Оптичні методи та біомедичний прилад "око-процесорного" типу для дослідження гемодинамічних показників

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 615.471.03:616.072.7

ОПТИЧНІ МЕТОДИ ТА БІОМЕДИЧНІ ЗАСОБИ “ОКО-ПРОЦЕСОРНОГО” ТИПУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕМОДИНАМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ

Спеціальність: 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Думенко Вікторія Петрівна

Вінниця - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Заслужений діяч науки і техніки України

Кожем'яко Володимир Прокопович,

Вінницький національний технічний

університет, завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Злепко Сергій Макарович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри проектування медико-біологічної апаратури

доктор технічних наук, доцент

Шарпан Олег Борисович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, професор кафедри теоретичних основ радіотехніки

Захист відбудеться “ 19 ” червня 2010 р. о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210 ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “ 14 ” травня 2010 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради В.С.Осадчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні в медичну діагностику впроваджується все більша кількість методів, основаних на застосуванні лазерних та оптико-електронних приладів. До них відноситься і фотоплетизмографічний метод (ФПМ), що дозволяє вимірювати кровонаповнення та кровострум як в потужних венах і артеріях, так і в периферійних судинах і капілярах.

ФПМ у порівнянні з іншими методами діагностики біологічного об'єкту (БО) за оптичними показниками, наприклад з фотоакустичним методом, дозволяє підвищити достовірність реєстрації гемодинамічних показників кровонаповнення, а також те, що введенням в прилади, які реалізують даний метод, елементів світловолоконної техніки і джерел з різноманітними довжинами хвиль зондуючого випромінювання можна достатньо точно вирішувати задачі фотодинамічних досліджень, дистанційних вимірів тих або інших гемодинамічних показників БО.

Сьогодні |нині|значна кількість провідних науково-дослідних і промислових організацій (фірм) займаються|позичене,посісти| розробленням та виробництвом медичної техніки в даному напрямку. Найбільш відомі з|із| них: Philips, MEDIC (Medizinische Messtechnik GmbH), Nonin, Cas Medical System, Radiometer, Micromed, Criticare, Ютас (Україна) та інші.

Серед відомих наукових шкіл, які працюють у напрямі оптичних методів контролю і вимірювання|виміру| показників неоднорідних біологічних середовищ|середи|, в першу чергу|передусім,насамперед| слід виділити вітчизняні і зарубіжні школи: П. Бугера, Г.В. Розенберга, С. Чандарасекара, Ж.Ж. Стокса, В.В. Соболєва, В.А. Амбарцумяна, В.В.Тучина, А.Х.Тейлора, М.М.Гуревіча, М.Ю.Сах-новського, А.Д.Азарова, В.П.Кожем'яка, С.В.Павлова, В.Г.Петрука, З.Ю.Готри, С.М.Злепка, С.М.Маєвського та інш.

Головна перевага таких приладів - можливість проводити вимірювання практично у будь-якій точці поверхні тіла, що дозволяє використовувати різні їх модифікації для вирішення цілого ряду спеціальних задач, пов'язаних з дослідженням показників локального кровотоку (визначення гемодинамічних показників кровотоку, діагностики порушень мікроциркуляції в хребетно-рухомих сегментах, визначення порушень рівня мікроциркуляції в щелепно-лицьовій області і т.і.). Крім того, у залежності від особливостей методу вимірювання, що реалізується, можуть бути оцінені такі біомедичні показники як загальна концентрація гемоглобіну, відносне кровонаповнення тканини, яка досліджується, загальна сатурація крові (ступінь насичення крові киснем), загальна концентрація білірубіна.

Таким чином, очевидно, що найбільш перспективним напрямком реєстрації фізіологічних параметрів є використання неінвазивних методів діагностування, серед яких широкого розвитку отримали оптичні методи реєстрації і перетворення біомедичної інформації.

У цьому аспекті перспективними є роботи, що проводяться на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки і загальної фізики та фотоніки ВНТУ по створенню біомедичних оптико-електронних засобів "око-процесорного" типу, як ефективного універсального засобу експрес-діагностики показників периферійного кровообігу.

Тому тема дисертаційної роботи є актуальною та своєчасною і націлена на вирішення проблеми визначення гемодинамічних показників за показниками периферійного кровообігу сучасними оптико-електронними технологіями „око-процесорного” типу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Науковою базою дисертації стали результати, отримані в процесі виконання науково-дослідних робіт, що здійснювалися за планами наукових досліджень Вінницького національного технічного університету та Міністерства освіти і науки України за фаховими напрямками «Новітні біотехнології: діагностика і методи лікування найпоширеніших захворювань».

