Метод та пристрій для підвищення вірогідності діагностування патологічних змін в організмі тварин

Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

Данілко Інна Віталіївна

УДК 621.37; 577.35

МЕТОД ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ВІРОГІДНОСТІ ДІАГНОСТУВАННЯ ПАТОЛОГІЧНИХ ЗМІН В ОРГАНІЗМІ ТВАРИН

05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка, Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Мегель Юрій Євгенович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка, професор кафедри кібернетики.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Краснобаєв Віктор Анатолійович Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П.Василенка, професор кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій;

кандидат технічних наук, професор Мустецов Микола Петрович Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Д. Черенков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Важливою задачею, що стоїть перед аграрним комплексом України на сучасному етапі, є контроль стану організму тварин при проведенні планових обстежень на фермах, учбових господарствах, контролю стану організму курей на птахофермах, зокрема під час застосування спеціальних кормових добавок. еритроцит кров тварина організм

Дослідження крові дозволяє виявляти прихований запальний процес в організмі піддослідної тварини чи птиці, приймати при деяких захворюваннях рішення щодо постановки діагнозу (анемії, лейкози і т.п.), проводити диференційну діагностику різних захворювань в комплексі з даними інших досліджень, слідкувати за станом окремих органів та систем, вивчати інтер'єрні властивості тварин різних порід і, особливо, їх продуктивність.

Як правило, в повсякденній ветеринарній практиці обмежуються неповним аналізом крові і основним показником, що визначається з-поміж інших, є швидкість осідання еритроцитів (ШОЕ), збільшене значення якого свідчить про наявність серйозного захворювання в організмі, хоча й не дозволяє діагностувати те або інше захворювання, а також спрогнозувати його тяжкість. Тому цей метод набув в даний час найбільшого поширення для діагностики наявності запальних процесів в організмі тварин.

Актуальність теми. Особливий інтерес для контролю стану організму тварин є дослідження динаміки процесу осідання еритроцитів крові, що відображає її властивості більш повно, ніж єдине середнє значення швидкості, визначене через 1 годину після початку осідання. Такий підхід може дати ветеринарним лікарям цінні відомості про зміни, які відбуваються в організмі тварини при тестуванні застосованих лікарських препаратів, а також спрогнозувати хід подальшого розвитку захворювання. Таким чином, дослідження характеристик динаміки ШОЕ для різних біологічних процесів в організмі, що відображають індивідуальні особливості крові, дозволяють детально дослідити процес седиментації еритроцитів, визначити додаткові діагностичні параметри для діагностики наявності патологічних змін в організмі тварини або птиці, а також підвищити інформаційне значення стандартного тесту в цілому.

На сьогодні в ветеринарії для визначення ШОЕ застосовуються методи Вестергрена, Неводова і Панчекова. До недоліків перерахованих методів слід віднести тривалий час проведення досліджень (одну годину і більше), велику кількості крові для досліду (2 мл по методу Вестергрена), визначення лише середнього значення показника, а також низьку точність вимірювань, пов'язану з похибкою оператора.

Сучасні розробки по дослідженню ШОЕ спрямовані на автоматизацію процесу реєстрації динаміки осідання, однак не дозволяють одночасно скоротити час проведення аналізу, зменшити проміжок часу дослідження та збільшити кількість досліджуваних зразків крові (Арістов А.А., Воейков В.Л., Дмитриев А.Ю., Гурфинкель Ю.И., Дацок О.М., Кизилова Н.Н., Baskurt O.K., McKinney D.K., Fuller M.E., Carone B.V.).

На основі проведених дослідів процесу седиментації еритроцитів крові тварин в полі неоднорідних відцентрових сил, оптимізації його основних параметрів та отримання експериментальних результатів досліджень динаміки ШОЕ для контролю стану організму тварин показано, що рішення проблеми зі скорочення часу дослідження можна досягти шляхом використання поля відцентрових сил, застосуванням сучасних методів та пристроїв, що дозволить автоматизувати процес вимірювання, збільшити кількість одночасно досліджуваних зразків крові, зменшити похибку вимірів.

У зв'язку з цим, тема дисертаційної роботи спрямована на вирішення актуальної науково-прикладної задачі по розробці методу та пристрою, які дозволять проводити експрес-діагностування наявності патологічних змін для швидкого виявлення пандемії та збереження поголів'я тварин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з загальними Українськими науковими програмами: постановою Кабінету Міністрів України від 24.12.2001р. № 1716 „Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі на 2002-2006рр.”; планами НДР Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. П.Василенка «Методи, моделі та засоби систем автоматизації оцінки патологічних змін в організмі тварин та птиці», номер державної реєстрації № 0109U002696; науково-дослідної роботи Харківського національного технічного університету сільського господарства “Використання обчислювальної техніки та засобів автоматизації в аграрно-промисловому комплексі.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка методу та пристрою автоматизованого дослідження осідання еритроцитів крові в полі неоднорідних відцентрових сил для підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- проаналізувати біофізичні основи процесу седиментації еритроцитів крові та існуючі методи визначення параметру ШОЕ;

- розробити математичну модель процесу седиментації еритроцитів крові тварин та птиці під дією поля неоднорідних відцентрових сил та визначити основні параметри, що ведуть до підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі піддослідних тварин;

- розробити метод діагностування наявності патології з використанням спектрального та кореляційного аналізу процесу ШОЕ з можливістю дискретного запису кривої осідання;

- теоретично розглянути принципи побудови пристрою автоматизованого дослідження динаміки седиментації формових елементів крові для отримання величини першої похідної та спектральної щільності, як величин, що несуть більшу інформацію про ступінь і умови захворювання;

- обґрунтувати оптимальні значення основних факторів впливу на механізм седиментації часток крові під дією відцентрових сил;

- провести експериментальну перевірку теоретичних результатів дослідження зразків крові та вплив кормових добавок на організм птиці.

