МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Лінник Сергій Миколайович

УДК 615.47:616-074

Методи та засоби сегментарної реографії легенів

05.11.17 – Біологічні та медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків –2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у 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 та систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Злепко Сергій Макарович, Вінницький
національний технічний університет Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри проектування медико-біологічної апаратури;

кандидат технічних наук, доцент Поворознюк Анатолій Іванович,
Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, професор кафедри обчислювальної
техніки і програмування

Провідна установа:

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України
кафедра фізичної та біомедичної електроніки.

Захист відбудеться 01.07.2006 2006 р. о 13 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 Харківського національного
університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп.
Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного
університету радіоелектроніки за адресою:61166, м. Харків, просп.
Леніна, 14.

Автореферат розісланий 30.05. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ М.М.
Рожицький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хвороби легенів є однією з найпоширеніших груп
захворювань, що призводять до інвалідності та летальних випадків. Це
обумовлено пізньою діагностикою даної патології, у зв’язку з тим, що
виражені симптоми захворювання проявляються в той час, коли легенева
функція вже істотно порушена. Серед захворювань, зареєстрованих у людей,
що вперше звернулися до лікаря, легеневі захворювання складають 36 %. За
даними МОЗУ причинами інвалідності у 30,7 % стають захворювання шляхів
дихання. Травми грудної клітки у 90% випадків призводять до порушення
герметичності плевральної порожнини та легеневої структури. Внаслідок
отриманих травм грудної клітки летальні виходи, через гостру дихальну
недостатність складають 50%. За даними МООЗ на ранніх стадіях легеневі
захворювання діагностуються менше ніж, у 50 %. Таке положення
пояснюється недостатньою укомплектованістю медичних закладів сучасною
діагностичною технікою та недосконалістю методів і засобів дослідження
легенів.

Патологічні порушення в легенях призводять до зміни
вентиляційно-перфузійних відношень (ВПВ) у різних сегментах, які можуть
бути використані для визначення ступеня патології. Таким чином,
діагностика захворювань легенів на ранніх стадіях є актуальною задачею,
вирішення якої потребує розробки нових методів та засобів дослідження
легенів.

Існуючі методи та засоби діагностики функціонального стану легенів мають
вузько орієнтовані діагностичні можливості. Вимірювання ВПВ проводиться
окремо або оцінюються патологічні порушення легенів за інтегральними
показниками в цілому. Одним із шляхів уникнення цих недоліків є метод
реографії, при умовах його використання для кожного з сегментів легенів
окремо. Метод дозволяє виявляти і визначати ступінь порушень системи
дихання та підвищити якість діагностичного процесу.

Таким чином, розвиток методів та засобів сегментарної реографії легенів,
що характеризуються підвищеною інформативністю та розширеними
функціональними можливостями, є актуальною науковою задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано
відповідно до плану держбюджетних науково-дослідних робіт за темами
“Створення сучасних моделей процесів діагностики лікування та
забезпечення життя людини” (0104U004065) і “Розробка та впровадження в
медичну практику комплексу діагностичних комп’ютерних систем”

№ 0193U039132.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення
інформативності та розширення можливостей методу реографії під час
дослідження легеневих захворювань.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі наукові задачі:

провести аналіз існуючих методів дослідження легенів та обґрунтувати
перспективність сегментарної реографії для оцінки функціонального стану
легеневого сегмента;

удосконалити модель легеневого сегмента, що дозволяє обґрунтувати
взаємозв’язок об’ємних і електричних характеристик легеневого сегмента;

провести чисельне моделювання зміни електричного опору легеневого
сегмента, що відображує його повітро- та кровонаповнення;

розробити методи проведення та інтерпретації результатів сегментарного
реографічного дослідження ВПВ легеневого

сегмента;

розробити апаратно-програмні засоби реєстрації та обробки результатів
сегментарного реографічного дослідження легенів;

експериментально обґрунтувати застосування методу сегментарного
реографічного дослідження для диференційної діагностики стану легенів.

Об’єкт дослідження – процеси перфузії та вентиляції в легенях людини.

Предмет дослідження – методи та засоби сегментарної реографії легенів з
підвищеною інформативністю і розширеними функціональними можливостями.