Основні результати дисертаційної роботи отримані у ході виконання держбюджетної теми, які виконувалися на кафедрах лазерної та оптоелектронної техніки, загальної фізики та фотоніки та проектування медико-біологічної апаратури ВНТУ в межах держбюджетних тем: “Образний відео-комп'ютер око-процесорного типу” (№ держ. реєстрації: 0102U002261); “Створення оптико-електронних перетворювачів для формування статистичних та динамічних еталонів-образів паталогій мікроциркуляції в щелепно-лицьовій області” (№ держ. реєстрації: 0100U002933); “Лазерні та оптико-електронні технології в діагностиці, терапії та прогнозуванні стану серцево-судинної системи” ((№ держ. реєстрації: 0102U002272); „Оптико-електронний квантово-розмірний образний комп'ютер око-процесорного типу: концепції, методологія, база знань (№ держ. реєстрації 0105U002434); „Створення автоматизованих діагностичних систем для оцінювання функціонального стану людини” (№ держ. реєстрації 0105U002421).

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення достовірності при оцінюванні гемодинамічних показників периферійного кровотоку шляхом вдосконалення методів взаємодії оптичного випромінювання з неоднорідними середовищами та розроблення оптико-електронних засобів “око-процесорного” типу для оброблення біомедичної інформації.

У даній дисертаційній роботі було поставлено такі задачі:

1. Проаналізувати сучасний стан розвитку оптичних методів та оптико-електронних засобів для діагностування властивостей неоднорідних біологічних середовищ.

2. Удосконалити методи та фізичні моделі аналізу взаємодії оптичного випромінювання з біотканиною при оцінювання гемодинамічних показників.

3. Удосконалити архітектуру оптико-електронного приладу “око-процесорного” типу для дослідження гемодинамічних показників.

4. Розробити алгоритми попереднього оброблення фотоплетизмографічної інформації та шляхом застосування методів KVP-перетворення сформувати еталон-маски, якi дозволяють підвищити рiвень автоматизації оброблення біомедичної інформації.

5. Здійснити апаратно-програмну реалізацію оптико-електронної приладу “око-процесорного” типу для аналізу біомедичних сигналів на основі отриманих фотоплетизмограм.

Об'єкт дослідження - процес дослідження оптичних характеристик біооб'єктів шляхом анаізу мікроциркуляторного кровообігу за допомогою оптико-електронних приладів «око-процесорного» типу.

Предмет дослідження - оптичні характеристики біооб'єкту, оптико-електронні прилади «око-процесорного» типу.

Методи дослідження базуються на основних положеннях|становищах| системного аналізу і теорії біомедичних засобів|коштів|, математичного моделювання для , аналізу і синтезу для схемотехнічної реалізації, математичної статистики і комп'ютерної обробки біомедичної інформації, теорії алгоритмів і оптико-електронних ланцюгів для аналізу схем.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримала подальший розвиток методологія створення оптико-електронних засобів “око-процесорного” типу для аналізу гемодинамічних мікроциркуляторних показників для підвищення достовірності при проведенні біомедичних досліджень.

У роботі отримано такі наукові результати:

1. Вперше сформовано еталон-маски шляхом застосування методу KVС-перетворення, який базується на використанні принципу квантування часу світловим променем, що дозволило підвищити достовірність обробляємої фотоплетизмографічної інформації.

2. Удосконалено фізичну модель розповсюдження оптичного випромінювання в біологічних об'єктах, яка на відміну від існуючих враховує зміну оптичної товщини середовища з врахуванням зміни інтенсивності при поглинанні і відбитті у шарах шкіри, що дозволяє оцінювати зміну інтенсивності випромінювання при відбиванні від судин залежно від їх кровонаповненості.

3. Вперше запропоновано архітектуру оптико-електронного приладу „око-процесорного” типу для аналізу гемодинамічних показників периферійного кровообігу, в якій введено блок кореляційного аналізу визначення ступеню патологічних процесів.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в тому, що запропоновано технічні рішення|колії,дороги| |розв'язання,вирішення,розв'язування|реалізації оптико-електронного приладу „око-процесорного” типу для дослідження периферичної мікроциркуляції шляхом оброблення фотоплетизмографічної інформації для підвищення достовірності та функціональних можливостей.

У дисертаційній роботі запропоновано:

· технічні рішення реалізації оптико-електронної приладу „око-процесорного” типу оброблення біомедичної інформації для аналізу гемодинамічних мікроциркуляторних показників крові.

· рекомендації щодо підвищення техніко-експлуатаційних характеристик оптико-електронного приладу «око-процесорного» типу шляхом удосконалення вимірювального каналу при застосуванні оптичних сенсорів.