Об'єкт дослідження. Процес седиментації формових елементів крові в капілярі під дією поля неоднорідних відцентрових сил.

Предмет дослідження. Метод та пристрій для підвищення вірогідності діагностування патологічних змін в організмі тварин.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтуються на способах розв'язання неоднорідних диференційних рівнянь; рівнянь руху суцільного середовища; підходах біофізики для опису фізичних процесів, що відбуваються при осіданні часток крові в капілярі під дією відцентрових сил; статистичній теорії обробки результатів досліджень; принципах розробок систем для діагностики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в даній роботі:

- вперше одержано математичну модель процесу седиментації еритроцитів крові тварин та птиці в полі неоднорідних відцентрових сил, яка дозволила визначити основні параметри седиментації, що ведуть до підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі піддослідних тварин;

- удосконалено метод центрифугування за рахунок визначення оптимальних значень параметрів поля відцентрових сил, що дало можливість автоматизувати процес дослідження динаміки ШОЕ та підвищити інформаційну цінність стандартного тесту;

- дістав подальшого розвитку метод діагностування патологічних змін в організмі тварин на основі дослідження ШОЕ, шляхом використання спектрального та кореляційного аналізу процесу осідання, що забезпечує підвищення вірогідності діагностування.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних та експериментальних досліджень був запропонований метод діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин. На основі застосування поля неоднорідних відцентрових сил практично підтверджена можливість скорочення часу дослідження динаміки осідання часток крові в 5-6 разів, визначення показника ШОЕ, амплітуди першої гармоніки спектральної щільності ДШОЕ та моменту досягнення максимальної швидкості осідання, що дозволило підвищити вірогідність діагностування наявності патологічних змін.

У результаті проведених досліджень обґрунтовані і конструктивно реалізовані вузли та блоки пристрою, що забезпечує підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі піддослідної тварини, дослідження дискретних значень швидкості осідання з високою тимчасовою роздільністю (10 с). Застосування спектрального та кореляційного аналізу динаміки ШОЕ підвищує інформаційну складову досліджень (стандартного тесту) та дозволяє визначити додаткові показники осідання.

Впровадження результатів дисертаційної роботи здійснено в УААН ННЦ «Інституті експериментальної та клінічної ветеринарної медицини» м. Харків; в ННЦ Інституті генетики та розведення тварин УААН м. Київ; в навчальний процес Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. П.Василенка.

Особистий внесок здобувача в тому, що автором безпосередньо:

- проведено теоретичне дослідження основних факторів, що впливають на осідання еритроцитів крові, а також досліджено процес седиментації часток крові в капілярі під дією відцентрових сил [2];

- в роботах [1,8] проаналізовано існуючі математичні моделі та розроблена математична модель процесу седиментації часток крові під дією поля неоднорідних відцентрових сил, визначено основні параметри осідання, що можуть бути використані при діагностуванні наявності патологічних змін, а також встановлено характер руху межі плазма/еритроцити з урахуванням властивостей крові тварин;

- в роботі [4] визначено оптимальні значення найбільш важливих параметрів автоматизованої системи для дослідження седиментації еритроцитів крові тварин (птиці);

- в роботах [3,5] наведено експериментальні дослідження зразків крові курей та білих щурів, одержано криві динаміки осідання ФЕК, значення показника ШОЕ та підтверджено ефективність застосування методу центрифугування для реєстрації ШОЕ з метою скорочення часу досліджень;

- в роботі [6] розглянуто можливість дослідження впливу кормових добавок на організм птиці та запропоновано метод виявлення патологічних змін шляхом визначення нового діагностичного показника - моменту досягнення максимуму осідання при дослідженні крові за допомогою автоматизованої системи та підтверджено ефективність застосування даного методу на основі результатів експериментальних досліджень;

- в роботі [7] приведено результати досліджень динаміки седиментації еритроцитів крові тварин та птиці із застосуванням методу центрифугування, визначено рівняння регресії для кожної із кривих ДШОЕ та проведено порівняльний аналіз одержаних результатів;

