ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Валід Абу Cабха

(Палестина)

УДК 616.24:681 61

Біотехнічна система для дослідження параметрів легенів

05.11.17 – медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків — 2005

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Харківському національному університеті
радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Мустецов Микола Петрович

Харківський національний університет радіоелектроніки

професор кафедри біомедичних електронних пристроїв і систем

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Лагутін Михайло Федорович

Харківський національний університет радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України

професор кафедри радіоелектронних пристроїв

Кандидат технічних наук, доцент Поворознюк Анатолій Іванович

Харківський національний університет “Харківський політехнічний
інститут”

Міністерства освіти і науки України

докторант кафедри обчислювальної техніки і програмування

Провідна організація:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний
інститут”

Міністерства освіти і науки України

кафедра фізичної та біомедичної електроніки.

Захист відбудеться “____”___________2005 року о_____годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради К.64.052.05 Харківського національного
університету радіоелектроніки (ХНУРЕ) за адресою:

61726 Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ХНУРЕ за адресою:

61726, Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “___” _____________2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Рожицький М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За даними ВООЗ, захворювання органів дихання
посідають третє місце серед причин смертності. Хвороби органів дихання
залишаються найбільш поширеними в Україні і складають близько 20 тисяч
хворих на 100 тисяч населення. У деяких областях показник захворюваності
в 1,2 – 1,7 разів перевищує середньостатистичний по Україні. Окрім
цього, зберігається тенденція до зростання показника захворюваності
органів дихання як по Україні в цілому, так і по окремих областях.
Наприклад, за 2000 – 2001 роки приріст цього показника по м. Києву склав
– 35,2%, Полтавській області – 7,7%, Вінницькій області – 6,7%.

Однією з основних причин високого рівня захворюваності органів дихання є
несвоєчасна діагностика стану органів дихання. До теперішнього часу
одним з основних діагностичних методів залишається рентгенівське
обстеження. Окрім порівняно високої вартості обстеження, флюорографія
проводиться не частіше за один раз на рік, а проведення масових
обстежень, особливо в сільській місцевості, не завжди має місце.
Рентгенівські методи використовують також для контролю за результатами
лікування. Окрім останніх в пульмонології широко застосовуються
аускультативні ручні методи дослідження. Недоліком перерахованих методів
є їх суб’єктивізм, тобто одержаний результат є якісним, а діагноз в
значній мірі залежить від досвіду та кваліфікації лікаря.

Тому, створення нових методів діагностики органів дихання, з
максимальним використанням можливостей комп’ютерних технологій, є
актуальним завданням медичного приладобудування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконана
відповідно до плану науково-дослідної роботи № 331 (номер держреєстрації
0193U039132) “Розробка та впровадження в медичну практику комплексу
діагностичних комп’ютерних систем”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення біотехнічної
системи для отримання об’єктивних параметрів легенів на основі аналізу
пульмофонограм.

Досягнення поставленої мети можливо у разі вирішення наступних задач:

— аналіз можливостей існуючих апаратних методів діагностики стану
легенів людини;

— моделювання процесу розповсюдження акустичних коливань в легенях
людини та визначення зв’язку між параметрами легенів та акустичними
феноменами, що реєструються на поверхні грудної клітки людини;

— синтез структурної схеми біотехнічної системи для пульмофонографічних
(ПФГ) досліджень та формулювання вимог до технічних і програмних
засобів;

— розробка методики реєстрації та обробки пульмофонограм;

— обгрунтування методики оцінки стану легенів на основі одержаних
результатів ПФГ досліджень.

Об’єкт дослідження – процес розповсюдження акустичних коливань в
повітропроводах легенів людини.

Предмет дослідження – акустичні ефекти, що виникають на поверхні грудної
клітки людини при подачі акустичних коливань в трахеобронхіальне дерево
легенів.

Методи дослідження – теоретичні дослідження закономірностей
розповсюдження звуку в легенях базуються на теорії акустики. Теорія
динамічних систем і теорія статистичної обробки результатів були
використані при розробці методики обробки експериментальних даних
досліджень.