Результати дисертаційної роботи впроваджено у Вінницькому медичному центрі реабілітації та спортивної медицини. Окремі теоретичні результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки ВНТУ у рамках спеціалізації "Лазерна та оптоелектронна техніка в біомедичних системах і апаратах" при викладанні таких дисциплін, як: «Оптоелектронні медичні системи», «Оптоелектронні інтелектуальні системи та пристрої» та «Біомедичні системи око-процесорного типу». Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. Основні ідеї і розробки, які виносяться на захист, належать авторові. У наукових працях, написаних у співавторстві, дисертантові належать: методика, математична модель [1,6,10,13,15]; принцип побудови, одержання експериментальних даних та їх інтерпретація [2,3,7]; принциповий підхід, фізична модель, дослідження, висновки [4,5,8,12,16,17]; принцип побудови та частково результати досліджень [9,11,14,18]. Новизна викладених в роботі результатів також підтверджується патентом України.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, викладено у дисертаційній роботі, доповідались та обговорювались на таких конференціях: II Міжнародній конференції молодих вчених „Наукові проблеми оптики та сучасного матеріалознавства”, II, III, IX Міжнародних науково-технічних конференціях з оптоелектронних інформаційних технологій „Photonics-ODS' 2002, 2005, 2008” (Вінниця, 2002, 2005, 2008); ХХV, ХХXІI Міжнародних науково-практичних конференціях “Применение лазеров в медицине и биологии” (Луцьк, 2006, Гурзуф 2009); ІV Міжнарод-ній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (Вінниця, 2009); Міжнародній науковій молодіжній школі зі штучного інтелекту (Донецьк, 2009).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 18 робіт, з них 6 статей в наукових фахових виданнях, 11 тез доповідей конференцій, 1 патент на винахід України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, чотири розділи, загальний висновок, список використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 180 сторінки, з яких основний зміст викладено на 148 сторінках друкованого тексту, дисертація містить 39 рисунків, 4 таблиці, 5 додатків. Список використаних джерел складається з 130 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання досліджень, вказані об'єкт та методи досліджень. Показано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, відображено особистий внесок автора в роботах, які виконані у співавторстві, наведені відомості про публікації, впровадження, апробації та структуру дисертації.

У першому розділі проведено аналіз основних принципів взаємодії оптичного випромінювання з біологічними тканинами на основі основних ефектів, що відбуваються при взаємодії випромінювання з біологічними середовищами, а саме поглинання, відбивання, заломлення оптичного випромінювання.

Проаналізовано оптичні методи дослідження структур біологічних об'єктів, а саме області їх застосування, переваги і недоліки; особлива увага приділена методу оптичної оксигемометрії, яка застосується для вирішення поставлених завдань.

Проведено аналіз оптико-електронних засобів для діагностики гемодинамічних показників відповідно до критеріального оцінювання ефективності, а також сформульовано вимоги до створення оптико-електронних систем та приладів для оцінювання кровонаповнення та вимірювань оптичних характеристик біотканин.

Отримані результати дозволили визначити подальший напрямок досліджень.

У другому розділі описано принципи взаємодії оптичного випромінювання з речовиною, в яких на основі методу Монте-Карло були досліджені параметри дифузного відбивання від біотканини, а також ряд інших оптичних параметрів. Розроблено фізичну модель, що дає можливість оцінити зміну інтенсивності випромінювання при відбиванні від судин залежно від їх кровонаповненості, що враховується зміною оптичної товщини середовища з врахуванням зміни інтенсивності при поглинанні і відбиванні у шарах шкіри.

Реальна біотканина являє собою неоднорідне середовище в якому присутнє як поглинання так і розсіювання оптичного випромінювання, тому дослідити і описати процеси, які в ній відбуваються практично неможливо.

Шкіра людини є живим багатошаровим середовищем, що містить різні включення, такі як, наприклад, кровоносні судини, в яких відбувається рух крові.

Все це ускладнює розуміння процесів, що відбуваються при дії випромінюванням на шкіру. Для опису цих процесів на даний момент існує безліч різних математичних і фізичних моделей, кожна з яких покликана вирішити яку-небудь конкретну задачу, описати окремий випадок. Спрощена модель шкіри, являє собою тришарову систему причому кожен шар має різні біофізичні властивості, а тому і різні оптичні параметри. Оскільки кров є щільно, випадково-неоднорідним середовищем (H40%), то до неї застосовується дифузійне наближення теорії переносу випромінювання. В рамках цього наближення задача про розсіювання випромінювання від точкового джерела у необмеженому середовищі має розв'язання для дифузної інтенсивності

, (1)

де Ud - середня дифузійна інтенсивність, - транспортний перетин, - концентрація розсіювачів, Р0 - потужність джерела, r - лінійна координата точки. Зміна дифузійної інтенсивності аналізується в двох спектральних діапазонах з центрами при =0,65 мкм і = 0,95 мкм. У випадку падіння пучка Гауса на шар товщини d, що містить дискретні розсіювач послаблення падаючої інтенсивності оцінюється

, (2)

де - дельта функція за тілесним кутом, с - концентрація розсіювачів, Wo- розмір пучка, - повний перетин, Fo - інтенсивність пучка.