- у патенті [15] на корисну модель запропоновано спосіб діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин та птиці.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наступних конференціях: 9-му міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка та молодь в ХХІ ст., Харків 2005 р.; XXVI Міжнародній науково-практичній конференції «Использование лазеров в медицине и биологии», Ялта 2006 р.; 27 Міжнародній науково-практичній конференції «Применение лазеров в медицине и биологии», Харків, 2007 р., 2008 р.; Державній науково-практичній конференції “Вплив фізичних факторів на біологічні об'єкти», Біла Церква, 2007 р.; 3-му Міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития». МРФ-2008. «Актуальные проблемы биомединженерии», Харків, 2008 р.; Міжнародній науково-практичній конференції «Электроэнергетика в сельском хозяйстве», Алтай, Россия 2009 р.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 16 роботах, у тому числі 6 робіт у виданнях, що входять до переліку фахових видань, затверджених ВАК України, 1 патент України, 7 матеріалів конференцій та тез доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації складає 176 сторінок, у тому числі 52 рисунки по тексту, 8 таблиць, 6 додатків на 35 сторінках, 169 найменувань використаних літературних джерел на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, проведено короткий огляд стану проблеми, висвітлюється зв'язок роботи з програмами, планами та темами НДР, сформульована науково-прикладна задача і мета роботи, визначені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, визначений особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, дана інформація про апробацію результатів дисертаційних досліджень, викладені основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі викладені результати аналізу біофізичних основ процесу седиментації еритроцитів крові та існуючих методів дослідження крові тварин і птиці, зокрема визначення стандартного показника швидкості осідання еритроцитів (ШОЕ), що дозволяє проводити диференційну діагностику наявності патології у тварин, оскільки являється своєрідним маркером запального процесу.

До недоліків методів, що базуються на дослідженні седиментації еритроцитів крові під дією сил гравітації, відносяться, поперед всього, тривалий час проведення досліджень; велика кількість крові, необхідна для аналізу; низька точність вимірів, оскільки при визначенні ШОЕ тварин (птиці) по методу Панченкова, як правило процес протікає дуже повільно, що викликає труднощі при визначенні положення границі розділу плазма/клітини; визначення лише одного значення показника ШОЕ наприкінці вимірів.

Аналіз вітчизняних та іноземних літературних джерел показав перспективність застосування поля неоднорідних відцентрових сил, що сприяє прискоренню седиментації еритроцитів і як результат, скорочення часу дослідження осідання та можливість реєстрації динаміки ШОЕ.

Виходячи з проведеного аналізу існуючих методів дослідження ШОЕ та відмічених недоліків виникає необхідність в розробці методу та пристрою для контролю стану біооб'єктів на основі дослідження крові в полі неоднорідних відцентрових сил. Це дозволить прискорити осідання та скоротити час досліджень, збільшити точність визначення ШОЕ, автоматизувати процес вимірювання з можливістю дискретного запису кривої ДШОЕ. Як результат, підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин та визначення додаткових параметрів осідання можливо за рахунок використання спектрального аналізу.

У другому розділі показано, що теорія седиментації еритроцитів крові дозволяє дослідити характер зміни динаміки руху границі розділу між осідаючими еритроцитами та плазмою під дією поля відцентрових сил, що має немонотонний характер та являє собою численні коливання швидкості; отримати вирази для визначення ШОЕ та моменту досягнення максимуму осідання для будь-якого моменту часу.

З огляду на те, що осідання еритроцитів являє собою сукупність процесів агрегації, ущільнення та включення частини плазми до складу агрегатів, кров розглядалась як середовище, що складається з нестисливої рідини (фаза 1) та зважених в ній агрегатів, які утворюються з твердих нестисливих часток (фаза 2) та замкненої рідини (фаза 3), що утворилась під час формування агрегатів при захопленні частини плазми до складу агрегатів. У такому випадку система, до складу якої входять рівняння збереження маси, імпульсів та енергії фаз, а також рівняння для повного числа агрегатів має вигляд:

(1)

де - щільність фаз;

- швидкості масообміну між фазами;

u^б - швидкості фаз;

- тензори напруги;

F_с(х) - результуюча сила, що діє на частинку з об'ємом V_е у відцентровому полі, ();

- густина еритроцитів;

- об'ємні сили міжфазової взаємодії;

- потік енергії у фазі ;

- міжфазові потоки енергії;

N - числова концентрація агрегатів;

G - швидкість утворення агрегатів.

Вирішуючи дану систему, процес вважають одновимірним, вибравши вісь х співпадаючою з напрямом сили тяжіння. Для осідання в трубці висотою L, вважають початком відліку верхній кінець стовпця крові. Початкові і граничні умови мають наступний вигляд:

Н(0,х)=Н₀ , с(0,х)=с₀ , v(0,x)=v₀ при , (2)

де Н₀, с₀, v₀ - початкові об'ємні концентрації агрегатів, часток і середній об'єм твердої фази в агрегатах відповідно.

Початкові швидкості руху фаз приймаються рівними:

u¹(t,L)=0, u²(t,L)=0, u³(t,L)=0 при , (3)

де u¹, u², u³ - швидкості фаз.

Система рівнянь (1) розв'язується методом характеристик, що дозволяє отримати рівняння характеристик на початковій стадії та на стадії розвиненої агрегації процесу осідання в наступному вигляді:

, (4)

. (5)

Умови на характеристиках:

,

, (6)

,

де Н - середня об'ємна концентрація агрегатів;

С - середня об'ємна концентрація часток;

х - середній об'єм твердої фази в агрегатах;

б, r₁, r₂ - постійні коефіцієнти;

м - в'язкість плазми.