.Наукова новизна отриманих результатів:

— набула подальшого вдосконалення модель розповсюдження акустичних
коливань в повітропроводах легенів та формування акустичних феноменів на
поверхні грудної клітки що дозволило обгрунтувати методику визначення
кількісних показників дихання;

— показано, що на формування ПФГ впливає наявність природного
резонансного контуру, утвореного ділянкою паренхіми, відповідною
ділянкою бронхіального дерева і прилеглою ділянкою грудної клітки, що
дозволяє підвищити чутливість методу;

— запропонована методика адаптації моделі до пацієнта, що дозволяє
одержувати кількісні параметри легенів;

— запропонована методика оцінки параметрів регіонального дихання та
розроблений критерій оцінки динаміки захворювання, що дозволяє виключати
рентгенологічний контроль пацієнта.

Практичне значення отриманих результатів:

— розроблена структура біотехнічної системи для ПФГ досліджень на базі
ЕОМ, що дозволило максимально використовувати можливості комп’ютерних
технологій в формуванні та реєстрації акустичних сигналів і підвищити
надійність роботи системи;

— отримані дані ПФГ досліджень пацієнтів з різними захворюваннями, що
підтверджують теоретичні уявлення про закономірність розповсюдження
акустичних хвиль в легенях та підтверджують перспективність застосування
методу в практичній медицині;

— розроблена методика діагностики легеневих порушень була застосована
для контролю результатів лікування в обласній дитячій лікарні №7 м.
Харкова та у відділі пульмонології Харківської обласної лікарні (акт
впровадження);

— теоретичні і практичні результати моделювання повітропроводів легенів,
методи їх дослідження і принципи побудови комп’ютерних діагностичних
систем використовуються в учбовому процесі ХНУРЭ в курсах: “Моделювання
біологічних систем”, “Інженерні методи медико-біологічних досліджень”.
“Медичні інформаційні системи” при проведенні лекційних, лабораторних і
практичних занять (акт впровадження).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що становлять
сутність роботи і відображені в пунктах новизни, наукового і практичного
значення одержані автором самостійно.

У роботі [1] здобувачем була запропонована методика спрощення моделі
трахеобронхіального дерева, що дало можливість отримати остаточний
вираз, який пов’язує параметри легеневих об’ємів з параметрами
зареєстрованого сигналу. Структура біотехнічної ПФГ системи та алгоритм
її роботи з використанням стандартних програмних засобів описані в
роботі [2]. У роботі [3] здобувачем запропонований і реалізований метод
аналізу ПФГ шляхом побудови фазових портретів та відображення ПФГ
сигналів у полярних координатах, що дало можливість формувати нові
критерії функціонування легенів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на
Міжнародній конференції “Проблеми електроніки”, Київ, 2004р., 12-й
міжнародній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка,
технологія, освіта здоров’я”, Харків, 2004р., 7 і 8 Міжнародних форумах
“Радіоелектроніка і молодь ХХI століття”, Харків, 2003 — 2004рр.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 4 роботи (3 статті в
науково-технічних виданнях, що входять до переліку ВАК, 1 – в
спеціалізованому виданні).

Структура і об’єм дисертації. Дисертація містить: введення, чотири
розділи, в яких викладені основні результати роботи, висновки, перелік
посилань, додатки. Робота викладена на 182 сторінках машинописного
тексту ілюстрована 6 таблицями і 30 рисунками та містить 105
літературних посилань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показана актуальність і значення роботи для вирішення проблем
медицини. Сформульована мета і завдання роботи, наведена її загальна
характеристика.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів дослідження системи
дихання людини, проаналізовані особливості її організації з позицій
системного аналізу. Головною ланкою системи дихання є легені, які мають
складну структурну ієрархію і значні компенсаторні можливості, що
ускладнює оцінку потенційних можливостей легенів та діагностику їх
стану. Тому легені практично неможливо оцінювати за зовнішніми
показниками, що реєструються інструментально. В даний час
рентгенологічні методи є основними об’єктивними методами дослідження
легенів. Дана група методів достатньо інформативна, проте має відомі
недоліки.

Друге місце по поширеності в практичній медицині посідають ручні методи
аускультації та перкусії. Для дослідження стану нижчих порядків
бронхіального дерева застосовують інвазивний метод бронхоскопії. Разові
вимірювання легеневих об’ємів проводяться за допомогою спірографічних
методів.

