6] С появлением объективного

регистрации изменения электрических характе-

биомаркера боли предоставится возможность

ристик в зоне болевых ощущений относительно

1210

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДА

1211

близлежащих тканей [11]. В качестве такой харак-

ным представлениям биологические ткани не об-

теристики выбрана скорость затухания вызван-

ладают значимой индуктивностью [18].

ных электрических колебаний в исследуемой зо-

Импеданс тканей организма зависит от мно-

не. В основе данного предложения была заложена

жества условий, основным из которых является

гипотеза о связи болевого ощущения с локаль-

кровенаполнение сосудов [19]. Высокочастотные

ным изменением физических характеристик био-

переменные токи малой силы не являются пато-

логических тканей. С применением такой мето-

логическими раздражителями и пропускание их

дики стало возможным проводить опосредован-

через живые ткани безвредно [17].

ное количественное измерение боли опорно-

двигательного аппарата.

Ближайшим по сути способом измерения

представляется биоэлектрический импедансный

Считается, что объективные физиологические

анализ - метод, при котором состав биологиче-

данные могут быть использованы для оценки бо-

ского объекта анализируется путем измерения

ли. Используя такие данные, возможно косвенно

его биоэлектрического импеданса [20]. К испыту-

оценить параметры боли у пациентов [12]. Суще-

ствуют исследования, использующие местные

емому подводится постоянный синусоидальный

физические характеристики тканей для анализа

ток, развитое напряжение измеряется четырех-

болевого синдрома. Так, польские ученые пред-

электродным методом, затем рассчитывается

лагают анализировать кожно-гальваническую ре-

электрическое сопротивление. Биоимпедансный

акцию, по возрастанию которой оценивается на-

анализ определяет биоэлектрическое сопротив-

личие и изменение послеоперационных болей

ление конкретной части тела, к которой прило-

[13]. В работе [14] также отмечается возможность

жены электроды [21, 22].

анализа болевого синдрома относительно изме-

Предложенный авторами настоящей статьи

нения перспирации кожи. Авторы предлагают

метод отличается тем, что:

осуществлять анализ, основываясь на сопостав-

лении данных характеристик на патологической

1. В качестве исследуемой величины использу-

и здоровой стороне тела. Недостатком подобных

ется изменение предварительно заданного сигна-

методов является необходимость стандартизации

ла, а именно короткого электрического импульса.

условий в виду неустойчивости показателей и

2. Предусмотрен индивидуальный подход в из-

обилия выбросов в результатах, а также отсут-

мерениях как для каждого испытуемого, так и для

ствие возможности регистрации локализации бо-

исследуемой зоны. Анализируемым параметром

левого синдрома и четкой градации величин.

является отклонение исследуемой величины от-

носительно снимаемого массива данных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Таким образом, авторами статьи были созданы

предпосылки для разработки методики регистра-

Несмотря на распространенность боли, ее

ции боли, основанной на измерении конкретных

первопричину часто трудно диагностировать [15].

физических характеристик. Данную методику в

В практической медицине продолжают предла-

дальнейшем предполагается включить в систему

гать мультимодальные методы определения на-

поддержки принятия врачебных решений.

личия болевого синдрома, но на сегодняшний

Биоэлектрический импеданс зависит от соста-

день нет убедительных доказательств того, что

ва ткани и от частоты приложенного переменного

они превосходят унимодальное распознавание

сигнала, а в случае использования импульсного

боли. [16] Авторами статьи предлагается еще одна

метода измерения импеданса биологических тка-

возможность регистрации биофизических прояв-

ней его определяют по изменению крутизны

лений болевого синдрома, способная занять

фронта прямоугольного импульса и уменьшению

прочное место в его автоматизированном ана-

его высоты [19]. Импеданс отличается в различ-

лизе.

ных тканях, у разных субъектов, и реагирует на

В основе предлагаемого метода лежат биофи-

изменения в состоянии здоровья тканей [23]. В

зические предпосылки о том, что биологические

нашем случае как наиболее репрезентативный

ткани являются токопроводящими, а их электри-

для анализа связи между субъективным болевым

ческие параметры зависят от функционального

ощущением и измеряемой физической величи-

состояния ткани и изменяются при патологиче-

ной использовался метод, при котором подавался

ских процессах, что может быть использовано для

затухающий электрический импульс в колеба-

диагностики и в научных целях. Обычно измере-

тельном контуре. Биологический объект подсо-

ние электрических параметров биотканей произ-

единялся в цепь параллельно, чем вызывал от-

водят путем пропускания через них переменного

клонение смоделированного сигнала от заданных

тока [17]. Также стоит отметить, что по современ-

параметров.