Характеристика ОBD є графіком осідання межі розділу границі між плазмою і осідаючими еритроцитами. В точці А швидкість осідання в початковий момент потерпає розрив від Н₀ до Н_m?1, тобто в точці А бере початок безкінечна множина характеристик першого сімейства, що при заповнює область АОВD. Для систем такого роду один розрив має місце завжди - він розділяє шар чистої плазми (Н=С=0), що утворюється над осідаючими еритроцитами (відцентрова сила направлена до дна капіляра) та шар осідаючих еритроцитів. Траєкторія руху такого розриву співпадає з характеристикою ОВD.

Швидкість цього осідання із (5) можливо визначити як:

. (7)

Момент досягнення максимуму осідання, тобто момент часу, з якого позначається наявність дна у капіляра, а швидкість починає зменшуватися, визначається згідно .

Таким чином, в якості діагностичного показника використовується момент досягнення максимальної швидкості осідання. Оскільки експериментальні дослідження підтвердили, що за наявності патологічних змін в організмі тварини відбувається зміна в значенні Т_В.

Чисельні розрахунки встановили, що значення швидкості обертання диска для дослідження крові курей в полі відцентрових сил лежить у діапазоні 455..465 об/хв та 510..530 об/хв для дослідження крові білих щурів, при цьому тривалість центрифугування варіюється в межах 8-13 хв.

У третьому розділі Розглянуто методику розробки елементів пристрою для автоматизації дослідження ШОЕ з метою підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин чи птиці на основі аналізу крові. Наведено обґрунтування елементів функціональної схеми пристрою та визначено основні параметри кожного із блоків.

Для сполучення пристрою з комп'ютером розроблено блок інтерфейсу, що забезпечує обмін інформацією у вигляді двійкового коду для здійснення управління швидкістю обертання диска, яскравістю джерела світла, а також запуску та зупинки центрифуги та початку обробки результатів динаміки осідання.

Для передачі інформації про глибину осідання використовується інтерфейс із пропускною спроможністю, яка визначається як:

, (8)

де n - кількість капілярів у диску центрифуги;

- максимальна частота обертання диска центрифуги;

k - кількість дискрет, що реєструються з кожного капіляра.

В якості інтерфейсу вибраний RS-232C з пропускною здатністю 14,4 кБайт/с, який задовольняє необхідній  кБайт/с згідно (8) та дозволяє розміщувати периферійний пристрій на відстань до 20 м і забезпечує високу поміхозахищеність, завдяки різниці між рівнем логічної одиниці та нуля.

Крім того, розроблено спеціальний модуль UM232R, що дає можливість здійснювати підключення через USB-порт і підвищити швидкість обміну інформацією з ПК до 187 кБайт/с при збільшенні кількості одночасно досліджуваних зразків крові.

Ланцюги зворотних зв'язків забезпечують автоматичне регулювання швидкості обертання диска центрифуги та варіювання яскравості джерела світла для дослідження зразків крові різних видів тварин (птиці), що мають відмінну оптичну щільність та вимагають зміну швидкості обертання диску

Блок формування напруги забезпечує необхідні рівні сигналу для управління роботою центрифуги.

Дослідження седиментаційних характеристик зразків крові здійснюється на основі реєстрації світлового потоку джерела світла, що пройшов через чисту плазму крові. При цьому висота стовпчика плазми над еритроцитарним осадом відповідає значенню показника ШОЕ у даний момент часу та визначається шляхом реєстрації перепаду яскравості світлового випромінювання між плазмою та еритроцитарним осадом на вході фотоприймача.

Величина поглинання цільною кров'ю та пропускання плазмою крові світлового потоку визначається законом Бугера-Ламберта:

, (9)

де D - оптична щільність досліджуваного зразка крові;

I - інтенсивність світла, що пройшло через зразок крові;

I₀ - інтенсивність падаючого світла;

е - молярний коефіцієнт поглинання (л/(моль•см)),

с - молярна концентрація речовини,

l - довжина оптичного шляху (см).

Для ефективного отримання корисного сигналу на фоні шумів необхідно, щоб спектральні характеристики джерела світла та фотоприймача були узгоджені зі спектральною характеристикою цільної крові та плазми крові (рис.3).

В якості джерела світла використовується фіолетово-синій лазерний діод GH04P21A2G високої потужності 210 мВт, який працює в імпульсному режимі. Максимум випромінювання діода знаходиться на частоті 406 нм, що відповідає значенню мінімального поглинання плазми крові.

Величина світлового потоку джерела світла в загальному вигляді визначається як:

, (10)

де А_и - площа джерела світла;

- апертурний кут;

- сумарний коефіцієнт пропускання системи, що складається з коефіцієнту пропускання речовини , коефіцієнту пропускання оптичних лінз та коефіцієнту пропускання капіляру ;

L - відстань між джерелом світла та фотоприймачем.

В якості фотоприймача, що здійснює реєстрацію інформації про глибину осідання еритроцитів в капілярі використовувалась ПЗЗ-лінійка К1200ЦЛ2, робочий діапазон якої 360-1050 нм.

Величина світлового потоку Ф_ПЗЗ на вході фотоприймача оцінюється як:

, (11)

де ф₀ - коефіцієнт пропускання об'єкта;

А_об - числова апертура об'єктива;

- коефіцієнт зменшення випромінюючої поверхні ();

d - діаметр світлового потоку в площині об'єкта;

D - діаметр джерела світла;

В - променистість джерела світла;

S - площа поверхні джерела світла.