Таким чином, при поточному контролі динаміки процесу лікування у
розпорядженні практичного лікаря, крім рентгенівських, залишаються ручні
методи дослідження. Виходом з ситуації, що склалася, може бути
впровадження в медицину нових, неінвазивних, об’єктивних методів, які
здатні замінити рентгенівські методи, та підвищити об’єктивність рішення
лікаря.

Свою основну функцію – забезпечення обмінних процесів, легені виконують
за допомогою бронхіального дерева, яке залежно від функції, що
виконується, можна розділити на дві частини: транспортну від 0 до 16-го,
і газообмінну від 17-го до 23-го порядків розгалуження. Геометричні
розміри транспортної частини бронхів, у відмінності від газообмінних
гілок, протягом дихального циклу не змінюються. Такий розподіл декілька
умовний і справедливий для обмеженої ділянки паренхіми, але непридатний
для легенів в цілому.

Патології ділянок паренхіми (зміни в системі кровопостачання
альвеолярних мембран, поява рідини в респіраторних бронхіолах і
альвеолах) приводять до зменшення еластичності повітропроводів ділянки,
до зниження вентиляції і повітронаповненності, а в деяких випадках – до
повного припинення вентиляції. У ділянках без патології відбувається
збільшення питомої вентиляції і питомого об’єму.

Патологічні зміни в транспортній частині легенів, як правило, призводять
до зменшення прохідного перетину бронха. Будь-яка зміна прохідного
перетину бронха — тимчасова, спазматична або постійна — змінює загальну
картину вентиляції всіх ділянок. Зміна в інших, “зовнішніх” по
відношенню до того, що розглядається, або в інших, сусідніх органах
мають аналогічну дію. Перераховані патології, а також зміни в
стравоході, серці, діафрагмі ведуть до локальних деформацій
повітропроводів і, отже, до зміни локального, регіонального, а іноді і
загального функціонування повітряного тракту легенів.

Отже, будь-які патологічні зміни, незалежно від їх причини, в ранній
стадії розвитку характеризуються змінами локального функціонування
повітряного тракту, зокрема стійкої гіпо — або гіпервентиляцією окремих
ділянок, збільшенням нерівномірності вентиляції і повітронаповненності,
зміною геометричних характеристик ділянок бронхіального дерева.

На основі проведеного аналізу показано наступне:

— легені мають дуже складну структурну ієрархію, що призводить до
необхідності детального дослідження всіх структурних одиниць і отримання
інформації про регіональне функціонування;

— порушення в роботі інших внутрішніх органів призводить до порушення
показників дихання окремих ділянок легенів;

— зміна у функціонуванні будь-якої ділянки паренхіми компенсується
роботою сусідніх ділянок.

Таким чином, метод ПФГ є найбільш інформативним та перспективним з
акустичних методів оцінки регіонального функціонування легенів. Суть
методу полягає в подачі звукового сигналу сталої частоти і інтенсивності
у верхні дихальні шляхи пацієнта в процесі дихання і вимірюванні на
поверхні грудної клітки змін амплітуди сигналу, що пройшов весь
акустичний тракт. Метод заснований на встановленому факті амплітудної
модуляції звукових коливань процесом дихання і припущенні, що глибина
модуляції пов’язана із зміною об’єму легеневих повітропроводів в точці
вимірювання.

Широке впровадження методу ПФГ стримується відсутністю як обгрунтованної
і перевіреної методики обробки ПФГ інформації, так і відсутністю
надійного апаратного забезпечення.

У другому розділі розглянута модель розповсюдження акустичної хвилі в
трахеобронхіальному дереві легенів і формування сигналу на поверхні
грудної клітки. З точки зору акустики легені є багатоланковою системою
повітропроводів — бронхіальне дерево, кожна гілка якого розгалужується
на два повітропроводи меншого діаметру. Кінцеві бронхіоли 16-го порядку
також розгалужуються на дві респіраторні бронхіоли кожна. Проте, на
відміну від кінцевих бронхіол, респіраторні бронхіоли (з 17 — го до 23 —
го порядку включно) містять у своїх стінках альвеоли.