Методи дослідження базуються на використанні теорії вимірювань, теорії
цифрової обробки сигналів, фізичному та математичному моделюванні,
теорії гідродинаміки, статистичних методів обробки результатів
експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

( отримала подальший розвиток феноменологічна електрична модель
легеневого сегмента, що дозволило адекватно описати процеси зміни його
електричного опору на різних фазах дихального циклу;

( розроблено метод сегментарного реографічного дослідження легенів, що
вперше дозволило встановити зв’язок між пульсовими коливаннями
кровонаповнення та фазами дихального циклу, а також проводити
діагностику прихованих порушень легеневої структури;

( запропоновано метод інтерпретації результатів досліджень
вентиляційно-перфузійних показників у багатовимірному просторі ознак, що
дозволяє проводити диференційну діагностику захворювань легенів.

Практичне значення отриманих результатів:

( розроблено апаратно – програмні засоби системи сегментарної реографії
легенів, які дають можливість проведення комплексного дослідження
системи дихання людини.

( розроблено модель процесу повітро- та кровонаповнення легеневого
сегменту, яка дозволила отримати нову інформацію під час вивчення
фізичних властивостей легеневої тканини, що є актуальним для
науково-дослідних розробок та сприяє підвищенню діагностичних
можливостей методів реографії;

( розроблено метод дослідження, що базується на основі аналізу даних
пульсових коливань в легеневому сегменті на різних фазах дихального
циклу, та апаратно-програмні засоби сегментарної реографії легенів, які
застосовуються під час аналізу посттравматичного синдрому у відділенні
травматичного шоку Інституту загальної та невідкладної хірургії АМН
України (акт клінічної апробації);

( застосування запропонованих методів та засобів сегментарної реографії
легенів надає можливість проведення моніторингу системи дихання та
зменшити необхідність рентгенівських досліджень;

( розроблений метод дослідження та апаратно-програмні засоби
сегментарної реографії легенів використовуються у навчальному процесі
ХНУРЕ під час проведення лекційних, практичних та лабораторних занять за
дисциплінами: “Моделювання в біології та медицині”, “Інженерні методи
медико-біологічних досліджень та вимірювальні перетворювачі”, “Основи
побудови та застосування біомедичної апаратури” (акт про впровадження).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що складають
сутність роботи і знайшли відображення у пунктах новизни, наукового і
практичного значення, отримано автором особисто. У роботах, що
опубліковані у співавторстві, здобувачу належить таке: дослідження
функціонального стану людини з позицій системного аналізу [1, 2];
оптимізація структури та параметрів вимірювальної системи, обґрунтування
вимог до засобів обчислювальної техніки та програмного забезпечення
[3-5]; аналіз можливостей методів та засобів сегментарної реографії
легенів [7]; метод інтерпретації результатів досліджень ВПВ у
багатовимірному просторі ознак [9]; гідродинамічна модель легеневого
сегмента та обґрунтування застосування нового діагностичного показника
для оцінки функціонального стану легенів [10].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації
апробовано на І-й та ІХ-й конференціях “Молодь та електроніка в XXI ст.”
(Харків, 1997, 2005); ІІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції
“Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації” (Туапсе,
1997); на IX-й, XI-й–ХІІІ-й міжнародних науково-практичних конференціях
“Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я
(MicroCAD)” (Харків, 2001, 2003-2005).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 7 статтях в
українських виданнях, що входять до переліку ВАК та 3 тезах доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація містить: вступ, чотири розділи,
в яких викладено основні результати роботи, висновки, перелік посилань,
додатки. Робота викладена на 173 сторінках машинописного тексту,
ілюстрована 18 таблицями і 65 рисунками та містить 142 літературних
посилання.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і значення роботи для вирішення задач
діагностики легеневих захворювань. Сформульовано мету і завдання роботи,
наведено її загальну характеристику.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів дослідження системи
дихання людини, проаналізовано особливості її організації з позицій
системного аналізу.

Зміна легеневої вентиляції й кровообігу призводить до порушення ВПВ, що
в нормі становить 0,8–1,0. У погано вентильованих та добре
кровонаповнених альвеолах ВПВ різко знижене й навпаки. При різних
патологіях легеневого кровообігу порушується кількісний взаємозв’язок
між легеневою вентиляцією та перфузією в різних відділах легеневої
системи. Ступінь патофізіологічних змін при даних захворюваннях значно
перевищує показники ВПВ у нормі.

