Спектрально-кольориметричні методи і засоби. Визначення вмісту основних форм гемоглобіну в крові

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

На правах рукопису

УДК 615. 471.03: 616.24

Хазем М. Ф. Х. Фаттух

(Іорданія)

Спектрально-кольориметричні методи і засоби. Визначення вмісту основних форм гемоглобіну в крові

Спеціальність 05.11.17 - Медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі фізичної і біомедичної електроніки факультету електроніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Фесечко Володимир Опанасович, доцент кафедри фізичної і біомедичної електроніки НТУУ "КПІ".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Розорінов Георгій Миколайович, професор кафедри звукотехніки та реєстрації інформації;

кандидат технічних наук Лопата Віктор Олександрович, директор СОВ “Сенсорні системи”.

Провідна організація: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки Міністерства науки і освіти України, кафедра біомедичних електронних приладів і систем.

Захист дисертації відбудеться 14 травня 2002 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої Ради Д 26.002.19 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" (03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 412).

Відгуки на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, Вченому секретарю НТУУ "КПІ".

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий 04.04.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої Ради, кандидат технічних наук, доцент Зубчук В.І.

Загальна характеристика роботи

гемоглобін кров фотометричний сигнал

Актуальність теми. Аналіз крові є одним з найбільш розповсюджених клініко-лабораторних досліджень у медичній практиці. Результати виміру різних форм гемоглобіну в значній мірі визначають діагноз і стратегію лікування.

Проблеми гемоглобінометрії загострюються, коли необхідно здійснювати аналіз гемоглобінів швидко, регулярно і неінвазивно. Це стосується таких захворювань як СНІД, вірусні гепатіти та інші різні інфекції. При профілактичному масовому обстеженні здорових осіб, післяопераційному моніторингу і анестезіології, контролі стану немовлят, оцінці стану операторів у відповідальних ситуаціях необхідний якісний експрес-аналіз вмісту гемоглобіну і його похідних форм.

Ручні методи аналізу крові та вмісту основних форм гемоглобіну давно вже не задовольняють сучасним вимогам як по швидкості, так і по точності і вірогідності. У розвинутих країнах світу автоматичний аналіз крові майже цілком замінив ручні і напівавтоматичні методи дослідження.

Спектрально-кольориметричні методи неінвазивного аналізу крові засновані на спектрофотометрії, фотокольориметрії, флюорометрії крові через шкірний покрив людини. Реєстровані спектри оптичних випромінювань у цьому випадку мають складний характер, обумовлений природою їхнього виникнення внаслідок багаторазового відбиття, поглинання і комплексного впливу багатьох складових крові і біотканини.

Неінвазивна технологія визначення гемоглобінів має меншу точність, ніж інвазивна, але, маючи такі переваги, як безпека, безболісність, швидкість аналізу, вона успішно конкурує з інвазивною на станціях швидкої допомоги, у родильних будинках, у відділеннях інфекційних захворювань.

Актуальність проблеми створення високоточних приладів неінвазивного визначення вмісту гемоглобіну та інших його форм безупинно зростає. Ефективна розробка таких приладів визначає необхідність розвитку теоретичної бази спектрально-кольориметричних методів, неінвазивного аналізу крові, і вдосконалення методики проектування приладів неінвазивного аналізу вмісту гемоглобінів.

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

Вибраний напрямок досліджень співпадає з основними науковими та учбовими темами кафедри, де виконано роботу. Матеріали роботи використані в

ДКР № 2168 “Дослідження електромагнітних полів у терапії і діагностиці”, 1.01.1998-31.12.1999 державний реєстраційний номер 0197U000419, замовник - Міністерство освіти та науки України;

ДКР №2892 “Розробка неінвазивного аналізатора крові”, 1.01.1994-31.12.1995, державний реєстраційний номер 0195W008186, замовник - Міністерство освіти України.

ДКР № 2514 “Дослідження методів та розробка електронних засобів визначення та моніторингу функціонального стану людини”, 1.01.2002-31.12.2003, державний реєстраційний номер 0102U000655, замовник - Міністерство освіти та науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка спектрально-кольориметричних методів експрес-аналізу вмісту похідних форм гемоглобіну для in vivo технологій і створення на цій засаді приладів визначення вмісту основних форм гемоглобіну в крові з підвищеними функціональними і експлуатаційними характеристиками.