Для визначення співвідношення сигнал/шум на виході фотоприймача необхідно враховувати власні шуми ПЗЗ та шуми фону:

, (12)

де k_n - коефіцієнт, який враховує втрати енергії сигналу у електронному тракті фотоприймача;

К_э - коефіцієнт перетворення сигналу електронним трактом фотоприймача;

- спектральна характеристика вольтової чутливості фотоприймача;

- власний шум фотоприймача;

- значення шумів, що створюються фоном.

Для зменшення величини шумів, що створюються фоном, та виділення корисного сигналу на довжині хвилі 406 нм, яка відповідає максимальному пропусканню чистою плазмою світлового сигналу, встановлено оптичний інтерференційний фільтр діаметром 20 мм з шириною пропускання на рівні 0,5 оптичної щільності ?л=5 нм та коефіцієнтом пропускання ф_ф =0,35-0,4.

Величина корисного сигналу на вході фотоприймача з урахуванням поглинання елементами оптичної системи та плазми крові (=0,65) має значення 0,37 Лк, що відповідає вимогам порогової чутливості лінійки ПЗЗ.

Проведені розрахунки показують, що величина співвідношення сигнал/шум (11) на вході фотоприймача складає 3,28.

Оптико-електронна система автоматизованого контролю глибини осідання еритроцитів крові з фотоприймачем на основі ПЗЗ-лінійки з роздільною здатністю ?65 лін/мм дозволяє виділяти границю розділу плазма/еритроцити з розмитістю 2-3 біта. Визначення положення границі плазма/еритроцити при контрастності між чистою плазмою та осідаючими еритроцитами К=0,31, співвідношенні сигнал/шум м=3,28 та використанні фотоприймача на 2000 біт забезпечує похибку вимірів д=0,2%.

На основі теоретичних досліджень вибору параметрів елементів пристрою для автоматизації дослідження седиментації еритроцитів в полі неоднорідних відцентрових сил запропоновано функціональну схему пристрою для діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин та птиці.

Діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин здійснюється на основі дослідження динаміки осідання еритроцитів, що дозволяє визначати стандартний показник ШОЕ, значення моменту досягнення максимальної швидкості осідання, а також аналіз спектральної щільності ДШОЕ та порівняння отриманих даних з даними відповідних показників у нормі для здорових тварин (птиці), що зберігаються у базі даних.

Пристрій дозволяє автоматизувати дослідження динаміки ШОЕ, обробити експериментальні дані та ухвалити рішення про наявність або відсутність патології в організмі обстежуваних тварин.

У четвертому розділі наведено результати розрахунку значень основних параметрів седиментації еритроцитів крові в полі відцентрових сил: швидкість обертання диску центрифуги та тривалість центрифугування методом повного факторного експерименту.

При цьому функцію відгуку шукали у вигляді у=f(x₁,x₂), де x₁ - швидкість обертання диска центрифуги; x₂ - тривалість центрифугування.

Отримані експериментальні залежності показника ШОЕ від швидкості обертання диска центрифуги та тривалості центрифугування при дослідженні осідання еритроцитів в полі відцентрових сил у вигляді рівнянь регресії для крові білих щурів (12) та курей (13):

, (13)

(14)

В результаті пошуку оптимального значення параметрів знайдені наступні величини швидкості обертання диска центрифуги та тривалості центрифугування для крові білих щурів щ=519 об/хв та t=606 с, та для крові курей щ=461 об/хв та t=702 с.

Проведено експериментальні дослідження зразків крові білих щурів та курей з використанням розробленого пристрою для автоматизованого дослідження ШОЕ шляхом реєстрації динаміки процесу седиментації часток крові та визначення основних параметрів осідання: показника ШОЕ, моменту досягнення максимуму осідання Т_max та амплітуди коливань на основі спектральної щільності кривої ДШОЕ.

Результати експериментальних досліджень показали, що при наявності патології в організмі піддослідної тварини момент досягнення максимуму осідання наставав набагато раніше, ніж у нормі при Т_max=410±35 с, що використовувалось у якості додаткового параметру при діагностуванні наявності патології.

Дослідження крові курей спрямовані на виявлення патологічних змін в організмі птиці породи „Хайсекс-білий” спричинених впливом кормових добавок, таких як селен та вітамін Е, що застосовуються для підвищення яйценосності курей.

Для проведення дослідів птиця була розділена на три групи по 20 голів в кожній: перша група - контрольна (без кормових добавок), друга група отримувала добавку вітаміну Е і селену відповідно до рекомендацій в межах норми, а третя група отримувала добавки, що перевищували допустиму норму.

В результаті порівняння динаміки зміни швидкості руху границі розділу плазма/еритроцити встановлено, що при наявності великої кількості кормових добавок відбувається зміщення моменту досягнення максимуму осідання (рис.9б, 10б) відносно контрольної групи із значенням Т_max=470±30 с (рис. 8б), що свідчить про наявність патології в організмі піддослідної птиці, викликаної перевищенням норм застосування кормових добавок.

