.

Біотехнічна система для дослідження параметрів легенів (автореферат)

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
1 2042
Скачать документ

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

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020