Падаюче на шкіру випромінювання, частково відбивається від її поверхні, проходить через епідерміс, де поглинається меланіном шкіри і частково розсіюється, а частина проходить через дерму і відбивається від судини

. (3)

Позначимо I1=f(I0,R,) як функцію інтенсивності випромінювання, яке взаємодіє з біотканиною. I0=f(л), а також кута його падіння и за умови, коли здійснюється закон Ламберта Iи= I0 cos(и).

При відбиванні від поверхні шкіри випромінювання змінює інтенсивність в деякому тілесному куті

, (4)

де елементарний тілесний кут, r1 - коефіцієнт відбиття шкіри.

При відбитті від судини інтенсивність зменшиться

. (5)

Для обрахунку зміни інтенсивності запишемо отримане рівняння

(6)

Отже, рівняння (6) дає можливість оцінити зміну інтенсивності випромінювання при відбиванні від судин залежно від їх кровонаповненості, що враховується зміною оптичної товщини середовища з врахуванням зміни інтенсивності при поглинанні і відбиванні у шарах шкіри.

Математичний опис характеристик поглинання і розсіяння світла може бути проведений двома способами - за допомогою аналітичної теорії і за допомогою теорії переносу. Перша ґрунтується на застосуванні рівнянь Максвелла і є найбільш фундаментальним підходом.

Розроблено модель, що дозволяє застосовувати метод КVР-перетворення для оброблення біомедичної інформації. Цей метод базується на використанні принципу квантування часу світловим променем, що несе в собі інформацію. Метод KVP-перетворень передбачає формування деякої універсальної функції, яка є досить простою для моделювання різноманітних дій над сигналами та змістовно характеризує інформацію, яка надходить,незалежно від типів сигналів (електричні, звукові, світлові та інші) універсальна функція спроможність характеризувати їх для обробки в подальшому.

Модель оптимізації KVP-перетворення за параметром стиснення інформації має вигляд

max ; де

(7)

де тк - час спрацювання кожного к-го квантрону, що входить у ланцюг; F(t) - функція розподілення випадкової величини тк; f(t) - щільність розподілення випадкової величини тк; Тп - час спрацювання п квантронів; (t) - функція розподілення випадкової величини Тп; fn (t) - щільність розподілення випадкової величини Тп; q(t) - число всіх квантронів, які спрацьовують за час t, дискретна величина; g{t,ф,n) - ймовірність того, що q(t) = n, тобто g{t,ф,n)= P{q(t)= п.

Даний метод KVР-перетворення можна застосувати до оброблення біомедичної інформації, а саме до перетворення основних точок фотоплетизмограми, яка подана у вигляді (рис.2) у тривалість часових сигналів, як показано на рис. 3. За допомогою розробленого оптико-електронного приладу «око-процесорного» типу визначаються амплітудні, часові та амплітудно-часові характеристики пульсової хвилі для аналізу периферійного кровона-повнення.

Нехай кожна з вибраних точок має певне значення , якому відповідає певна тривалість імпульсу. Для оброблення фотоплетизмог-рами спочатку формують еталон (контрольну фото-плетизмограму) для певних рівнів патологій.

Сигнал, який поступає має певні характеристики . Для оцінки даного сигналу, який надходить у вигляді фотоплетизмограми знаходять

. (8)

На наступному етапі за значеннями характеристичних точок КVР-перетворення виконується

. (9)

Таким чином, при оптимізації KVP-перетворення за параметром стиснення інформації за математичний апарат методу KVP-перетворень доцільно вибрати математику логіко-часових функцій.

Логіко-часові функції здатні відтворити залежність часу від різноманітних характеристик сигналів Т = f(x,y,A,w,...). При цьому є можливість аналізувати функції в процесі оброблення. Цей факт значно підвищує швидкодію оброблення даних дозволяє уникнути додаткової похибки в отриманих результатах.

У третьому розділі проаналізовано ефективність розроблюваних пристроїв і визначено, що перевагою узагальненого статистичного критерію оцінки ефективності є повнота, наочність, порівняльна простота і спільність, що дозволяє одним числом характеризувати роботу інформаційно-вимірювальних систем. Розроблені рекомендації щодо побудови оптико-електронного приладу „око-процесорного” типу на мікро та наноелементній базі, а саме фотоприймачів, лазерів, модуляторів світла, поляризаційних світлообґєднувачів/світлоподілювачів, поляризаторів, підкладинок, фільтрів, фотодетекторів, лінз і різних антивідбивальних або повністю відбивальних

покриттів. Біомедичний око-процесор повинен бути якомога чутливим. Саме поняття мікрочіп-лазера вже має на увазі його застосування в областях, де використовуються мініатюрні пристрої і пред'являються високі вимоги до якості інформаційного сигналу.