Для досягнення поставленої в дисертації мети вирішуються наступні основні задачі дослідження: біофізичне обґрунтування фотоелектричного методу неінвазивного аналізу гемоглобінів, пошук оптимальних спектральних характеристик чутливості рецепторів для ідентифікації різних форм гемоглобіну, розробка алгоритмів обчислення кількісних характеристик вмісту основних форм гемоглобіну на підставі інтегральних спектральних характеристик поглинання цільної крові і біотканини, розробка методики проектування приладів неінвазивного визначення вмісту основних форм гемоглобіну крові (ПВГК) і створення інформаційного забезпечення засобів автоматизованого проектування.

Об'єктом дослідження є прилади визначення вмісту основних форм гемоглобіну крові переважно для неінвазивних технологій експрес-аналізу крові.

Предметом дослідження є спектральні властивості гемоглобінів в умовах інвазивної і неінвазивної технологій виміру і отримання на їхній основі вимірювальних даних гемоглобінів для розробки приладів визначення вмісту основних форм гемоглобіну з розширеними функціональними можливостями.

Методи дослідження: теорія процесів дифузії і розсіювання в напівпрозорих біосередовищах, спектральний аналіз, моделювання і ідентифікація біофізичних об'єктів, теорія оптимізації і надійності, чисельний аналіз та програмування.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вирішено задачу декомпозиції інтегральних спектрів поглинання крові для ідентифікації похідних форм гемоглобіну.

2. Визначено залежності колірної насиченості спектрів пропускання цільної крові від вмісту загального гемоглобіну в крові, а колірного тону - від концентрації похідних форм гемоглобіну.

3. Розроблено теоретичні основи проектування спектральних приладів визначення вмісту основних форм гемоглобіну, які відрізняються використанням спільних моделей для оптичних і електричних перетворень.

4. Уперше застосовано акусто-оптичний метод локалізації області виміру при визначенні вмісту основних форм гемоглобіну крові.

Практичне значення отриманих результатів:

1. У результаті виконаного аналізу спектрів поглинання різних форм гемоглобіну і рішення задачі декомпозиції спектрів поглинання крові вперше отримано теоретичне обґрунтування неінвазивної технології вимірювання вмісту патологічних форм гемоглобіну в крові.

2. Розроблено новий метод визначення загального вмісту гемоглобіну по насиченості кольору крові, який відрізняється простою технічною реалізацією в ПВГК.

3. Запропоновано і впроваджено новий алгоритм розрахунку концентрації похідних форм гемоглобіну на основі спектрально-узгодженої фільтрації їхніх спектрів поглинання, що дозволило збільшити кількість визначених форм гемоглобіну.

4. Розроблено макромоделі основних елементів трактів одержання і перетворення вимірювальної інформації у приладах неінвазивного визначення вмісту основних форм гемоглобіну, що дає можливість оптимізувати конструкції і параметри ПВГК.

5. Розроблено і впроваджено методику проектування спектральних ПВГК, орієнтовану на застосування в середовищі проблемно-орієнтованих комп'ютерних програм математичного і схемотехнічного моделювання.

6. Розроблено прилади неінвазивного визначення основних форм гемоглобіну:

з імпульсним джерелом випромінювання і багатокомпонентним приймачем з оптимізованими спектральними характеристиками чутливості;

з виміром загального вмісту гемоглобіну в крові по колірній насиченості.

7. Запропоновано комплексний показник якості роботи приладів ПВГК і способи підвищення точності вимірювання і надійності роботи цієї апаратури.

Теоретичні результати дисертації використані на кафедрі фізичної і біомедичної електроніки НТУУ “КПІ” у навчальних курсах “Методи перетворення сигналів” і “Основи медичної інтроскопії” у лекційних розділах по ідентифікації сигналів і акусто-оптичній локалізації області дослідження біотканини, а також у постановці лабораторних робіт із застосування методу власних векторів автоковаріаційної матриці при обробці сигналів і двовимірних зображень.

Практичні результати дисертації були використані при розробці зразка неінвазивного аналізатора гемоглобінів на кафедрі фізичної і біомедичної електроніки НТУУ “КПІ” і передані для впровадження підприємству “ГЕНЕСИС” м. Київ у 2000 р.