Клінічні форми патології дихання та кровотоку встановлюються за
допомогою інструментальних (бронхоспірографії, спірометрії,
мас-спектрометрії, капнометрії, рентгенографії, пульмофонографії,
радіоізотопних досліджень) та лабораторних (біохімічних, імунологічних,
бактеріологічних) методів досліджень, що дозволяють отримувати
інформацію про нерівномірність дихальних циклів і регіональну вентиляцію
легенів.

Незважаючи на велику кількість причин порушень процесу дихання під час
дослідження стану легенів, практична медицина має обмежений арсенал
методів і засобів. Радіоізотопні і рентгенівські методи дозволяють
отримувати якісну інформацію про стан і роботу легенів, однак їхнє
застосування має відомі обмеження. Методи, що застосовуються у клінічній
медичній практиці, в основному розглядають проблеми виміру повітряних
обсягів окремо від порушень параметрів системи малого кола кровообігу,
що призводить до діагностичних помилок.

Застосування реографічного методу дослідження легенів надає можливість
проводити одночасний аналіз дихальної системи людини і визначення стану
кровоносної системи, що дозволяє виявляти нерівномірність ВПВ та
підвищувати вірогідність діагнозу.

, що пов’язане з коливаннями обсягу повітря і крові в легеневому
сегменті, змінами у плевральній порожнині, а також зміни відстані між
електродами в результаті дихальної екскурсії грудної клітки.

У дисертаційній роботі було проведенно реографічні дослідження 32 умовно
здорових осіб віком від 18 до 25 років для правої частини легенів у
трьох областях грудної клітки: верхньої – на рівні підключичної області,
середньої – рівень ІІІ міжреберря й нижньої – на рівні мечоподібного
відростка при вертикальному положенні пацієнта під час зондування
струмом у 1,93 мА на частоті 40 кГц.

Результати дослідження повітро- і кровонаповнення різних сегментів
грудної клітки (площа електрода 12,56 см2 ) наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Показник

Сегмент Амплітуда систоли, Ом Амплітуда діастоли,

Ом Амплітуда дихальних хвиль, Ом Базовий опір,

Ом

Верхній 0,055±0,025 0,025±0,005 4±2 167,5±37,5

Середній 0,085±0,035 0,07±0,03 5,5±3,5 177,5±32,5

Нижній 0,145±0,015 0,11±0,02 7±5 165±35

Результати досліджень залежності базового опору і амплітуди дихальних
хвиль у нижньому сегменті легенів від обсягу досліджуваного сегмента
(відстань між електродами 22 см) наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Площа електродів, см2

Показник, Ом 19,62 12,56 7,06 3,14

Базовий опір 165±11 180±15 215±13 245±18

Амплітуда дихальних хвиль 2,5±2 3,2±2,4 3,8±2,5 7,3±4,2

Експериментальні дослідження, проведені автором, підтвердили
перспективність методу реографії. Використання потенційних можливостей
методу реографії легенів буде виправдано тільки у випадку побудови
моделі вимірювального кола, фізіологічної та фізичної інтерпретації
процесів, які протікають у сегменті легенів, що досліджується.

У другому розділі розглянуто модель сегмента легенів, яка дозволяє
описати взаємозв’язок між зміною електричних характеристик та об’ємними
показниками досліджуваної ділянки.

Розповсюдження крові по легеневих судинах залежить від багатьох фізичних
параметрів: діаметра д та довжини l судини, кінематичної в’язкості крові
м, гідродинамічного опору та градієнта тиску ДР у системі та величини
повітронаповненості легенів. При заповненні повітрям 50 % легенів дрібні
судини розпрямляються, мають найбільший діаметр і виявляють найменший
опір кровотоку. При подальшому збільшенні повітронаповненості легенів
судини подовжуються, їхній поперечний перетин зменшується, що призводить
до збільшення судинного опору.

Виходячи з анатомічної будови судинної системи легенів, її можна подати
як пористе середовище довжини х та пористістю Р, розповсюдження крові в
якій відбувається по проточних каналах (легеневі судини в тканині
легенів), оточених закритими повітряними порами (альвеолами). Кількість
крові Q, що проходить через легеневий сегмент за час t для трьох
можливих типів структур наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Модель капілярного

,

– фактор

,

,

де m – прозорість

системи.