БИОФИЗИКА том 66

№ 6

2021

1212

КОЖЕВНИКОВА и др.

Рис. 1. Затухающие колебания в виде матрицы изме-

рений в болевой зоне.

Исследования проводили на 76 испытуемых с

жалобами на боли в различных зонах опорно-

двигательного аппарата. Из них 30 человек про-

ходили повторное обследование в определенных

Рис. 3. Графики измерений через три недели после

ранее болевых зонах, но уже при отсутствии жа-

ушиба.

лоб на боль.

С помощью получаемого при подведении

Определение болевого участка по предложен-

электродов к коже параллельного контура можно

ному методу происходило следующим образом:

зафиксировать изменение предварительно задан-

1. Электроды прикладываются к болевой зоне.

ного затухающего сигнала. Это изменение связа-

но с влиянием емкостной и активной составляю-

2. Посылается смоделированный затухающий

щих биологической ткани в новой ветке контура,

сигнал, регистрируется его изменение из-за

в которую переходит часть протекающего тока.

включения в цепь биологической ткани.

Частоту колебаний подбирали экспериментально

3. Измерения повторяются на соседних

с учетом простоты реализации, а также для попа-

зонах, чтобы получить набор данных в виде мат-

дания в окно поляризации на уровне ядер, внут-

рицы 3×3.

риклеточных органелл, протеинов и макромоле-

кул. [19] По нашей гипотезе степень отклонения

от предварительно заданного идеального процес-

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

са наряду с отклонением от измеренных значений

В работе приведены данные по анализу связи

в соседних зонах и определяет наличие боли.

исследуемого параметра и выраженности ряда

болей опорно-двигательного аппарата. Для срав-

нения полученных данных боли также оценива-

лись по цифровой рейтинговой шкале.

В качестве примера приведем данные объекти-

визации болевых симптомов при ушибе поясни-

цы. В результате каждого измерения был получен

набор графиков (рис. 1). Для простоты анализа

полученных результатов и их взаимных отклоне-

ний мы объединили группы по девять графиков

(рис. 2). Выпадающие точки на полученных гра-

фиках связаны с погрешностью метода изме-

рений.

Измерения были также повторно проведены

через три недели после первого измерения. Ре-

зультаты представлены на рис. 3.

При сравнении данных о наличии и исчезно-

вении болевого синдрома было обнаружено, что

ключевым показателем может являться макси-

Рис. 2. Графики измерений в пределах одной болевой

мальное отклонение времени наступления пер-

зоны.

вых пиков в полученном массиве друг от друга.

БИОФИЗИКА том 66

№ 6

2021

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДА

1213

Таблица 1. Интервал максимальной разницы между первыми пиками вызванных колебаний в болевой зоне

Интервал во время

Интервал после

Краткое описание болевых симптомов по цифровой

№

наличия болевых

спадания болевых

рейтинговой шкале (ЦРШ)

симптомов, мкс

М, 42 г., ушиб бедра, прошел за месяц;

14.2

4.7

от 6/10 до 0/10

М, 28 л., синяк на ноге и измерения через месяц;

10.2

3.1

от 4/10 до 0/10

М, 28 л., операция на колене, измерения сразу после операции и

16.8

10.0

через полтора месяца;

от 7/10 до 3/10

Ж, 29 л., боль неясной этиологии в районе лопатки;

9.2

4.4

от 4/10 до 3/10

М, 23 г., вывих плеча (после вправки и через месяц);

18.7

5.5

от 8/10 до 0/10

М, 25 л., жалобы на боль в шее и лопатке;

9.4

8.5

от 4/10 до 3/10

Ж, 21 г., растяжение связок и через месяц после;

16.5

9.1

от 7/10 до 2/10

Ж, 55 л., жалобы на боль в спине после сна;

7.6

3.9

от 4/10 до 1/10

Ж, 29 л., боль в запястье после падения и через полтора месяца;

10.0

2.1

от 5/10 до 0/10

М, 24 г., боль в шее после долгой сидячей работы;

10.9

8.3

от 4/10 до 0/10

Ж, 79 л., боль после операции на шейке бедра и через два месяца;

17.5

3.4

от 8/10 до 2/10

М, 25 л., жалобы на периодические боли в лопатке; сколиоз 2 ст.;

9.5

5.4

от 4/10 до 2/10

Ж, 26 л., ушиб около поясницы и через полтора месяца;

16.8

3.6

от 9/10 до 1/10

Ж, 29 л., жалобы на периодическую тяжесть и болевой синдром в

9.6

7.0

икроножных мышцах;