Представлено рекомендації щодо побудови оптоелектронних перетворювачів біомедичної інформації, які повинні вирішувати задачі розробки ефективних засобів „око-процесорного” типу, що дозволяють вводити, виводити, перетворювати й оперативно обробляти, і відображати інформацію. Дані пристрої повинні вирішувати задачі паралельної обробки оптичних сигналів в реальному масштабі часу, що вимагає розробки ефективних методів обробки і перетворення інформації. Для оптичних сенсорів перетворення біомедичної інформації пред'являються такі вимоги:

· спектральний розподіл фоточутливості, що відповідає спектральній характеристиці джерела випромінювання;

· висока фоточутливість, що визначає мінімальний рівень вхідного сигналу при заданому рівні вихідного;

· низький рівень шумів у заданій смузі частот і заданому коефіцієнті підсилення, що визначає низький поріг чутливості і високу здатність виявлення;

· задані електричні параметри: опір, ємність, напруга і струм, що визначають узгодження фотоприймача з навантаженням;

· широка смуга пропускання і великий динамічний діапазон як по оптичному вході, так і по електричному виході, що обумовлює велику швидкодію і можливість аналогового перетворення.

Запропоновано рекомендації щодо розробки алгоритмів обробки біомедичних сигналів, а саме розподіл частот артеріальних пульсацій і рухового артефакту може бути використаний в процедурі оцінювання тарувальної кривої шляхом переходу до Фур'є-перетворення тимчасових рядів по червоному й інфрачервоному каналах. Для оцінювання Р (відношен-ня амплітуд пульсацій червоного й інфрачервоного сигналів) записуємо

, (10)

де a1(ч) - амплітуда першої гармоніки Фур'є червоного сигналу; a1(іч) - аналогічна величина для інфрачервоного сигналу.

Смуга частот, що несе корисну інформацію про артеріальні пульсації крові пацієнта складає від 0,5 до 5-7 Гц. Тому в загальному випадку можна обчислювати опосередковану оцінку співвідношення амплітуд пульсацій червоного й інфрачервоного сигналів. Таким чином:

(11)

де - оцінка співвідношення на і - й гармоніці (і = 1, 2, 3); Wi - відповідні вагові коефіцієнти, що враховують вплив артефакту й електричних перешкод на точність вимірів.

Для реалізації описаних алгоритмів необхідно попередньо оцінити величину періоду артеріальних пульсацій.

Для оцінювання частоти пульсу спектральним методом спочатку обирається спробний період Т0 і обчислюються коефіцієнти Фур'є на інтервалі часу 2Т0:

. (12)

Відповідно до апріорної інформації, шуканий період Тп артеріальних пульсацій лежить у діапазоні від 0.25 до 2 с, тому величина пробного періоду повинна обиратися з цього ж діапазону.

У четвертому розділі запропоновано рекомендації щодо побудови оптико-електронних приладів „око-процесорного” типу для аналізу гемодинамчних показників.

Оптико-електронний прилад „око-процесорного” типу для аналізу фотоплетизмографічної інформації (рис. 7) містить джерело випромінювання (1), фотодетек-тор (2), поляризаційний фільтр (3), підсилювач (4), аналогово-цифровий перетворювач (5), мікроконтролерний корелятор (6), блок індикації (7), блок запам'ято-вування програм (8), блок еталонів (9), комп'ютер (10), автоматичний регулятор коефі-цієнттами підсилення (11). Зовнішній вигляд оптико-електронного приладу для аналізу гемодинамічних показників зображений на рис. 8.

У роботі розроблено програмно-апаратного забез-печення для аналізу фотоплетиз-мографічної інформації.

Програмний пакет дозво-ляє реєструвати, обробляти та зберігати фотоплетизмографічну інформацію за допомогою апаратних засобів. Розроблений прилад дозволяє реєструвати фотоплетизмограму (ФПГ) одночасно по від 1-го до 4-х каналів, виконувати апаратну та програмну фільтрацію перешкод, автоматично виділяти характерні точки пульсової хвилі, вимірювати амплітудно-часові характеристики ФПГ, виконувати роботу з базою даних пацієнтів шляхом збереження зареєстрованих даних в зовнішні файли.

Абсолютна достовірність, що представляє ймовірність правильного рішення при визначенні величини цього параметра

, (13)

де Рпомилк - ймовірність помилкового рішення внаслідок похибок вимірювання, що визначається сумою помилок першого () і другого () роду

,

де , .

У таблиці 1 наведено порівняльну характеристику біомедичних систем та приладів для діагностики периферійного кровообігу.

Таблиця 1

Порівняльна характеристика біомедичних систем та приладів для діагностики периферійного кровообігу

Метод діагностики			D
Реоплетизмографічний	0.28 0.33	0.02 0.03	0.65 0.7
Ультразвуковий	0.235 0.28	0.015 0.02	0.7 0.75
Оптико-електронний	0.15 0.2	0.005 0.008	0.792 0.845

За рахунок використання оптико-електронних сенсорів збільшується достовірність локального дослідження периферійного кровотоку на 510 % по відношенню к традиційним методам дослідження.

Зроблено рекомендації щодо застосування оптико-електронного приладу „око-процесорного” для аналізі кровопостачання чутливих точок у хворих на фіброміалгію. Виразність больового синдрому, втоми, порушень сну оцінювали за візуальною аналоговою шкалою (ВАШ), функціональний стан хворих - за Стенфордським опитувальником здоров'я (HAQ). За методикою визначалися рівні кровонаповнення в специфічних чутливих точках проводилось та вимірювався больовий поріг.

Внаслідок проведених досліджень виявлено високу кореляцію між показниками, що були отримані за допомогою оптико-електронного комплексу для визначення периферичного кровонаповнення та величиною больового порогу в точках, специфічних для синдрому фіброміалгії.

Функціональний стан хворих на ФМ за HAQ оцінено в 1,20,8 бали, рівень втоми за ВАШ - 8,01,6 бали, порушень сну - 6,21,2 бали. При дослідженні мікроциркуляції було показано відсутність мікроциркуляторних змін у від'ємних та контрольних точках (рис. 9).

При аналізі контрольних позитивних точок виявлено, що їх рівень кровонаповнення був вдвічі меншим (51 %), ніж таких в контрольних та негативних точках (рис. 9).

В той же час, рівні діастолічного відтоку співвідносились протилежним чином, різниця між показником в контрольній і досліджувальній точці склала 172 %.

Результати дисертаційної роботи впроваджено у Вінницькому медичному центрі реабілітації та спортивної медицини. Окремі теоретичні результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки ВНТУ у рамках спеціалізації "Лазерна та оптоелектронна техніка в біомедичних системах і апаратах" при викладанні таких дисциплін, як: «Оптоелектронні медичні системи», «Оптоелектронні інтелектуальні системи та пристрої» та «Біомедичні системи око-процесорного типу». Впровадження підтверджуються відповідними актами.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Основні результати дисертаційної роботи полягають у створені засад щодо побудови оптико-електронних засобів „око-процесорного” типу для для діагностування периферійного кровообігу шляхом застосування теорії розповсюдження оптичного випромінювання у біологічних неоднорідних об'єктах та розроблення уніфікованих методик достовірного визначення основних гемодинамічних показників периферійного кровообігу.

У результаті виконання дисертаційної роботи отримані такі наукові та практичні результати

1. Вперше сформовано еталон-маски шляхом застосування методу KVС-перетворення, який базується на використанні принципу квантування часу світловим променем, що дозволило підвищити достовірність обробляємої фотоплетизмографічної інформації.

2. Удосконалено фізичну модель розповсюдження оптичного випромінювання в біологічних об'єктах, яка на відміну від існуючих враховує зміну оптичної товщини середовища з врахуванням зміни інтенсивності при поглинанні і відбитті у шарах шкіри, що дозволяє оцінювати зміну інтенсивності випромінювання при відбиванні від судин залежно від їх кровонаповненості.

3. Вперше запропоновано архітектуру оптико-електронного приладу „око-процесорного” типу для аналізу гемодинамічних показників периферійного кровообігу, в якій введено блок кореляційного аналізу визначення ступеню патологічних процесів.

4. Розроблено алгоритми попередньої обробки фотоплетизмограм та методи побудови еталонiв, якi дозволяють значно збiльшити рiвень автоматизації обробки фотоплетизмограм.

5. Запропоновано рекомендації щодо технічного рішення реалізації оптико-електронного приладу „око-процесорного” типу оброблення біомедичної інформації для аналізу гемодинамічних мікроциркуляторних показників крові.

6. Дістала подальшого розвитку структурна організація оптико-електроннго приладу „око-процесорного” типу для діагностики периферійного кровонаповнення, що, на відміну від аналогів, дозволяють підвищити достовірність діагностики периферійного кровообігу шляхом оброблення фотоплетизмографічної інформації.

7. Зроблено рекомендації щодо застосування оптико-електронного приладу „око-процесорного” для аналізі кровопостачання чутливих точок у хворих на фіброміалгію.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Думенко В.П Спектрофотометричні методи для аналізу показників крові / С.В.Павлов, Н.В.Мазур, В.П.Думенко //Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2006. - №1(11). - С. 156-159.

2. Інформаційні технології перетворення фотоплетизмографічних сигналів / [О.Д.Азаров О.Д, С.В.Павлов, В.П.Думенко та ін.]// Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2007. - №1 (13).- С. 128-133.