Зважаючи на те, що значні коливання об’єму легенів пов’язані з
повітронапов-ненням, а моделі капілярного типу описують процеси
кровотоку в легенях, в роботі обґрунтовується, що найбільш придатною для
опису функціонування легенів є модель, що складається зі сферичних
часток.

Легені являють собою гетерогенну структуру, що складається з легеневої
тканини, крові і повітря (рис. 1).

Об’єм повітря VПОВ у моделі зі сферичних часток складається з величини
залишкового об’єму VЗО на повному видиху та величини дихального об’єму
при вдиху VДО

. (1)

В умовах нормального функціонування легенів об’єм легеневої тканини VТК
та вміст крові VК у сегменті (VТК+К) змінюються при визначенні
додаткового об’єму крові VП у результаті серцевого викиду:

. (2)

Фізичним показником, що може характеризувати легеневу тканину, є
пористість P. Пористість середовища даної моделі визначається як
відношення VПОВ у сферичних частках до загального об’єму сегмента
легеневої структури VЛ.

. (3)

При патологічних змінах структури легеневої тканини відбувається
процентна зміна вмісту повітря і рідини в сегменті, що досліджується.
Розрив легеневої тканини супроводжується заповненням простору альвеол
рідиною, що призводить до зменшення вмісту повітря в сегменті легенів.
Отже, модель пористого середовища відображує основні процеси дихання і
кровонаповнення сегмента легеневої структури при нормальному і
патологічному станах.

Проходження струму через складну гетерогенну структуру грудної клітки
зображено на рис. 2 а. Припустити, що питомі опори тканин сегмента
грудної клітки розміщені послідовно (рис. 2 б). Між електродами 1
виділимо три основних шари: легені 5 та інші струмопровідні тканини
(шкіра з підшкірною клітковиною 2, м’язова 3 та плевральна 4 тканина).

Залежність питомого електричного опору легенів сЛ, за наявності
непровідних діелектричних пор і струмопровідного середовища сТК,
залежить від відносних об’ємів структурованих компонентів, та з
урахуванням (1–3) отримаємо:

(4)

Під час дихання й кровонаповнення опір струмопровідних структур інших
тканин RТ змінюється незначно (менш ніж 1%) у порівнянні зі зміною опору
легеневої структури RЛ. Тому електричний опір сегмента даного середовища
R дорівнює:

, (5)

де S – площа сегмента, lТ , lЛ – довжина тканини і легенів, сТ – питомий
електричний опір тканини.

Для аналізу кількісних показників моделювання процесів дихання і
кровонаповнення використовуються дані, отримані в результаті прямих
вимірів електропровідності різних тканин легеневої структури:

сТК = 250 Ом?см, Р=0,1 ч 0,7. Для сегмента легеневої структури довжиною

10 см при площі дослідження 12,56 см2 визначимо із (5) значення базового
опору RБ залежно від Р (табл. 4).

Таблиця 4

Пористість 0,1 0,3 0,5 0,7

Опір, Ом 234 328 500 895

Слід зазначити, що сумарний опір сегмента грудної клітки перевищує дані,
наведені у табл. 4, за рахунок опору поверхневих струмопровідних тканин.
Результати експериментальних досліджень (табл. 1) більш ніж на порядок
відрізняються від теоретично розрахованих. Даний феномен може бути
пояснений наявністю в послідовній сегментарній будові легенів
“фізіологічного шунта”, що підтверджує нелінійний характер залежності
базового опору від об’єму досліджуваного сегмента легенів (див. табл.
2). Тоді електричний опір моделі легеневого сегмента, з урахуванням
фізіологічного шунта, дорівнює:

, (6)

де k – фізіологічний коефіцієнт, що характеризує структуру легенів.

Oe

ue

`

?

u

O

Oe

ue

`

b

?

&-oocssOeIIEssssssssssssssssA·«

8?9?9?9o98;v=ooooooaOOOOOoooooooooooo

&

&

??

??

??

??

??

?F??????

??

??

j0

??

?F????$?

?

?

??

`„7a$

”y&

???Результати розрахунку по (6) дихальної складової опору RД, пульсової
складової опору RП сегмента залежно від зміни VДО та VП, при S = 12,56
см2,

l = 10 ч 20 см і k = 0,008 наведено на рис. 3 і рис. 4. Результати
залежності RБ і RД від зміни S при l = 10 — 15 см наведено на рис. 5 і
рис. 6. Знаком * на рис. 3 – 6 позначені експериментальні дані табл.
1,2.