Вважаємо, що кінцеві альвеоли, вірніше незначна їх частина із загального
числа альвеол 24 — го порядку, стикаються через плевру з внутрішньою
поверхнею грудної клітки. Мембрани тих альвеол, які не виходять на
поверхню грудної клітки, є перегородками між сусідніми альвеолами, що
утворюють стільникову структуру паренхіми.

У процесі дихання геометричні розміри елементів паренхіми змінюються,
тому припустимо, що формування ПФГ-сигналу пов’язане лише зі зміною
повітронаповненності ділянки паренхіми, що досліджується.

Ідеальна модель (рис. 1) побудована за принципом правильної дихотомії,
тобто кожен повітропровід розгалужується на два ідентичних і бронхи
одного порядку вентилюють рівні об’єми паренхіми.

Рис.1. Схема системи легеневих повітропроводів.

Повний акустичний ланцюг є системою легеневих повітропроводів, що
закінчується кінцевими альвеолами, які на деякій площі ?, навантажені
приведеним імпедансом грудної клітки Z = R + jY. Кожна гілка
повітропровода має свій індекс: трахеї відповідає індекс 0, двом
головним бронхам – 1, тощо. Припустимо, що повітропровідна частина
моделі складається з жорстких трубок і втрати звуку враховуються дійсною
складовою імпедансу грудної клітки R.

У відповідності з положеннями теорії акустики, звуковий тиск у кінці
жорсткого повітропроводу (трахеї) перетином S0 і довжиною l0 дорівнює:

, (1)

— звуковий тиск на початку трахеї;

? — щільність повітря, г/см3;

с — швидкість звуку в повітрі, см/с;

?0 – стала розповсюдження;

Z0 – імпеданс що зосереджено на кінці повітропроводу, г/с.

Звуковий тиск в кінці головного бронха першого порядку і на початку
пайових бронхів визначається як:

(2)

Загальний вираз для звукового тиску в кінці будь-якого бронху m:

(3)

Як видно з (3), важливою властивістю системи легеневих повітропроводів є
лінійність, оскільки при зміні звукового тиску на вході системи
пропорційно змінюється звуковий тиск в усіх елементах системи. Отже,
якщо в одному з бронхів, внаслідок причин місцевого характеру, відбулася
зміна звукового тиску, то пропорційно змінюється і звуковий тиск у всіх
повітропроводах, що вентилюються цим бронхом.

Оцінивши значення сталих розповсюдження ?i і механічного імпедансу Zj
формулу (3) можна спростити.

Для робочої частоти ПФГ 80 Гц спрощений вираз звукового тиску в ділянці
паренхіми приймає наступний вигляд:

, (4)

– хвильове число, w – кругова частота.

Механічний імпеданс, зосереджений на кінці бронхіоли 16-го порядку,
визначимо як сукупність паралельно приєднаних імпедансів альвеол —
резонаторів та ділянки грудної клітки, яка зосереджена на площі кінцевих
альвеол.

Враховуючи середньостатистичні параметри легенів та вводячи геометричні
коефіцієнти при робочій частоті дослідження 80 Гц, в роботі було
одержано вираз для тиску на поверхню грудної клітки:

(5)

де V16 — об’єм ділянки паренхіми 16 — го порядку;

;

b = ? Y2 k-1; ( = ? R2 k-1.

при V16 = b.

У роботі детально розглянуто питання про характер (інерційність або
пружність) реактивної складової імпедансу грудної клітки. З аналізу
експериментальних результатів та механізму формування ПФГ виходить, що в
ділянці паренхіми існує резонанс, обумовлений приблизною рівністю за
величиною та протилежністю за знаком імпедансів об’єму ділянки паренхіми
та грудної клітки, паралельно приєднаних до бронхіоли 16-го порядку.
Наявність природного резонансного акустичного контуру необхідно
враховувати як при реєстрації ПФГ, так і при реалізації суміжних методик
акустичних досліджень грудної клітки (аускультації, фонокардиографії).

В роботі отримано загальний вираз для зареєстрованого ПФГ сигналу:

(6)

— масштабний постійний коефіцієнт;

.

*

r

t

v

o

2

4

?

, ?!n#uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuoaeaeaeae

8O9eIBpE?FoeHoHoooooooooooooooooooooooooo

??????$??