от 4/10 до 2/10

М, 18 л., периодический дискомфорт в лопатке;

5.5

3.0

от 3/10 до 1/10

Ж, 55 л., синяк на бедре при ушибе;

11.3

8.6

от 5/10 до 2/10

М, 22 г, ушиб плеча, месяц между измерениями;

11.7

6.8

от 5/10 до 0/10

Ж, 29 л., ушиб поясницы, месяц между измерениями;

20.1

8.9

от 9/10 до 2/10

М, 29, ушиб бедра, месяц между измерениями;

16.6

7.9

от 5/10 до 0/10

Ж, 24 г., синяк на бедре, две недели между измерениями;

11.4

8.2

от 4/10 до 0/10

Ж, 27 л., боль в спине (сколиоз 1 ст.), до и после курса ЛФК;

10.9

5.9

от 3/10 до 0/10

М, 25, дискомфорт в плече неясной этиологии;

8.2

5.7

от 2/10 до 0/10

М, 29 л, ушиб поясницы, месяц между измерениями;

12.3

6.4

от 6/10 до 1/10

Ж, 30 л., ушиб колена;

12.9

8.5

от 5/10 до 0/10

М, 24 г., боль в плече после спортивной травмы и измерения при

16.6

7.3

спадении симптомов;

от 5/10 до 0/10

М, 23 г., боль в колене после спортивной травмы, измерения во

12.1

9.2

время боли и при спадении симптомов;

от 4/10 до 1/10

Ж, 30 л., периодические боли в запястье (гигрома);

6.4

4.3

от 4/10 до 1/10

М, 42 г., периодический дискомфорт в области шеи;

7.2

2.8

от 3/10 до 0/10

Ж, 31 г., ноющая боль в локтевом суставе неясной этиологии;

8.1

4.9

от 3/10 до 0/10

Ж, 27 л., периодическая боль в запястье (гигрома);

11.3

4.9

от 4/10 до 0/10

БИОФИЗИКА том 66

№ 6

2021

1214

КОЖЕВНИКОВА и др.

Таблица 2. Интервалы между анализируемыми пиками при жалобах на боль

№

Интервалы между пиками, мкс

№ опыта

Интервалы между пиками, мкс

опыта

14.0

16.0

8.2

15.4

18.1

3.5

8.5

11.5

7.9

15.9

12.0

14.5

15.7

8.6

15.4

16.3

9.1

11.1

5.5

18.2

12.6

16.1

15.3

6.5

10.4

12.3

4.9

16.7

9.8

11.9

8.8

14.9

9.4

7.8

12.7

8.7

14.0

11.4

6.7

11.3

9.1

13.8

9.3

11.8

20.0

Как было замечено, разность между пиками в

- лишь в двух случаях значение интервалов

измерениях во время наличия болевого синдрома

между пиками более 10 мкс было субъективно

оценено как отсутствие болевого синдрома;

и при его исчезновении различается почти в два

раза. Обозначим этот интервал с помощью коэф-

- в 29 случаях уменьшение или исчезновение

болевого синдрома соответствовало уменьшению

фициента К, мкс. В табл. 1 приведены величины

расстояния между пиками;

измеренных максимальных интервалов между

- боли величиной выше 5/10 по цифровой

первыми пиками и краткие описания оценивае-

рейтинговой шкале имеют значения от 10 мкс;

мых случаев с указанием субъективной оценки по

- значения от 7.2 мкс до 10 мкс соответствуют

цифровой рейтинговой шкале.

по большей части отсутствию или незначитель-

На основании данных 30 парных измерений

ному наличию болевого синдрома.

при наличии и при исчезновении болевого син-

Тем не менее часть значений ниже 10 мкс так-

дрома, нами замечено, что:

же расценивалась как присутствие болевого син-

БИОФИЗИКА том 66

№ 6

2021

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДА

1215

дрома или дискомфорта, но не отмечалась как

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

сильные боли. Это можно объяснить индивиду-

Все процедуры, выполненные в исследовании

альными различиями пациентов, субъективной

с участием людей, соответствовали этическим

оценкой их симптомов, неточностями при изме-

стандартам Хельсинкской декларации 1964 г. и ее

рении. На данный момент существуют всевоз-

последующим изменениям. У всех участников

можные объяснения различий в болевой чувстви-

было получено информированное добровольное

тельности, начиная от эмпирических и социо-

согласие.

культурных различий в переживании боли до

гормонально и генетически обусловленных поло-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

вых различий в нейрохимии мозга [24].

T. H. Wideman, R. R. Edwards, and D. M. Walton,

Для проверки данной теории мы провели из-

Clin. J. Pain. 35 (3), 212 (2019).