Результати розрахунку опору показують, що збільшення VДО призводить до
збільшення дихальної складової опору (рис. 3), а збільшення VП знижує
пульсову складову опору (рис. 4). Дані моделювання в цьому випадку
збігаються з експериментальними значеннями (див. табл. 1, 2).

У результаті теоретичних і експериментальних досліджень запропоновано
феноменологічну електричну модель сегмента грудної клітки (рис. 7). Опір
RШ визначає наскрізну провідність легеневої тканини. Опір RШП
характеризує поверхневий електричний струм, який має незначну величину
порівняно зі струмом, що зондує, тому суттєво не впливає на останній.
Ємності тканин СТ та легенів СЛ характеризують залежність опору від
частоти струму, що зондує.

Модель відображує характер зміни властивостей легеневого сегмента в
залежності від об’ємних показників повітро- та кровонаповнення.

У третьому розділі обґрунтовано вимоги щодо технічних параметрів
вимі-рювальної системи та інформаційне узгодження між технічними
засобами вимірювань і програмно-алгоритмічними засобами обробки
результатів дослідження та формування діагнозу.

Для експериментальних досліджень легенів використовується тетраполярний
метод з кільцевими коаксіальними електродами: один для підведення
зондувального струму, другий – для реєстрації напруги, за
потенціометричною схемою включення. Використання двох пар електродів
дозволяє розташовувати потенціометричні електроди в області рівномірного
розподілу силових ліній високочастотного струму (рис. 8), що дозволяє
локалізувати область дослідження. Струм від блоку формування впливу
(БФВ) через трансформатор Tp1 подається на струмові електроди,
розташовані на грудній клітки спереду і ззаду досліджуваного сегмента.
Спад напруги, пропорційний зміні опору досліджуваної ділянки через
трансформатор Tp2, подається на блок перетворення та підсилювання (БПП).

після повного видиху із одночасною реєстрацією RП. Після звичайного
вдиху вимірюють зміну RД та реєструють його пульсові коливання (рис. 9).

Для вибору величини зондувального струму та частоти було проведено
дослідження залежності RБ нижнього сегмента 11 умовно здорових осіб
віком від 18 до 25 років від величини струму та частоти, які наведені в
табл. 5.

У результаті дослідження опору сегментів легеневих структур установлено,
що його величина практично не залежить від щільності зондувального
струму (менш ніж 2,2 %) і частоти (менш ніж 2 %) в межах обраного
діапазону дослідження.

Таблиця 5

Площа,

см2 Базовий опір, Ом

(I = 1,5-2,5 мА, f = 40 кГц) (I = 1,9 мА, f = 40-100 кГц)

Середнє значення Абс. зміна Відн. зміна, % Середнє значення Абс. зміна
Відн. зміна, %

S=19,62 148,5 2,5 1,68 149,5 1,5 1

S=12,56 163,5 2,5 1,53 161,5 1,5 0,93

S=7,06 188 3 1,6 183 3,5 1,9

S=3,14 214,5 4,5 2,1 215 4 1,87

Для відділення повільно мінливих коливань RД (0,1ч3 Гц) від пульсових RП
(0,3ч30 Гц) застосовуються засоби фільтрації та апаратного розділення
сигналів (рис. 8) за допомогою диференціального підсилювача (для RП) і
підсилювача постійного струму (RБ і RД), одного 8-розрядного АЦП і
комутатора, що входить до складу мікроконтролера (МК). МК у пристрої
спряження (ПС) виконує функцію перетворення аналогових сигналів у
цифровий код, накопичування і видачу даних у ПК [2]. Дане вирішення
дозволить спростити структуру і схемотехнічну реалізацію, відповідно
підвищити надійність і, в підсумку, знизити собівартість засобів, що
використовуються.

Функції обробки попередньої оцінки, візуалізації і зберігання інформації
покладають на ПК. Програмне забезпечення має багатофункціональне
призначення: ведення бази даних, реєстрація сигналів і їхня попередня та
подальша обробка і відображення результатів аналізу. Особливостями
програмного забезпечення є можливість визначення функціонального стану
легенів за оцінкою комплексу показників та встановлення захворювання, а
також використання функції самонавчання.

Проведено аналіз похибок вимірювання та обробки інформації, а також
засоби їх зменшення.