??????$??? загальний коефіцієнт перетворення тиску в електричний сигнал.

В результаті проведеного аналізу відповідності ідеальної моделі реальній
структурі легенів виникли наступні питання:

— яке реальне значення активної частини імпедансу R2 та яке
співвідношення між R2 та Y2;

— який вигляд має загальний вираз для коефіцієнта звукопередачі бронху
i-гo порядку;

— який вигляд має амплітудно-частотна характеристика реальної моделі,
побудованої за принципом “неправильної” дихотомії.

Таким чином, як і передбачалося, активна складова імпедансу ділянки
грудної клітки значно менше реактивної (R2 << Y2), що обумовлює малі втрати звуку через стінку грудної клітки. Враховуючи те, що умови резонансу зберігаються в деякому діапазоні частот, можна, використовуючи відомі статистичні дані про геометричні розміри елементів бронхіального дерева, легко побудувати аналітичну амплітудно-частотну характеристику реальних легенів. У третьому розділі розроблені та обгрунтовані методики обробки результатів ПФГ досліджень. Вибір точок реєстрації ПФГ обумовлений проекцією різних відділів легенів на поверхню грудної клітки і відповідає точкам вимірювання при радіопневмографії, що дозволяє оцінити похибку методу ПФГ та уточнити параметри моделі. Пропонується дослідження ПФГ проводити в симетричних точках грудної клітки, які мають відповідну індексацію (рис. 2). Рис. 2. Розташування точок для ПФГ досліджень Методом ПФГ дозволяє проводити оцінку локального або регіонального дихання. ПФГ може бути єдиним експериментальним матеріалом, згідно якому лікар повинен дати судження про повітрозаповненність ділянки легенів та їх зміну в процесі дихання. При цьому дослідження дають можливість отримувати як якісні, так і кількісні оцінки параметрів функціонування легенів. Використовуючи (6), одержано вирази для визначення локальної питомої вентиляції ділянки n паренхіми легенів по ПФГ. (7) Експериментально вимірювана по ПФГ величина Аn є локальною питомою вентиляцією в масштабі (2Pcp/Nсp), постійному для досліджуваного пацієнта. Якщо записати ПФГ в двох сусідніх або симетричних точках а і b, то можна оцінити співвідношення між локальною питомою вентиляцією в цих точках по відношенню значень Аn: (8) . Після цього для кожної точки встановлюється величина локальної відносної питомої вентиляції (ЛВПВ): (9) Величина ЛВПВ має просте фізичне трактування. Це число, що визначає, в скільки разів питома вентиляція в даній ділянці легенів більше середньої питомої вентиляції по легенях в цілому. Таким чином, визначаємо найважливіший параметр локального функціонування легенів. В залежності від поставленого завдання дослідник вибирає варіант усереднювання локальних значень ЛВПВ та одержує дані про питому вентиляцію будь-якого відділу легенів. Пропонується необхідний мінімум регіонарних параметрів, що дають достатньо повне уявлення про розподіл питомої вентиляції по легеням. Наприклад, ЛВПВ грудних ділянок обчислюється за наступною формулою (індекси відповідають позначенням стандартних точок): (10) Відповідно ЛВПВ правої верхньої зони легенів: ; (11) Для практичного лікаря представляє інтерес співвідношення ЛВПВ правого і лівого легенів. Якщо врахувати, що кількість елементарних ділянок паренхіми 16-го порядку в обох легенях приблизно однакове, то співвідношення ЛВПВ правого і лівого легенів дорівнює співвідношенню їх дихальних об'ємів. Розкид локальних значень ЛВПВ характеризує нерівномірність вентиляції легенів. Загальний вираз ПФГ, визначений для ідеальної моделі легенів, дозволяє кількісно оцінити середній за цикл дихання локальний питомий об'єм (ЛПО) ділянки паренхіми: , (12) де Pmin та Pmax – параметри експериментально одержаної ПФГ. ЛПО може бути визначена за однією ПФГ відомого типу в порівнянні з аналогічними параметрами інших ділянок, як даного, так і інших пацієнтів. Викладена методика розрахунку дозволяє приблизно визначати параметри, що характеризують геометрію головним чином прохідних перетинів бронхів нижчих порядків простим фізіологічним способом за результатами ПФГ. При цьому відсутня необхідність введення інструментів в просвіти досліджуваних бронхів. У четвертому розділі приведені результати експериментальної перевірки можливостей методу ПФГ для дослідження легенів. Для вирішення поставленого завдання була синтезована структура комп'ютерної системи для ПФГ досліджень (рис. 3). Рис. 3. Структурна схема системи ПФГ - досліджень Особливістю системи є наявність тільки одного оригінального апаратного вузла – джерела звукових коливань, що містить підсилювач потужності і випромінювач. Встановлено мінімальні вимоги та конфігурації апаратної частини і програмних засобів: наявність звукової карти, або вбудованого аудіоконтролера АС'97, тактова частота не нижче 850 Мгц; місткість оперативної пам'яті не менше 256 Мб, стандартна програма Microsoft Windows 98/2000/ХР/МТ, регулятор гучності Sound Forge 5.0; Winamp 2.75, пакет “MatLab 6.5”. Апаратний вузол системи складається з наступних функціональних блоків: мініатюрний електретний мікрофон (М), динамічний гучномовець 5ГДШ - 4 (ГМ), підсилювач потужності звукової частоти (ППЗЧ), блок живлення (БЖ). Апаратний вузол закріплюється на штативі і з’єднується з ЕОМ за допомогою кабелів (рис. 4). Рис. 4. Зовнішній вигляд системи для ПФГ досліджень Використання вказаних стандартних програмних продуктів дозволяє виконувати наступні операції: - генерація звукового синусоїдального сигналу з частотою 80 Гц рівнем амплітуди, що адаптується до кожного пацієнта(програма Sound Forge); - запис звукового сигналу відповідного ПФГ дослідження; - представлення сигналу, що досліджується, як функцію часу і прослуховування його за допомогою звукових колонок; - “очищення” сигналу ПФГ від шумів та його фільтрація, перш за все, від звуків серця і шумів, що виникають при диханні; - виділення кривої що огинає ПФГ сигнал; - проведення якісного і кількісного аналізу ПФГ; - документування результатів ПФГ досліджень (файл Звук 80Гц.\wаv44,1кГц, 16 біт). При дослідженні різних пацієнтів звуковий тиск повинен бути однаковим, щоб можна було одержувати результати, які можна порівнювати. Для цього в трубку джерела акустичних хвиль введено акустичний шунт. Після нормування амплітуди проводиться запис ПФГ в точці дослідження. (рис. 5). Рис. 5. Приклад реального сигналу ПФГ дослідження За допомогою програмних засобів сигнал детектується, внаслідок чого виділяється низькочастотний сигнал ПФГ, частота якого відповідає частоті дихання. Першим кроком аналізу ПФГ є якісний аналіз - порівняльна оцінка амплітуди сигналу, нерівномірності глибини модуляції. Більш важливий кількісний аналіз, який проводимо в наступній послідовності: - первинна обробка всіх сигналів за один цикл дихання, визначаючи Pmax та Pmin; - вторинна обробка одержаних даних за програмою визначення локальних, інтегральних параметрів функціонування легенів зі складанням карт ПФГ дослідження. При цьому відзначимо, що сигнал ПФГ в конкретній точці, може мати різну форму в залежності від стану легенів та пози пацієнта (рис. 6). Подальша обробка сигналу проводиться за допомогою програми, написаної на мові програмування Delphi. Рис. 6. Приклади запису ПФГ сигналів різного типу Зручним для лікаря є відображення на дисплеї комп’ютера сигналів, що відповідають точкам вимірювання, значень коефіцієнтів локального функціонування. При цьому складається картина розподілу локального параметра функціонування різних частин легенів (рис.7). а б Рис 7. Приклади відображення результатів ПФГ досліджень Дані, що є екстремумами показників датчиків, заносяться в текстовий файл у форматі “прізвище, min і max послідовно” (пс1min, пс1max, потім екстремуми пс2, пс3, пс4, пг2, пг3, пг4, лс1, лс2, лс3, лс4, лг2, лг3, лг4), які записуються в текстовому редакторі. Програма візуалізації проводить автоматичний звіт за екстремальними значеннями, а також наочну візуалізацію у вигляді площинної діаграми. На мал. 7 приведені діаграма значень звукового тиску ділянок легенів хворого Ф-в клінічний діагноз якого загострений бронхіт. Для порівняння приведені результати діагностичного дослідження хворого І-ко клінічний діагноз, якого – ОРЗ, тобто стан легенів в нормі. У роботі представлені ілюстрації можливостей і ефективності розробленої програми для різних способів відображення ПФГ, а також її спектрального аналізу за допомогою програми Sound Forge. Показана перспективність відображення та аналіз ПФГ у вигляді фазових портретів (рис. 