Особистий внесок здобувача. У роботах, що опубліковані в співавторстві, здобувачу належать: у [3] - методика обробки сигналів за допомогою спектрально-узгодженого фільтра з оптимальним базисом власних векторів; у [4] - співвідношення для розрахунку корисного сигналу для дослідження спектру поглинання; у [5] - алгоритм ідентифікації спектрів на основі оптимальної фільтрації ознак випромінювань різних класів; у [6] - способи сканування масиву сигналів за допомогою автокорелляційної матриці в кінцевому вікні.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені в дисертацію, доповідалися на міжнародних конференціях “Проблеми фізичної і біомедичої електроніки” у 1997 р., 1998 р., 1999 р., 2000 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 3 статті у наукових журналах і одержано один патент України.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів з висновками і заключної частини, викладених на 169 сторінках машинописного тексту; ілюструється 69 рисунками і 3 таблицями; вміщує список літератури з 113 найменувань та 4 додатки на 18 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі розглядаються стан і проблеми сучасної експрес-гемоглобінометрії, її наукового та апаратного забезпечення; визначаються мета і задачі дисертаційної роботи; формулюються основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі “Теоретичні основи застосування фотометричних методів для визначення вмісту основних форм гемоглобіну крові” викладено особливості застосування фотометричних методів для неінвазивних технологій експрес-аналізу вмісту основних форм гемоглобіну крові у порівнянні з іншими методами на підставі хімічних вимірювань, розглянуто сучасний стан техніки неінвазивної гемоглобінометрії, обґрунтовано можливість створення методики і розробки приладів для вимірювання вмісту не тільки оксигемоглобіну та загального гемоглобіну, але й інших похідних форм.

У дисертації проведено аналіз спектрів поглинання гемоглобінів по даним, наведеним у наукових джерелах (рис.1), і знайдені оптимальні області ідентифікації різних форм гемоглобіну. У роботі показано, що найбільшу кількість спектральних ознак для ідентифікації мають форми гемоглобінів HbO2, MеtHb, HbCN, меншу кількість ознак мають Hbкисл, Hbалк, а форма HbSO3 практично не може бути виділена, оскільки характерні для неї області спектрів співпадають з областями деоксигемоглобіна. На цій підставі зроблено висновок, що вимірювання ряду похідних форм гемоглобінів спектральними методами може бути реалізовано з використанням неінвазивної технології.

Сучасний стан техніки гемоглобінометрії такий, що автоматичний експрес-аналіз крові in vitro виконується для визначення вмісту загального гемоглобіну, оксигемоглобіну, білірубіну. Деякі фірми, наприклад, датська “Radiometer”, почали випуск гематологічних аналізаторів, що мають можливість вимірювання FMеtHb, FHHb, FCOHb, FO2Hb та інших похідних форм гемоглобіну. Експрес-аналіз in vivo виконується звичайно для оксигемоглобіну і в деяких випадках - для загального гемоглобіну та білірубіну. Інші форми гемоглобіну неінвазивними засобами не вимірюються. Слід звернути увагу, що практично в усіх аналізаторах форм гемоглобінів так чи інакше застосовуються спектральні методи дослідження цільної крові та її розчинів і сумішей з різними реактивами. Аналіз HbO2 виконується in vivo з похибкою 2-3% і може повністю виключити хімічні методи, тим більше, що він має багато переваг перед інвазивними методами аналізу. Все це говорить про необхідність подальших пошуків методів і технічних рішень для неінвазивних технологій визначення інших похідних форм гемоглобіну.

У другому розділі роботи “Визначення інформаційних ознак спектрів поглинання гемоглобінів” вирішується задача ідентифікації основних форм гемоглобіну методами декомпозиції спектрів поглинання крові та на підставі кольориметричного підходу.

На підставі просторового векторного відображення виконується синтез спектральних характеристик приймачів для визначення складових різних форм гемоглобіну в інтегральній суміші спектрів компонент крові. Використовуючи варіаційні засоби дослідження екстремальних властивостей функціоналів, одержано співвідношення для спектральної характеристики s() узгодженого фільтра, призначеного для виділення спектра Fs() одного типу гемоглобіну серед інших Fi()

, (1)

;

де , ij - повний визначник і алгебраїчні доповнення матриці, складеної із скалярних добутків векторів Fі та Fj; 1, 2 - діапазон довжин хвиль світлового діапазону; n - кількість форм гемоглобіну, що підлягають аналізу; k - постійний коефіцієнт.