3. Думенко В.П Інформаційні технології для оброблення фотоплетизмографічної інформації / С.В.Павлов, В.І.Солоненко, В.П.Думенко // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2007. - №2 (14). - С.193-197.

4. Аналіз методів взаємодії оптичного випромінювання з біотканинами і шляхи їх удосконалення / [С.В.Павлов, В.П.Думенко, Т.І.Козловська та ін.] // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.- 2008. - №2. - С. 129-135.

5. Думенко В.П Аналіз методів розповсюдження випромінювання в біологічних середовищах на основі застосування методу Монте-Карло / С.В.Павлов, Т.І.Козловська, В.П.Думенко // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2008. - №2 (16). - С.139.

6. Синтез нейронних систем на квантрон-автоматах / [В.П.Кожем'яко, Л.О.Волонтир, В.П.Думенко та ін.] // Штучний інтелект. - 2009. - №3. - С. 471-479.

7. Оптоелектронна інформаційна система для дослідження мікроциркуляції периферійних судин/ [М.В.Матохнюк, І.Я.Островський, В.П.Думенко та ін.] // Наукові проблеми оптики та сучасного матеріалознавства: ІІ Міжнародна конференція молодих вчених, 25-26 жовтня 2001: матеріали конф. - Київ, 2001. - C.47.

8. Перспективність оптико-електронних методів при діагностиці уражень судин у хворих на СВЧ / [М.А.Станіславчук, С.В.Павлов, В.П.Думенко та ін.] // Фотоніка - ОДС - 2008: ІІ Міжнародна науково-технічна конференція, 27-28 квітня 2002: матеріали конф. - Вінниця, 2002. - C.55.

9. Думенко В.П. Аналіз лазерних систем для біомедичних досліджень / П.Г.Прудиус, В.П.Думенко, А.О.Чернуха // Фотоніка - ОДС - 2005: ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція, 27-28 квітня 2005: матеріали конф. - Вінниця, 2005. - C.157-158.

10. Думенко В.П. Оптичні методи визначення гемодинамічних показників серцево-судинної системи / Н.В.Мазур, В.П.Думенко // Фотоніка - ОДС - 2005: ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція, 27-28 квітня 2005: матеріали конф. - Вінниця, 2005. - C.165-166.

11. Аналіз біофізичного механізму дії лазерного випромінювання на тканину / [З.Ю.Готра, Н.В.Ганиш, О.З.Готра, В.П.Думенко та ін.] // Застосування лазерів у медицині та біології: ХХV Міжнародна науково-практична конференція, 24-28 травня 2006: матеріали конф.- Луцьк, 2006. - C.100.

12. Думенко В. П. Біосенсори на основі ефекту поверхневого плазменного резонансу / А.О.Калініна, В.П.Думенко // Застосування лазерів у медицині та біології: ХХV Міжнародна науково-практична конференція, 24-28 травня 2006: матеріали конф.- Луцьк, 2006. - C.101.

13. Оптичний метод діагностики стану периферійних судин / [П.Ф. Коліс-ник, І.В. Мисловський, В.П. Думенко та ін.] // Застосування лазерів у медицині та біології: ХХV Міжнародна науково-практична конференція, 24-28 травня 2006: матеріали конф.- Луцьк, 2006. - C.69-70.

14. Думенко В.П.Оптико-електронні технології пульсодіагностики / А.С. Васюра., О.В. Навроцька, В.П. Думенко // Фотоніка - ОДС - 2008: ІV Міжнародна науково-технічна конференція, 29 вересня - 2 жовтня 2008: матеріали конф. - Вінниця, 2008. - C.73.

15. Думенко В. Оптико-електронна система діагностики периферійного кровообігу/ С.Павлов, Т.Козловська, В.Думенко // Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування: ІV Міжнародна науково-технічна конференція, 8-10 жовтня 2009: матеріали конф. - Вінниця, 2009. - С.48.

16. Оптикоелектронні інформаційні технології для дослідження трофічного комплексу тканин / [С.В.Павлов, П.Ф.Колісник, В.П.Думенко та ін.] // Застосування лазерів у медицині та біології: ХХХІІ Міжнародна науково-практична конференція, 7-10 октября 2009: матеріали конф. - Гурзуф, 2009. - С. 198 - 200.

17. Нейронные системы на квантрон-автоматах/ [В.П.Кожемяко, Л.А.Волонтир, В.П.Думенко та ін.] // Міжнародна наукова молодіжна школа, 28 вересня - 3 жовтня 2009: матеріали конф.- Донецьк, 2009. - С. 9-11.

18. Патент № 19123 UA. МКВ А 61 B 10/00. Спосіб виявлення позитивних чутливих точок у хворих на фіброміалгію / В.М.Хоменко, С.В.Павлов, М.А.Станіславчук, В.П.Думенко; № u2006 01598; Заявл. 16.02.2006; Опубл. 15.12.2006. - Бюл. №12. - 3 с.