При порівнянні результатів експериментальних досліджень встановлено, що дослідні дані для крові курей першої групи (контрольної, яка не одержувала кормових добавок) з імовірністю 99% знаходяться в межах норми (з 20 курей лише у 1 виявлено відхилення від нормального значення ШОЕ). Результати для крові курей другої групи, які отримували добавку вітаміну Е і селену в межах норми показали, що в більшості випадків (91%) значення показника ШОЕ знаходяться в межах норми, і лише в 9% (2 курки) виявлена наявність патології. Експериментальні значення для крові курей третьої групи (добавки перевищували допустиму норму) з імовірністю 87% свідчать про наявність патології в організмі птиці (у 17 курей з 20 обстежуваних підтверджено наявність патологічних змін).

З експериментальних графіків динаміки осідання еритроцитів крові білих щурів та курей(рис.6,8а,10а) зареєстрованих із застосуванням методу центрифугування при заданій довірчій вірогідності б=95%, знайдено значення стандартного показника ШОЕ в нормі для курей ШОЕ=2,54±0,12 мм/год і для щурів ШОЕ=5,5±0,35 мм/год, а також за наявності в організмі тварини патології: для курей ШОЕ=8,6±0,92 мм/год і для щурів ШОЕ=11,3±0,88 мм/год.

В результаті апроксимації кривих ДШОЕ поліномом четвертого ступеню одержані наступні рівняння регресії з достовірністю апроксимації R²=0,9793 для курей:

, (15)

, (16)

та для білих щурів:

, (17)

. (18)

Для підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін у організмі тварин проводився додатковий спектральний аналіз динаміки осідання еритроцитів. На основі аналізу спектральної щільності динаміки ШОЕ встановлено, що амплітуда першої гармоніки складає у нормі для курей (3,8±0,65)·10⁵ та білих щурів (1,1±0,45)·10⁵, та зростає при наявності патології у організмі тварин.

Для підтвердження адекватності даних ДШОЕ, зареєстрованих з використанням поля відцентрових сил, даним, отриманим по стандартній методиці, проводився кореляційний аналіз. При цьому коефіцієнт кореляції склав більше 0,86, що підтверджує наявність істотної кореляційної залежності між залежностями ДШОЕ і перспективність використання методу центрифугування для дослідження крові сільськогосподарських тварин.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної науково-прикладної задачі розробки математичної моделі процесу седиментації еритроцитів крові тварин в полі відцентрових сил, методу та пристрою для діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин, що дозволило підвищити вірогідність діагностування патології в цілому.

При цьому одержано такі наукові та практичні результати:

1. На підставі аналізу методів дослідження осідання еритроцитів крові встановлено, що скорочення часу дослідження ШОЕ та підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин можливо на основі методу центрифугування.

2. На основі теоретичних досліджень седиментації еритроцитів крові тварин (птиці) проведено оцінку впливу відцентрових сил на процес осідання та встановлено, що оптимальні значення швидкості обертання диска центрифуги, для дослідження крові різних тварин варто визначати в діапазоні 455..465 об/хв для курей та 510..530 об/хв для білих щурів.

3. Для скорочення часу дослідження ДШОЕ у 5-6 разів необхідно застосовувати поле неоднорідних відцентрових сил з визначеними параметрами:

- швидкість обертання диска центрифуги для курей щ=462 об/хв та білих щурів щ=519 об/хв.;

- тривалість центрифугування для курей t=702 с та білих щурів t=606 с.

4. З урахуванням запропонованих принципів побудови приладу реєстрації динаміки осідання еритроцитів розроблено варіант її технічної реалізації з наступними параметрами:

- величина співвідношення сигнал/шум на вході фотоприймача склала 3,28;

- величина корисного сигналу на вході фотоприймача з урахуванням поглинання елементами оптичної схеми (=0,65) склала 0,37 Лк, що задовольняє граничній чутливості ПЗЗ-лінійки;

- похибка виділення границі розділу плазма/еритроцити з розмитістю 2-3 біта складає 0,2 %.

5. Для дискретного запису кривої осідання, розроблено схему підключення пристрою до ЕОМ через порт RS232, що забезпечує необхідну пропускну здатність 5,7 кБайт/с і високу поміхозахищеність, запропоновано модуль сполучення через USB-порт, який підвищує швидкість обміну інформацією з 14,4 кБайт/с до 187 кБайт/с в разі зростання кількості зразків, що обробляються.

6. Встановлено, що значення параметру ШОЕ у полі відцентрових сил, при заданій довірчій вірогідності в нормі для курей склали ШОЕ=1,54±0,12 мм/год та для білих щурів ШОЕ=5,5±0,35 мм/год; при наявності патології: для курей ШОЕ=8,6±0,92 мм/год та для щурів ШОЕ=11,3±0,88 мм/год; значення моменту часу досягнення максимуму осідання у нормі для курей: Т_max=470±30 с, та для білих щурів Т_max=410±35 с.

7. Підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін у тварин можливо досягти у результаті додаткового застосування спектрального аналізу динаміки осідання еритроцитів та визначення амплітуди першої гармоніки спектру ДШОЕ, що склала у нормі для курей (3,8±0,15)·10⁵ та білих щурів (1,1±0,2)·10⁵ відповідно.