На рис.2. показані результати розрахунку спектральних характеристик чутливості рецепторів для виділення вимірювальних даних для різних форм гемоглобіну.

З метою зменшення кількості аналізуючих рецепторів спектрів гемоглобінів у роботі запропоновано метод синтезу скороченого ортогонального базису спектральних характеристик рецепторів на підставі розкладання Карунена-Лоєва.

Для цього спочатку спектри поглинання n типів гемоглобінів Fi() розкладаються по m базисним ортогональним функціям еk():

, (2)

де .

Далі розраховується автокореляційна матриця В з елементами

;

q, r = 1, 2, … m.

У новому базисі розкладання

, (3)

; ;

(k = 1, 2, … m); хkj - коефіцієнти власних k векторів, що відповідають найбільшим значенням характеристичних чисел k матриці В; ; - похибка апроксимації.

Ідентифікація всіх форм гемоглобінів виконується за коефіцієнтами аik*, кількість яких дорівнює на кожну форму гемоглобіну. При допустимій похибці =1% кількість базисних функцій звичайно не перевищує чотирьох. На рис.3 наведено розраховані оптимальні спектральні характеристики рецепторів для основних форм гемоглобіну.

Дослідження властивостей кольору крові, виконані в роботі, дають підставу для вимірювання загального вмісту гемоглобіну в залежності від насиченості кольору крові. На рис.4 показано залежність координат кольору для різних форм гемоглобіну від відносної концентрації їх вмісту (0,61,2 відн. од.). Зміна колірного тону залежить від вмісту оксигемоглобіну і меншою мірою від інших форм гемоглобіну. Тому колірний тон недоцільно використовувати для вимірювання похідних форм гемоглобіну.

У роботі розроблено спеціальну кольориметричну систему, орієнтовану на вимірювання насиченості кольору крові. Запропоновано алгоритм визначення вмісту гемоглобіну крові по колірній насиченості крові, згідно якому спочатку розраховується довжина вектора колірності крові

, (4)

де Vі, Vj - вихідні сигнали фотометричних приймачів світла з характеристиками чутливості, відповідними функціям складання вибраної кольориметричної системи.

Далі визначається колірна насиченість:

, (5)

.

Розрахунок вмісту гемоглобіну в крові виконується за виразом:

Hb=Rn2, г/л. (6)

Коефіцієнт R при використанні стандартної кольориметричної системи XYZ дорівнює 5600 і уточнюється шляхом тестування ПВГК.

У третьому розділі роботі “Дослідження фізичних принципів фотоелектричного визначення основних форм гемоглобіну в крові” розглянуті математичні моделі формування вихідних даних, теоретичні засади ідентифікації похідних форм гемоглобіну, а також умови ефективного збирання променевого потоку в умовах in vivo.

Згідно моделі оптичних шляхів променів (рис. 5) при дифузійному поглинанні та розсіюванні світла у біотканинах і крові на підставі робіт Розенберга Г.В., Хайруліної А.Я., Дубова Г.С., Зеге Є.П. одержані нові співвідношення для відбитого та прохідного світлових потоків.

Так для неінвазивної технології по відбиттю падаючий і відбитий промені давача нормально орієнтовані відносно шкіри. Тоді інтенсивність світлового потоку, що виникає за рахунок внутрішнього дифузійного відбиття і реєструється приймачем, дорівнює

, (7)

;

Де r - відстань між точками падіння й прийому світлового променя, k - коефіцієнт поглинання біотканини, R, R1 - коефіцієнти відбиття на межах повітря-шкіра, біотканина-кров, - вільна довжина розсіяння, - вільна довжина поглинання, - відносна глибина шару неоднорідності у біотканині. Для технології вимірювання поглинутого світла визначено формулу коефіцієнта поглинання багатошарової структури

, (8)

де Rj - дифузійні коефіцієнти відбиття на кожній границі шару, - товщина шару, - мілімолярні показники поглинання окремих складових, aij - вагові коефіцієнти складових у кожному шарі, j - номер шару, i - номер біохімічної складової, J - кількість умовних шарів, Fo - падаючий потік, Fп - прохідний потік.