АНОТАЦІЯ

випромінювання оптичний біотканина

Думенко В.П. Оптичні методи та біомедичний прилад “око-процесорного” типу для дослідження гемодинамічних показників. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця - 2010.

Дисертацію присвячено удосконалення методів і засобів оброблення фотоплетизмографічної інформації та розробленню оптичного приладу «око-процесорного» типу для визначення гемодинамічних показників. В роботі проведено теоретичне узагальнення методів взаємодії оптичного випромінювання з біотканинами. Розроблено фізичну модель для оцінювання зміни інтенсивності лазерного випромінювання при відбиванні від судин та модель, що дає можливість застосовувати метод КVР-перетворення для оброблення біомедичної інформації.

Наведено технічні рекомендації щодо елементної бази оптичного приладу «око-процесорного» типу для дослідження гемодинамічних показників.

Ключові слова: фотоплетизмограма, «око-процесор», гемодинамічні показники, КVР-перетворення.

АННОТАЦИЯ

Думенко В.П. Оптические методы и биомедицинский прибор "глаз-процессорного" типа для исследования гемодинамических показателей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.17 - Биологические и медицинские приборы и системы. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2010.

Диссертация посвящена усовершенствованию методов и средств обработки фотоплетизмографической информации и разработке оптического прибора "глаз-процессорного" типа для определения гемодинамических показателей.

Обоснована актуальность использования оптических методов для определения гемодинамических показателей, которые имеют ряд преимуществ сравнительно с традиционными, поскольку обеспечивают высокую оперативность, точность и неинвазивность исследований.

Проведен анализ оптико-электронных приборов и систем для диагностики гемодинамических показателей соответственно критериальному оцениванию эффективности, а также сформулировано требования к созданию оптико-электронных систем и приборов для оценивания кровенаполнения и измерения оптических характеристик биотканей.

В работе проведено теоретическое обобщение методов взаимодействия оптического излучения с биотканями. Разработана физическая модель, которая дает возможность оценить изменение интенсивности излучения при отражении от сосудов, что учитывается изменением оптической толщины среды с учетом изменения интенсивности при поглощении и отражении в слоях кожи.

Предложена модель, которая позволяет, применять метод KVР-преобразования для обработки биомедицинской информации, а именно преобразование биомедицинского сигнала в виде фотоплетизмограммы в продолжительность временных интервалов, а также обоснована возможность использования понятия энергетического нуля при обработки биомедицинской информации.

Разработаны алгоритмы предыдущей обработки фотоплетизмограмм и методы построения эталонов, которые позволяют значительно увеличить уровень автоматизации обработки фотоплетизмограмм.

Приведены технические рекомендации относительно элементной базы оптического прибора "глаз-процессорного" типа для исследования гемодинамических показателей.

Предложены технические решения реализации оптико-электронной системы глаз-процессорного типа обработки биомедицинской информации для анализа гемодинамических микроциркуляторных показателей крови.

В дисертации исследованны методы повышения технико-эксплуатационных характеристик разработанной оптико-электронной системы путем усовершенствования измерительного канала при применении оптических сенсоров.

Большое внимание в работе уделено усовершенствованию архитектуры оптико-электронной системы глаз-процессорного типа определения гемодинамических показателей периферийного кровообращения, в которой в отличие от существующих введен блок корреляционного анализа для сравнения полученных данных с эталонами-масками.

Результаты диссертационной работы внедрены в Винницком медицинском центре реабилитации и спортивной медицины. Отдельные теоретические результаты диссертационной работы введены в учебный процесс на кафедре лазерной и оптоелектронной техники Винницкого национального технического университета в рамках специализации "Лазерная и оптоелектронная техника в биомедицинских системах и аппаратах"

Ключевые слова: фотоплетизмограмма, "глаз-процессор", гемодинамические показатели, КVР-преобразование.

ANNOTATION

Dumenko V.P. Optical Methods and Biomedical Device of “Eye-Processor” of Type for Research of Haemodynamic Indexes. - A manuscript. Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineerings sciences after speciality 05.11.17 - Biological and Medical Devices and Systems. Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2010.

Thesis is devoted improvement of methods and facilities of treatment of photopletizmograph information and to development of scope of «eye-processor» of type for determination of haemodynamic indexes.Theoretical generalization of methods of co-operation of optical radiation is in-process conducted with biotfabrics. A physical model is developed for the evaluation of change of intensity of laser radiation at a reflection from vessels that model which enables to apply the method of КVР-transformation for treatment of biomedical information.

Technical recommendations are resulted in relation to the element base of scope of «eye-processor» of type for research of haemodynamic indexes.

Key words: photopletizmograph, «eye-processor», КVР-transformation, haemodynamic indexes.

Размещено на Allbest.ru

...