У четвертому розділі розроблено і обґрунтовано методи та засоби
інтерпретації результатів сегментарних реографічних досліджень. В основу
було поставлено завдання розширення функціональних можливостей способу
реографії легенів шляхом проведення комплексної оцінки кількісних та
якісних показників вентиляції та перфузії на різних фазах циклу дихання.

Результати дослідження пульсових коливань на вдиху та видиху, що
вибірково представлені для нижньої зони легенів для 25 умовно здорових
осіб віком від 18 до 25 років та 10 осіб з травмами грудної клітки при
різній площі електродів і струму зондування 1,93 мА (табл. 6), дозволили
встановити: факт розбіжності якісних показників; (форма кривої,
наявність характерних хвиль); амплітудно-часові показники; комплексні
амплітудно-фазові показники; швидкісні показники пульсових коливань на
різних фазах дихання.

Таблиця 6

Площа електродів, см2 Амплітуда систоли, Ом

Вдих Видих

19,62 0,08ч0,1 0,14ч0,16

12,56 0,08ч0,11 0,14ч0,17

7,06 0,09ч0,11 0,15ч0,19

3,14 0,1ч0,12 0,15ч0,2

З наведених даних видно, що для 6-го пацієнта (табл. 7) у симетричних
сегментах криві в одному випадку мають явну подібність (рис. 10 а ). В
інших випадках (4-й пацієнт) проявляють ознаки розходження (рис. 10 б).
Це пояснюється прихованими порушеннями легеневої структури, які
відображуються у зміненні вентиляційно-перфузійних показників. Це є
основою для формування нового діагностичного показника, що враховує
комплексну оцінку пульсових та дихальних коливань.

Інтерпретація результатів вимірювання вперше проводиться за порівняльним
аналізом даних пульсових коливань на фазах вдиху та видиху, а також за
значеннями RБ та його зміни від вентиляції сегмента RД/RБ.

Для кількісної оцінки взаємозв’язку між пульсовими кривими,
зареєстрованими на вдиху та видиху, запропоновано використання
інтегральних показників у вигляді:

— коефіцієнта кореляції r, що показує ступінь зв’язку кривих на різних
фазах дихального циклу;

, що характеризує різницю між об’ємами кровонаповнення;

;

, що характеризує механічні властивості легеневого сегмента.

Результати обчислень якісних та кількісних показників 68 умовно здорових
осіб віком від 19 до 50 років та 30 пацієнтів з травмами грудної клітки
різних зон та ступеня вибірково наведені в табл. 7.

Таблиця 7

Пацієнт Сегмент Показник

RБ/100 AС KБ r KП RД/2

Пацієнт 1 лівий 1,64 0,99 0,006 0,7 0,62 2,29

правий 2,74 0,97 0,04 0,25 0,79 0,04

Пацієнт 2 лівий 1,52 1,19 0,56 0,8 0,75 1,15

правий 1,91 0,85 0,31 0,6 1,06 3,37

Пацієнт 3 лівий 1,78 1,18 0,3 0,8 2,26 0,88

правий 2,02 0,59 1,14 0,7 1,03 0,96

Пацієнт 4 лівий 1,53 1,64 2,38 0,96 2,84 0,69

правий 1,16 1,19 0,19 0,6 1,65 3,2

Пацієнт 5 лівий 1,37 0,94 0,12 0,61 0,56 0,11

правий 1,5 0,53 1,17 0,9 1,25 2,55

Пацієнт 6 лівий 4,45 1,13 0,32 0,46 0,96 0,56

правий 2,45 1,1 0,24 0,3 1,47 0,38

Пацієнт 7 лівий 1,53 0,2 2,38 0,59 2,93 1,01

правий 1,58 0,53 1,17 0,9 3,25 0,9

Враховуючи складний і неоднозначний характер зміни показників, для їх
комплексної інтерпретації запропоновано використання багатовимірного
простору ознак: “базовий опір – коефіцієнт відношення амплітуд систол на
вдиху та видиху – коефіцієнт ступеня близькості – коефіцієнт кореляції –
коефіцієнт відношення площин – відносне змінення базового опору”. Форма
фігури в багавитомірному просторі ознак враховує значення всіх
показників і відображує загальний функціональній стан легенів (рис. 11),
відповідно до рис. 10.