8. Результати дослідження дії кормових добавок на організм птиці за допомогою застосування пристрою для підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін показали, що дані для крові курей контрольної групи з імовірністю 99% знаходяться в межах норми, результати для другої групи, де кормові добавки не перевищують допустиму норму показали, що з імовірністю 91% значення знаходяться в межах норми, отримані значення для крові курей третьої групи (добавки перевищують норму) з вірогідністю 87% свідчать про наявність патології в організмі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Возиян И.В. Анализ моделей седиментации эритроцитов /И.В. Возиян, О.М. Дацок// Вестник национального технического университета «ХПИ». - Харьков: НТУ «ХПИ», 2005. - № 23. - с. 162-169.

2. Возиян И.В. Оптимизация параметров системы ускоренной седиментации форменных элементов крови /И.В. Возиян, О.М. Дацок, А.Н. Утицких// Системы обработки информации. - Харьков: ХУВС, 2006. - Вып. 5(54). - с. 196-199.

3. Возиян И.В. К вопросу исследования динамики седиментации эритроцитов крови в ветеринарии /И.В. Возиян, А.Ю. Гайдусь, О.М. Дацок, Ю.Е. Мегель// Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Харьков, 2007. - Вып. 6/3(30). - с. 4-6.

4. Возиян И.В. Экспериментальные исследования СОЭ с использованием электрооптической системы /И.В. Возиян, Ю.Е. Мегель// Энергетика, энергосбережение, энергоаудит. - Харьков, 2008. - Вып. 11(57). - с. 9_13.

5. Возиян И.В. Применение электрооптической системы для исследования крови животных /И.В. Возиян, Ю.Е. Мегель// Вестник ХНТУСХ «Проблемы энергообеспечения и энергосохранения в АПК Украины». - Харьков, 2008. - Вып. 73. - с. 114-117.

6. Возиян И.В. Моделирование процесса оседания ФЭК под действием центробежных сил /И.В. Возиян, Ю.Е. Мегель// Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Харьков, 2009. - № 1/6(36). - с. 68-71.

7. Пат. 37210 Україна, МПК G 01 N 33/49. Спосіб діагностування патології у тварин та птиці / Возіян І.В., Мегель Ю.Є., Рибалка А.І.; замовник та власник Харк. нац. техн. ун-т сільськ. госп. ім. П. Василенка. - № 200805778; опубл. 25.11.2008. Бюл. № 22.

8. Возиян И.В. Оптимизация параметров седиментации эритроцитов крови / И.В. Возиян, О.М. Дацок, А.Н. Утицких// Тезисы 9-го международного молодежного форума „Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”: Сборник материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2005. - с.239.

9. Возиян И.В., Мегель Ю.Е. Оптическая автоматизированная система для исследования стандартного теста СОЭ. / Материалы XXVI Международной научно-практической конференции «Использование лазеров в медицине и биологии». - Ялта. - 2006. - с. 154-155.

10. Возиян И.В. Математическое моделирование седиментации эритроцитов крови /И.В. Возиян, Ю.Е. Мегель// Материалы 27 Международной научно-практической конференции „Применение лазеров в медицине и биологии”. - Харьков, 2007. - с. 140-141.

11. Возиян И.В. Экспериментальные исследования динамики седиментации эритроцитов крови в ветеринарии /И.В. Возиян, Ю.Е. Мегель// Тезисы докладов Государственной научно-практической конференции „Влияние физических факторов на биологические объекты”. - Белая Церковь, 2007. - с. 41-42.

12. Возиян И.В. Автоматизированная система экспресс-анализа седиментации форменных элементов крови /И.В. Возиян, О.М. Дацок, Ю.Е. Мегель// Материалы 29 Международной научно-практической конференции „Применение лазеров в медицине и биологии”. - Харьков, 2008. - с.32-33.

13. Возиян И.В. Применение автоматизированной системы для контроля качества сельскохозяйственной продукции /И.В. Возиян, Ю.Е. Мегель// 3-й Международный радиоэлектронный форум „Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”. МРФ-2008. Сборник научных трудов. Том VI. Конференция «Актуальные проблемы биомединженерии». - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. - 2008. - с. 113-115.

14. Возиян И.В. Электрооптическая система контроля качества сельскохозяйственной продукции /И.В. Возиян, Ю.Е. Мегель// Международная научно-практическая конференция «Электроэнергетика в сельском хозяйстве». - Республика Алтай: НГТУ. - 2009 - с. 72-76.

15. Возіян І.В. Розробка автоматизованої системи для реєстрації динаміки зсідання червоної крові та її біофізичні механізми у нормі і при патологічних станах у тварин /І.В. Возіян, О.Т. Куцан, Ю.Є. Мегель// Ветеринарна медицина. - Харків, 2008. - № 91. - с. 108 - 115.

16. Возіян І.В. Метод дослідження впливу кормових добавок на організм птиці /І.В. Возіян, Ю.Є. Мегель// Ветеринарна біотехнологія. - Київ, 2008. - № 13 (том 2). - с. 50-56.

АНОТАЦІЇ

Данілко І.В. Метод та пристрій для підвищення вірогідності діагностування наявності патологічних змін в організмі тварин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи. - Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, Харків, 2009.

Дисертація присвячена розв'язанню задачі одержання нових науково обґрунтованих теоретичних та експериментальних результатів, що є істотним для розвитку методів діагностування патологічних змін в організмі тварин та птиці на основі дослідження седиментації еритроцитів крові. Одним з перспективних напрямків розв'язання задачі прискорення дослідження крові та визначення параметрів седиментації є використання поля неоднорідних відцентрових сил.