8) А б В г Рис. 8 Фазові портрети в нормі і патології в полярній системі координат (а, б) та їх вигляд в перетвореному просторі ознак z1, z2 Фазові портрети в полярних координатах відрізняються один від одного не лише кількістю замкнених петель, а й координатами максимумів. Однак, така форма представлення портретів не дозволяє проводити їх аналіз з метою вирішення питання про наявність чи відсутність ознак відхилення кривої від норми. Тому, пропонується перехід до перетвореного простору ознак з координатами z1, z2, де за координату z1 приймається швидкість змінення амплітуди ПФГ - кривої, поділеної на середнє її значення ПФГ -сигналу, z2 - швидкість змінення амплітуди ПФГ- кривої поділеної на середнє значення похідної. Таке представлення дозволяє проводити якісну оцінку ПФГ та класифікувати їх в залежності від захворювання. Процедура реєстрації ПФГ супроводжується електронним документуванням даних. Процес документування організований за допомогою існуючих систем управління базами даних. Таким чином, за пропонована система дозволяє швидко видавати оперативну та раніше накопичену інформацію про захворювання пацієнтів. ВИСНОВКИ 1. Проведено аналіз особливостей побудови і функціонування системи дихання та показано, що в практичній медицині для її дослідження застосовуються, в основному, якісні методи. Тому, створення нових, кількісних, не інвазивних методів регіонального дослідження легенів є актуальним завданням медичного приладобудування. 2. Запропонована модель розповсюдження акустичної хвилі уздовж системи легеневих повітропроводів, паренхіми і акустичного імпедансу ділянки грудної клітки. 3. Показано, що амплітуда ПФГ залежить тільки від повітронаповненості альвеол, вплив бронхів від 1-го до 16-го порядків незначний та не перевищує величини методичних похибок вимірювальної процедури. 4. Показано, при аналізі характеру механічного імпедансу, що на формування ПФГ сигналу впливає наявність природного резонансного контуру, утвореного ділянкою паренхіми, відповідною ділянкою бронхіального дерева і прилеглою ділянкою грудної клітки. 5. Одержані формули для практичних розрахунків відносної локальної питомої вентильованості та відносного локального питомого об'єму окремих ділянок легенів. 6. Синтезована структурна схема та реалізована система для ПФГ досліджень легенів. 7. Експериментально підтверджена ефективність застосування методу ПФГ для виявлення легеневих патологій та контролю за процесом лікування. 8. Запропонована та експериментально підтверджена методика досліджень стану легенів методом ПФГ та продемонстровано можливості документування та відображення результатів ПФГ. ПЕРЕЛІК РОБІТ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДІСЕРТАЦІІ 1. Валід Абу Cабха, Н.П. Мустецов. Модель распространения акустической волны в трахеобронхиальном дереве легких. // Проблемы бионики.- 2003, №59.-С. 42 - 50. 2. Мустецов Н. П., Валід Абу Cабха, Вьюник О.В. Диагностика легочных патологий методом компьютерной пульмофонографии. Вестник национального технического университета “ХПИ”: - 2004, вып. 34. – С. 129-136. 3. Мустецов Н. П, Валід Абу Cабха Экспериментальное исследование возможностей метода пульмофонографии. // Восточно – европейский журнал передовых технологий. – 2004, №4. – С.57-59. 4. Валід Абу Cабха Исследование распространения акустических колебаний в воздушном тракте легочных воздухопроводов. Материалі. 8-го межд. форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХ1 веке”.- Харьков, 2004.- С. 112. АНОТАЦІЯ Валід Абу Сабха. Біотехнічна система для дослідження параметрів легенів. – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.11.17 – медичні прилади і системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2004. Дисертація присвячена розробці біотехнічної системи для акустичних досліджень легенів. Запропонована модель розповсюдження акустичної хвилі в легеневих повітропроводах і показано що формування акустичного сигналу на поверхні грудної клітки (ПФГ) є результатом проходження акустичної хвилі уздовж акустичної системи, що складається з повітропроводів легенів, паренхіми і імпедансу ділянки грудної клітки. Показана адекватність даної моделі процесам, що відбуваються в реальних легенях. З'ясовано, при