Враховуючи зміну в часі відповідно до кардіоциклу лише параметрів шару крові, вираз (8) можна записати у вигляді

, (9)

де Co - стала складова, що враховує незалежні від коефіцієнти R та , C1() -спектральна функція, незалежна від часу, що відповідає всім шарам біотканини, окрім крові, i(, t) - спектри поглинання складових крові, головними з яких є спектрально-змінні форми гемоглобіну.

На підставі (9) за критерієм мінімізації середньоквадратичного відхилення запропоновано алгоритм розрахунку вмісту форм гемоглобіну, за яким відносна концентрація і-ї форми дорівнює

Hb[i]=, (10)

де аі - елементи вектора [а] розмірності n, що знаходяться за рівнянням

[a]=[B]-1[]. (11)

Тут B - матриця розмірності nn скалярних добутків

m>n; [] - вектор розмірності n з елементами

де - змінна складова коефіцієнта поглинання світла на довжинах хвиль і для біооб'єкта при неінвазивній технології вимірювання.

Даний алгоритм використано в розроблених експериментальних макетах ПВГК.

В цьому ж розділі проведено аналіз енергетичної ефективності збирання променевого потоку при світлорозсіянні з поверхні шкіри і одержано аналітичні формули та графіки коефіцієнта збирання світла в залежності від геометричних розмірів і розташування приймача випромінювання, які необхідні для розробки фотоелектричних датчиків неінвазивних ПВГК.

У четвертому розділі “Принципи побудови та інформаційно-алгоритмічне забезпечення спектральних ПВГК” розглянуто основи проектування ПВГК, моделювання основних перетворень сигналів ПВГК, особливості застосування схемотехнічних САПР при розробці ПВГК.

Запропоновано загальну схему функціональних процедур ПВГК (рис.6). Її особливістю є те, що в ній передбачено локалізацію області опромінювання, визначення параметрів електронно-оптичного каналу і достовірності вимірювання, а також можливість використання алгоритмів ідентифікації більшої кількості похідних форм гемоглобінів. У роботі детально розглянуто особливості функціональних перетворень сигналів ПВГК, вибір їх параметрів і способи технічної реалізації. Розроблено макромоделі блоків структурної схеми, що є основою інформаційного забезпечення автоматизованого проектування ПВГК. Особливістю моделювання джерел і приймачів випромінювання є застосування єдиного схемотехнічного базису моделей, що дає можливість використовування САПР як для електричних, так і для оптичних розрахунків.

На рис.7 представлено основні етапи проектування ПВГК із застосуванням універсальних програм математичного моделювання і спеціалізованих схемотехнічних САПР (Simu Link, P-Spice, Word-banch).

Використання запропонованої в роботі системи автоматизованого проектування ПВГК з розвинутим спеціалізованим інформаційним забезпеченням дозволило виконувати модельні експерименти без виготовлення значної кількості лабораторних зразків електричних блоків і тим самим у кілька разів прискорити процес проектування ПВГК.

У п'ятому розділі “Експерементальне дослідження ПВГК і засоби підвищення їх експлуатаційних характеристик” розглядаються алгоритмічні, математичні та технічні шляхи зниження систематичних та випадкових похибок вимірювання гемоглобінів in vivo.

Проведено аналіз причин виникнення похибок на всіх етапах перетворення оптичних і електричних сигналів у ПВГК. Розглянуто систематичні і випадкові похибки, пов'язані з нестабільністю, інерційністю і шумом джерела і приймача світлового потоку, похибками встановлення датчика, станом поверхні і пульсовими коливаннями мікрокапілярів біотканини, фазочастотними і нелінійними спотвореннями, квантуванням і дискретизацією сигналу, похибками обчислень. Зроблено оцінку впливу випадкових похибок на кінцевий результат розрахунку вмісту форм гемоглобінів і наведено рекомендації по зниженню систематичних похибок.

Розглянуто задачу оптимального пошуку істинного спектра y() на підставі вимірювання сигналу u(t), та відомої “апаратної функції” k(,t) для перетворення

, (12)

де (t) - шум похибок вимірювання.