Для проведення диференціальної діагностики післятравматичних уш-коджень
грудної клітки запропоновано обчислення центру ваги фігури та
встановлення його місцеположення в полярній системі координат. Для
даних, наведених в табл. 7, встановлено місцеположення центрів ваг (рис.
12), з якого випливає, що сукупність точок, які відповідають центрам
ваг, розподіляється на чотири класи (табл. 8),

Таблиця 8.

Патологія Радіус-вектор, r Кут, град (, %

Пневмоторакс r > 0,75 60 ч 120 1,6

Гемоторакс 0,5 < r < 1 210 ч 330 1,8 Набряк r > 1 180 ч 240 0,2

Розрив тканини легенів r > 1,5 120 ч 180 0,4

Норма r < 0,5 0 ч 360 2 Даний метод інтерпретації результатів сегментарної реографії легенів наочно відображує характер та ступінь функціональних змін і порушень легеневого сегмента. Похибка ( запропонованого методу складає 0,2 ч 2 % в порівнянні з традиційними рентгенографічними дослідженнями. ВИСНОВКИ 1. Проаналізовано особливості легенів як об'єкта дослідження. Показано, що для діагностики прихованих порушень легенів необхідно одночасне діагностування функції дихання і легеневого кровообігу. 2. Обґрунтовано актуальність розробки нових інструментальних методів та засобів дослідження легенів. Серед інструментальних методів дослідження легенів обґрунтовано перспективність методу реографії. 3. Для опису легеневої структури адаптовано гідродинамічну модель пористих середовищ. Результати чисельного моделювання підтверджують взаємозв'язок електричних характеристик сегмента легенів з об'ємними показниками повітро- та кровонаповнення. 4. Розроблено феменологічну електрична модель сегмента грудної клітки, що адекватно відтворює електричні властивості досліджуваної ділянки легеневої структури. 5. Розроблено структуру та оптимізовано параметри вузлів системи сегментарної реографії легенів. 6. Розроблено алгоритми отримання, обробки і відображення результатів сегментарних реографічних досліджень легенів та формування діагностичних показників. 7. Проаналізовано похибки та проведено оцінка достовірності результатів сегментарної реографії легенів. 8. Проведені експериментальні дослідження підтвердили правильність вибору технічних засобів та алгоритму роботи пристрою. 9. Запропоновано метод і критерії диференціальної діагностики з використуванням багатовимірного простору ознак, що дозволяє наочно відображати стан окремих сегментів легенів для післятравматичних ушкоджень грудної клітки. ПЕРЕЛІК РОБІТ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДІСЕРТАЦІІ 1. Дацок О.М., Линник С.Н., Мустецов Н.П. Система мониторинга состояния здоровья человека // “Электроника и связь”, 1998, – Т. 3, №4 – С. 492-494. 2. Дацок О.М., Мустецов Н.П., Линник С.Н. Система оценки состояния здоровья человека при функциональных пробах // Труды III-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации. Тез. докладов./ХТУРЭ – Харьков–Туапсе – 1997. – С. 321 3. Дацок О.М., Линник С.Н. Компьютерная система оценки здоровья человека // Труды 1-го международный форума “Электроника и молодежь в ХХI веке”. – Харьков: ХТУРЭ. – 1997. – С. 159 4. Линник С.Н., Шеин Е.Н. Прибор для импедансометрии легких // Труды 9-го международного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке” – Харьков: ХНУРЭ. – 2005. – С. 235 5. Линник С.Н. Прибор для измерения показателей дыхания // Вестник Национального политехнического университета “ХПИ”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2001. – № 4 – С. 142 - 145. 6. Величко О.Н., Линник С.Н. оптимизация системы обработки и отображения информации при мониторинге дыхания // Вестник НТУ “ХПИ” – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2003. – №19 – С. 20 - 25. 7 Величко О.Н., Линник С.Н. Система комплексного исследования легких // Вестник НТУ “ХПИ”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2004. – № 34 – С. 27 - 32. 8. Линник С.Н. Модель функционирования легких. // Вестник Национального политехнического университета “ХПИ”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2005. – №46 – С. 118 - 126. 9. Линник С.Н., Мустецов Н.П., Величко О.Н, Дацок О.М. К вопросу интерпретации импедансометрических исследований легких // “Прикладная радиоэлектроника”, – Т. 4., № 2 – 2005. – С. 180 - 184. 10. Голобородько Н.К., Крутько Е.Н. Линник С.