мерения еще на 46 участках, субъективно описы-

A. N. Santana, C. N. de Santana, and P. Montoya,

ваемых испытуемыми как болевые. Анализирова-

Basel 10 (11), 958 (2020).

лись синяки, ушибы, растяжения, боль в стопе по

J. Fricton, Oral Maxillofac Surg Clin North Am. 28

причине плоскостопия, боли после операций, бо-

(3), 289 (2016).

ли, связанные со сколиозами и боли опорно-дви-

A. May, Neurol. Sci. 28 (2), 101 (2007).

гательного аппарата неясной этиологии (табл. 2).

C. Schnakers, C. Chatelle, and S. Majerus, Expert

Rev. Neurotherapeutics 10 (11), 1725 (2010).

В 41 случае из 46 первичный вывод о характер-

J. Lovich-Sapola, C. E. Smith, and C. P. Brandt, Surg.

ном отклонении между пиками подтвердился. В

Clin. North Am. 95 (2), 301 (2015).

12 случаях значения попали в промежуток от

K. D. Davis, N. Aghaeepour, and A. H. Ahn, Nat.

7.2 до 10 мкс, что по нашей теории соответствует

Rev. Neurol. 16 (7), 381 (2020).

наличию слабого болевого синдрома или отсут-

R. H. Gracely, Acta Anaesthesiol. Scand. 43 (9), 897

ствие такового. В 29 случаях значения между пи-

(1999).

ками составляли выше 10.4 мкс, чем подтвержда-

M. Gram, C. Graversen, and A. E. Olesen, Eur. J.

лось субъективное описание наличия боли.

Pain. 19 (10), 155 (2015).

10.

C.T. Yen and P. L. Lu, Acta Anaesthesiol. Taiwanica 51,

Таким образом, из 76 случаев субъективного

73 (2013).

описания наличия боли опорно-двигательного

11.

А. В. Кожевникова, Биофизика 63 (1), 163 (2018).

аппарата 63% подтвердили присутствие болевого

12.

M. J. Panaggio, D. M. Abrams, and F. Yang, PLoS

синдрома, 26% подтвердили возможность нали-

Comput. Biol. 17 (3), 11 (2021).

чия не сильно выраженного болевого синдрома,

13.

J. Karpe, A. Misiołek, A. Daszkiewicz, and H. Mis-

11% болевых синдромов не были идентифициро-

iołek, Chair of Anaesthesiology, Intensive Therapy

ваны с помощью предложенного метода.

and Emergency Medicine in Zabrze 10 (1) 48 (2013).

Стоит отметить, что для анализа прочих разно-

14.

А. А. Герасимов и Е. А. Дубовик, Проблемы меди-

видностей болевого синдрома необходимы до-

цины в современных условиях (Казань, 2014).

полнительные исследования.

15.

C. Curtin, Hand Clin. 32 (1), 21 (2016).

16.

S. Frisch, P. Werner, and A. Al-Hamadi, Schmerz. 34

(5), 376 (2020).

ВЫВОДЫ

17.

Н. В. Нигей, Измерение электрического сопротив-

ления тканей организма и его изменения за цикл ра-

Высокий процент (89%) подтверждающих ги-

боты сердца (АГМА, Благовещенск, 2011).

потезу результатов дает основания считать пред-

18.

А. П. Баранов и М. Ф. Клименок, Медицинская и

ложенный метод по опосредованному анализу

биологическая физика: учебное пособие, 2-е издание

наличия болевых ощущений в области опорно-

(ВГМУ, Витебск, 2010).

двигательного аппарата пригодным для объекти-

19.

А. М. Тихомиров, Импеданс биологических тканей

визации данных. Этот метод может использовать-

и его применение в медицине (РГМУ, 2006).

ся для интеграции в системы поддержки приня-

20.

U. G. Kyle, I. Bosaeus, and A. D. De Lorenzo, Clin.

тия врачебных решений для оценки динамики ле-

Nutr. 23 (5), 1226 (2004).

чения,

дистанционной

диагностики

21.

T. K. Bera, J. Nagaraju, J. Electr. Bioimpedance 2, 48

верификации болевого синдрома.

(2011).

22.

Д. В. Николаев, А. В. Смирнов и И. Г. Бобрин-

ская, Биоимпедансный анализ состава тела (Нау-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

ка, М., 2009).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

23.

T. K. Bera, J. Med. Engineer. 2014, 381251 (2014).

интересов.

24.

J. S. Mogil, Nat. Rev. Neurosci. 13 (12), 859 (2012.

БИОФИЗИКА том 66

№ 6

2021