аналізі характеру механічних імпеденсів акустичного тракту і результатів експерименту, що на формування ПФГ впливає наявність природного резонансного контру, утвореного ділянкою паренхіми, відповідною ділянкою бронхіального дерева і прилеглою ділянкою грудної клітки. Синтезована структурна схема і реалізована біотехнічна система для ПФГ досліджень. Особливістю системи є адаптація амплітуди акустичного сигналу до пацієнта, що дозволяє проводити оцінку кількісних показників дихання. У роботі приведені результати випробувань можливостей розробленої системи в реальних умовах клініки. Ключові слова: бронхіальне дерево; паренхіма; акустичний імпеданс; альвеоли; біотехнічна система; фазовий портрет. АНОТАЦИЯ Валид Абу Cабха. Биотехническая система для исследования параметров легких. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 – медицинские приборы и системы. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2004. Диссертация посвящена разработке биотехнической системы для акустических исследований легких. Предложена модель распространения акустической волны в легочных воздухопроводах и показано, что формирование акустического сигнала на поверхности грудной клетки (ПФГ) является результатом прохождения акустической волны вдоль акустической системы, состоящей из легочных воздуховодов, паренхимы и импеданса участка грудной клетки. Основным выводом моделирования является установленный факт, что амплитуда ПФГ зависит только от воздухонаполненности альвеол. Выяснено, при анализе характера механических импедансов акустического тракта и результатов эксперимента, что на формирование ПФГ влияет наличие естественного резонансного контура, образованного участком паренхимы, соответствующим участком бронхиального дерева и прилежащим участком грудной клетки. Обоснованы частота акустических колебаний и точки, в которых необходимо регистрировать ПФГ сигнал с целью получения диагностических региональных показателей легких. Получены формулы, для практических расчетов региональных показателей дыхания. Синтезирована структурная схема и реализована биотехническая система для ПФГ исследований. Особенностью системы является адаптация амплитуды зондирующего акустического сигнала к пациенту, что позволяет производить оценку количественных показателей дыхания. В работе приведены результаты испытаний возможностей разработанной системы в реальных условиях клиники, при исследовании пациентов с различными патологиями, предложены методика проведения ПФГ исследования, документирования и отображения результатов. Ключевые слова: бронхиальное дерево; паренхима; акустический импеданс; альвеолы; биотехническая система; фазовый портрет. SUMMARY Walid M.K. Abusabha. Biotechnical system for lungs parameters research. Dissertation on competition of a scientific degree of candidate of engineering sciences on the specialty 05.11.17 - medical devices and systems - Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2004. Dissertation is devoted to development of the biotechnical system for acoustic researches of lungs. Offered model of distribution of acoustic wave in pulmonary air pipe and it is shown that forming of acoustic signal on the surface of thorax pulmophonogram (PPG) is the result of passing of acoustic wave along the acoustic system, that consists of air pipe of lungs, parenchyma and impedance of area of thorax. Adequacy of this model is showed for real processes in lungs. By the analysis of character of mechanical impedances acoustic highway and results of experiment it is found out, that the presence of natural resonance contour influences on forming of PPG, formed by the area of parenchyma, proper area of bronchial tree and adjoining area of thorax. Flow diagram and realized biotechnical system for PPG researches is synthesized. Is the peculiarity of the system is the adaptation of amplitude of acoustic signal to the patient. That allows conducting estimation of quantitative indexes of breathing. The result of tests of possibilities of the developed system in the real clinics term is carried out. Keywords: bronchial tree; parenchyma; acoustic impedance; teethridges; biotechnical system; phase portrait. PAGE 1

Похожие записи