Рішення отримане за методикою статистичної регуляризації на підставі байєсівського підходу у припущенні нормального розподілу похибки вимірювання:

, (13)

де - матриця шуканих даних (m1), - вектор вимірюваних даних (n1), V - ковариаційна матриця похибок вимірювання, - стабілізуюча матриця, для якої Dк - матриця чисельного диференціювання порядку p. Параметр статистичної регуляризації дорівнює

У роботі розвинуто відомий алгоритм вимірювання оксигемоглобіну (Крепс М.Е., 1959) з використанням опорного сигналу інфрачервоного випромінювання для визначення вмісту інших форм гемоглобіну і запропоновано формулу

Hb [i] = Ci + Bi ( ln FCi - ln DCi - ln FCик + ln DCик), (14)

де Ci, Bi - постійні коефіцієнти для кожної похідної і-форми гемоглобіну, FCi - спеціальні розрахункові параметри змінної складової фотоелектричних сигналів при оптимальній фільтрації спектрів поглинання вибраних форм гемоглобінів, DCi - постійні складові фотоелектричних сигналів, FCик, DCик - змінна і стала складові фотоелектричного сигналу інфрачервоного каналу.

Використання цього алгоритму дозволяє отримати припустиму похибку вимірювання вмісту форм гемоглобіну 2-5% при звичайній (10-12) розрядності аналогово-цифрового перетворення фотоелектричних сигналів.

З метою зменшення похибок інструментального характеру запропоновано новий метод просторової локалізації області виміру вмісту форм гемоглобінів in vivo. Ідея методу полягає у сумісній оптичній і ультразвуковій дії на біотканину (рис.8).

Напрямок ультразвукової хвилі і світлового променя вибираються таким, щоб вони перетиналися у заданій області вимірювання, причому світловий промінь може бути дифузійно розсіяним. При застосуванні синхронної фазової модуляції променів світла і ультразвуку, матричного фотоприймача та спеціальної математичної обробки спеклу вихідного оптичного зображення одержують інформацію з заданої області усередині біологічного об'єкта. При неінвазивному аналізі крові це дає можливість досліджувати кров усередині вени чи артерії.

Експериментальні дослідження були проведені на двох експериментальних макетах ПВГК. На рис.9 показано структурну схему ПВГК з імпульсним джерелом світла і багатокомпонентним спектроаналізатором. Використання ПЕОМ дозволило перевірити роботу різних алгоритмів і ефективність запропонованих методів підвищення точності визначення вмісту основних форм гемоглобіну.

В “Заключній частині” виконані в роботі дослідження, отримані при цьому наукові і практичні результати узагальнюються висновками та рекомендаціями.

Основні результати роботи

Наявні вітчизняні і закордонні технічні засоби експрес-аналізу крові не дозволяють виміряти вміст ряду патологічних форм гемоглобіну. В роботі теоретично і експериментально доведена доцільність застосування фотоелектричних методів для визначення вмісту форм гемоглобіну in vivo.

Виконано біофізичне обґрунтування застосування фотоелектричного методу неінвазивного аналізу гемоглобінів і визначено інформаційні спектральні ознаки похідних форм гемоглобінів, що дозволяє здійснювати вибір джерел і приймачів випромінювання, а також загальної конструкції датчиків гемоглобінів.

Вирішено задачу декомпозиції інтегральних спектрів поглинання крові в товстих шарах біотканини в оптимальному ортогональному базисі спектральних функцій, що дає підставу для вимірювання вмісту більшої кількості похідних форм гемоглобіну, ніж дозволяє існуюча неінвазивна апаратура.

Експериментально доведена залежність насиченості кольору цільної крові від загального вмісту гемоглобіну в крові, а колірного тону - від концентрації похідних форм гемоглобіну. Для практичного використання рекомендовано виконувати вимірювання загального вмісту гемоглобіну по колірній насиченості, у той час, як колірний тон є недостатньою ознакою для ідентифікації похідних форм гемоглобінів.

Створено теоретичні основи проектування приладів неінвазивного спектрального визначення основних форм гемоглобіну крові, що включають обґрунтування і вибір оптичної схеми датчиків гемоглобінів, методику визначення найважливіших параметрів джерел і приймачів випромінювання, моделювання основних вузлів перетворення сигналів при вимірі гемоглобінів, синтез структури приладової реалізації, засоби забезпечення точності і достовірності вимірів.