Н., Методы математического обеспечения системы диагностики биологических объектов // Бионика интеллекта. – Харьков: ХНУРЭ. – 2005. – №2 (63). – С. 41 - 47. АНОТАЦІЯ Лінник Сергій Миколайович. Методи та засоби сегментарної реографії легенів. – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 – Біологічні та медичні прилади і системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2006. Дисертація присвячена розробці методів та засобів сегментарної реографії легенів. Проведено стислий огляд математичних моделей функціонування легенів. Запропоновано феноменологічну модель системи кровообігу та наповнення легенів повітрям. Доведена адекватність даної моделі процесам, що відбуваються в легенях. Експериментально досліджено особливості сегментарних показників легенів при різних варіаціях геометрії електродної техніки та струму, що зондує. Запропоновано технічну та програмну реалізацію засобів дослідження. Наведено результати реографічних досліджень легенів на різних фазах дихального циклу в реальних умовах клініки. На основі експериментальних результатів запропоновано використання багатовимірного простору ознак для диференціювання захворювань. Ключові слова: вентиляційно-перфузійне відношення, метод сегментарної реографії, метод тетраполярний, електроди коаксіальні кільцеві, простір ознак багатовимірний. SUMMARY Linnik Sergiy. Methods and instruments of segmental rheoraphy of the lungs. Dissertation for competition of a scientific degree of candidate of technical sciences on the speciality 05.11.17 – Biological and Medical Devices and systems – Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2006. A brief review of lungs functioning mathematical models have been made. A phenomenological model of the system of circulation of blood and air filling of lungs have been offered. The features of segmental lungs indices under variations of the electrode technique geometry and probing current have been experimentally investigated. The technical implementation and software has been offered. The results of rheography investigations of the lungs in different phases of breath cycle in the real clinics conditions are presented. The interpretation of the obtained results is offered. On the basis of experimental data the use of the multidimensional space of parameters for definition of the diseases is proposed. Keywords: ventilation-perfusion correlation, method of segment rheography of the lungs, tetrapolar method, ring coaxial electrodes, multidimensional space of parameters. АНОТАЦИЯ Линник Сергей Николаевич. Методы и средства сегментарной реографии легких. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 – Биологические и медицинские приборы и системы. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2006. Диссертация посвящена разработке методов и средств для сегментарной реографии легких. Рассмотрена возможность использования метода реографии легких для исследования взаимосвязи между показателями альвеолярной вентиляции и легочного кровотока. Приведены результаты исследований, которые подтверждают высокую информативность метода и возможность получения новых количественных медико-биологических показателей вентиляции и перфузии легких. Проведен краткий обзор математических моделей функционирования легких. Предложена феноменологическая модель системы кровообращения и воздухонаполнения легких. Показана адекватность данной модели процессам, протекающим в реальных легких. Экспериментально исследованы особенности сегментарных показателей легких при различной вариации электродной техники и тока зондирования. Предложена техническая реализация устройства. Для экспериментальных исследований применяется тетраполярный метод с кольцевыми коаксиальными электродами: один для подведения зондирующего тока, другой – для регистрации напряжения, за потенциометрической схемой включения. Рассмотрена оптимизация некоторых блоков. Для отделения дыхательных колебаний от пульсових используются средства фильтрации и аппаратного разделения сигналов с помощью дифференциального усилителя и усилителя постоянного тока. Для преобразования первичной информации предлагается использовать микропроцессорные средства с дальнейшим разъединением функций обработки и отображение между элементами устройства, которое обеспечивает высокую достоверность диагностических исследований. Программное обеспечение включает четыре основных функциональных модуля: модуль обмена данными и управления; модуль отображения диаграмм; база данных; модуль анализа данных. Каждый из модулей предназначен для выполнения ряда специфических функций. Удобный пользовательский интерфейс дает возможность использования разных графических режимов, которое значительно упрощает восприятие информации. Приведены результаты импедансометрических исследований легких в различных фазах дыхательного цикла в реальных условиях клиники. На основе экспериментальных результатов обосновано применение пространства многомерных признаков для дифференцирования заболеваний. Ключевые слова: вентиляционно-перфузионные отношения, метод сегментарной реографии, метод тетраполярный, электроды коаксиальные кольцевые, пространство признаков многомерное. PAGE 1 PAGE 1

Похожие записи