Запропоновано використання методу центрифугування для дослідження крові тварин (птиці) та розроблено пристрій для автоматизованого дослідження ШОЕ. Визначено оптимальні значення швидкості обертання диска центрифуги та тривалості центрифугування для дослідження зразків крові різних видів тварин.

Запропоновано спосіб та отримано патент України для діагностики наявності патологічних змін в організмі тварин та птиці за допомогою розробленого методу та пристрою, що здійснює реєстрацію і обчислення основних параметрів седиментації еритроцитів крові тварин і птиці і приймає рішення про наявність або відсутність патології.

Випробувано роботу пристрою діагностування наявності патології шляхом дослідження впливу кормових добавок на організм птиці, дослідження динаміки осідання еритроцитів по методу центрифугування та визначені величини показника ШОЕ в нормі та при наявності патології для курей та щурів.

Ключові слова: швидкість осідання еритроцитів (ШОЕ), процес седиментації, метод центрифугування, діагностування патології.

Danilko I.V. The method and device for increasing reliability of pathological changes diagnosing in animal organisms. - Manuscript.

The dissertation is for receiving a scientific degree in technical sciences candidate on a specialty 05.11.17 - biological and medical devices and systems. - Kharkiv National Technical University of Agriculture named after Peter Vasilenko, Kharkiv, 2009.

The goal of this dissertation is to receive new scientifically grounded theoretical and experimental data, which is vital for further development in the field of erythrocytes sedimentation in birds and animals blood researches. One of perspective ways to accelerate progress in researches of blood and erythrocytes sedimentation is using of heterogeneous centrifugal forces.

It is suggested to utilize the method of centrifugal research for experiments with animals and birds blood and automated device for express-analysis of ERS was developed. Developed control system can change disk rotation speed during researches of animals and birds blood and LED brightness. This makes identification of line which separate plasma and erythrocytes more precise. There were found such main parameters of sedimentation as centrifugal disk rotation speed and amount of time needed for researching.

The proposed method for detection of pathological changes in animals and birds organisms by use of the developed method and the device, which register and calculate main parameters of erythrocytes sedimentation in blood of animals and birds and determ if pathology is present or absent was patented in Ukraine.

The device was tested by studying the influence of forage additions on birds organism, speed of erythrocytes sedimentation during centrifuging and threshold ESR parameters where researched for blood of chickens and rats with absence and presence of pathology.

Keywords: Erythrocyte Sedimentation Rate (ESR), process of sedimentation, method of centrifugal, diagnosing of pathology.

Данилко И.В. Метод и устройство для повышения достоверности диагностирования патологических изменений в организме животных. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - биологические и медицинские приборы и системы. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. Петра Василенко, Харьков, 2009.

Диссертация посвящена решению задачи получения новых научно обоснованных теоретических и экспериментальных результатов, которые являются существенными для развития методов диагностирования патологий в организме животных и птицы на основе исследования седиментации эритроцитов крови. Одним из перспективных направлений решения задачи ускорения исследования крови и определения параметров седиментации есть использование поля неоднородных центробежных сил.

Проведен теоретический анализ, в результате которого установлено, что СОЭ является одним из самых распространенных в лабораторной практике методов для ориентировочной постановки диагноза, включая и ветеринарную медицину. Исследование динамики СОЭ может дать ветеринарным врачам ценные сведения об изменениях, происходящих в организме животного при тестировании лекарственных препаратов, а также спрогнозировать ход дальнейшего развития заболевания. Анализ методик определения СОЭ показал перспективность использования метода центрифугирования, что позволит ускорить процесс седиментации, следовательно, сократить время исследования.

Разработана трехфазная математическая модель седиментации эритроцитов крови, которая рассматривает кровь как суспензию, состоящую из трех фаз (плазма, эритроциты, агрегаты), и которая позволяет учесть еще и механизм запирания плазмы в состав агрегатов, что повышает точность оценки параметра СОЭ. Проведено численное моделирование процесса оседания эритроцитов под действием центробежных сил. Получены расчетные значения момента времени достижения максимума оседания и определен характер распределения концентрации эритроцитов и их объема во времени, а также характер движения границы раздела плазма/эритроциты во времени.

Разработан метод и устройство для диагностирования патологических изменений в организме животных, что позволило решить задачу автоматизации измерения СОЭ, сокращения времени проведения теста, исследования динамики процесса седиментации, а также принятия решения о состоянии организма животного. Определены оптимальные значения скорости вращения диска центрифуги и длительности центрифугирования для исследовании образцов крови различных видов животных (птицы).

Проведены экспериментальные исследования динамики оседания эритроцитов крови курей и белых крыс по методу Панченкова и методу центрифугирования и определены абсолютные погрешности измерений показателя СОЭ.

Экспериментально доказана эффективность работы разработанного устройства на основе исследования наличия патологии в организме подопытных курей под воздействием на их организм кормовых добавок, способствующих повышению яйценоскости.

Ключевые слова: скорость оседания эритроцитов (ШОЕ), процесс седиментации, метод центрифугирования, диагностирование патологии.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на Allbest.ru

...