Запропоновано два алгоритми розрахунку вмісту похідних форм гемоглобіну крови: на основі оптимальної фільтрації абсорбційних спектрів та за допомогою неортогонального розкладання спектрів поглинання крові, які можуть бути використані у приладах неінвазивного аналізу основних форм гемоглобіну крові.

Розроблено макетні зразки приладів неінвазивного аналізу вмісту основних форм гемоглобіну, один із яких переданий для впровадження у виробництво.

В результаті виконаних у дисертації досліджень доведено можливість застосування неінвазивної спектральної технології виміру для більшої ніж в існуючій апаратурі кількості похідних форм гемоглобіну і створення на цій основі нового класу приладів експрес-аналізу крові.

Розроблена для виміру вмісту різних форм гемоглобіну методика аналізу спектрів може бути поширена на визначення інших компонентів крові, а запропонований метод локалізації області виміру може знайти більш широке застосування для гематологічних аналізів in vivo.

Матеріали дисертації опубліковані у наступних роботах

Фатух Хазем. Спектральные методы неинвазивной диагностики // Электроника и связь. - 1999. - т.2. - №6. - с.117-122.

Аль-Хадж Фатух Хазем. Идентификатор спектров излучения для видимой и ближней ИК областей // Электроника и связь. - 2000. - т.1, №8. - с.13-16.

Фесечко В.А., Фатхи Хусейн, Аль-Хадж Фатух Хазем. Основные направления улучшения изображения в МР-томографии // Электроника и связь. - 1999. - №7. - с.158-160.

Спосіб неінвазивного аналізу крові: Патент № 43662А. Україна. МКИ А61В5/00/ В.А. Фесечко, Ю.С. Синєкоп, Аль Хадж Фатух Хазем (JО) , Н.Г. Іванушкіна, Афана Луай (IS), А.Б. Жданов - № 2001042924; Заявлено 27.04.2001; Опубл. 17.12.2001, Бюл.№11. - 3с.

Фесечко В.А., Сташкевич В.Ф., Фатух Хазем. Идентификация спектров излучения // Тематичний випуск журналу “Электроника и связь” по матеріалам Международной научно-технической конференции, - 1997. - часть 2. - №2. - с.407-409 - автору належить алгоритм ідентифікації спектрів на основі оптимальної фільтрації ознак випромінювання різних класів.

Фесечко В.А., Фатух Хазем, Джоде Лак Мортаза. Метод собственных векторов для анализа вызванных потенциалов // Тематичний випуск журналу “Электроника и связь” по матеріалам Международной научно-технической конференции, - 1998. - часть 3. - №4. - с.583-586 - автору належить розробка способу сканування масиву сигналів за допомогою ковариаційної матриці в кінцевому вікні.

АНОТАЦІЯ

Хазем М. Ф. Х. Фаттух. Спектрально-кольориметричні методи і засоби визначення вмісту основних форм гемоглобіну в крові. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - медичні прилади і системи. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2002 р.

Дисертація присвячена питанням теоретичного обґрунтування і методики побудови приладів неінвазивного аналізу вмісту похідних форм гемоглобінів крові при нормальному і патологічному станах організму.

На підставі дослідження дифузійних процесів пропускання і відбиття в біотканині випромінювання видимого діапазону показано можливість виділення спектральної інформації для інших похідних форм гемоглобіну, що відрізняються від оксигемоглобіну. Отримано співвідношення для спектрально-узгоджених фільтрів і базисів відображуючих просторів, необхідних для ідентифікації і виміру різних форм гемоглобіну.

Запропоновано два нових алгоритми визначення вмісту окремих форм гемоглобіну. Розглянуто принципи побудови й інформаційне забезпечення спектральних приладів неінвазивного визначення вмісту основних форм гемоглобіну.

Досліджено похибки одержання й обробки вимірювальної інформації для визначення вмісту різних форм гемоглобіну, а також розглянуто методи зниження випадкових і систематичних похибок у технології in vivo.

Розроблено методику проектування приладів спектрального визначення вмісту основних форм гемоглобіну та створено експериментальні зразки приладів, на яких отримані достатні по точності результати вимірів.

Ключові слова: кров, експрес-аналіз, фотоелектричний метод, спектральний неінвазивний аналіз, прилад визначення вмісту форм гемоглобіна, проектування.

Аннотация

Хазем М. Ф. Х. Фаттух. Спектрально-колориметрические методы и средства определения содержания основных форм гемоглобинов в крови. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - медицинские приборы и системы. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2002 г.

Диссертация посвящена вопросам теоретического обоснования и методики построения приборов для неинвазивного анализа содержания производных форм гемоглобина в крови при нормальном и патологическом состояниях организма. Такой анализ необходим при осуществлении анестезиологии, послеоперационного мониторинга, наблюдения за новорожденными.

Существующие отечественные и зарубежные технические средства экспресс-анализа крови не позволяют измерять содержание ряда патологических форм гемоглобина. Отсутствуют достаточные теоретические обоснования таких измерений. Имеются только экспериментальные и научные предпосылки применения фотоэлектрического метода для определения содержания отдельных форм гемоглобинов in vitro и частично in vivo.

В работе выполнено биофизическое обоснование применения фотоэлектрического метода неинвазивного измерения содержания форм гемоглобина и определены информационные спектральные признаки производных форм гемоглобина, что позволяет осуществлять выбор источников и приемников излучения и общей конструкции датчиков измерительной информации.

Рассмотрена задача декомпозиции интегральных спектров поглощения крови в толстых слоях биоткани в оптимальном ортогональном базисе спектральных функций, на основании чего могут быть выполнены расчеты относительного содержания производных форм гемоглобина.

Экспериментально доказана зависимость цветовой насыщенности цельной крови от общего содержания гемоглобина в крови, а цветового тона - от концентрации производных форм гемоглобина. Для практического использования рекомендовано выполнять анализ общего содержания гемоглобина по цветовой насыщенности, в то время, как цветовой тон является недостаточным признаком для идентификации производных форм гемоглобина.

Предложены алгоритмы расчета содержания производных форм гемоглобина на основе спектрально-согласованной фильтрации спектра поглощения крови и с помощью неортогонального разложения по спектральным характеристикам поглощения различных форм гемоглобина.

В работе рассмотрены теоретические основы проектирования приборов неинвазивного спектрального определения содержания основных форм гемоглобинов, включающие обоснование и выбор оптической схемы датчиков измерительной информации, методику определения важнейших параметров источников и приемников излучения, моделирование основных узлов и этапов преобразования сигналов при определении содержания основных форм гемоглобина, синтез структуры приборной реализации, меры обеспечения точности и достоверности измерений.

Для оптимизации конструкции датчиков выполнен анализ эффективности сбора лучевого потока при светорассеянии с поверхности объекта и за счет внутреннего диффузионного отражения.

Определены источники и величины погрешностей при получении и обработке измерительной информации для определения содержания форм гемоглобинов, а также рассмотрены методы снижения случайных и систематических погрешностей in vivo.

С этой же целью предложен метод пространственной локализации области измерения гемоглобинов с помощью ультразвукового зондирования.

Разработана методика проектирования приборов неинвазивного определения содержания основных форм гемоглобина и созданы экспериментальные образцы приборов, на которых получены достаточные по точности результаты измерений.

В результате выполненных в диссертации исследований доказана возможность применения неинвазивной спектральной технологии измерения для большего, чем в существующей аппаратуре, количества производных форм гемоглобина и создания нового класса приборов экспресс-анализа крови. В частности, общая методика анализа спектров, разработанная для определения содержания форм гемоглобина, может быть распространена на другие компоненты крови, как, например глюкозу, а предложенный метод локализации области измерения может найти более широкое применение для гематологических анализов in vivo.

На основе исследования диффузионных процессов пропускания и отражения в биоткани излучения видимого диапазона показана возможность выделения спектральной информации для отличающихся от оксигемоглобина других производных форм гемоглобинов. Получены соотношения для оптимальных фильтров и базисов отражающих пространств, необходимых для идентификации и измерения содержания различных форм гемоглобина.

Предложены два новых алгоритма определения содержания отдельных форм гемоглобинов. Рассмотрены принципы построения и информационное обеспечение спектральных приборов неинвазивного анализа гемоглобинов.

Исследованы погрешности получения и обработки измерительной информации для определения содержания основных форм гемоглобина, а также рассмотрены методы снижения случайных и систематических погрешностей в технологии in vivo.

Разработана методика проектирования приборов определения содержания основных форм гемоглобина и созданы экспериментальные образцы приборов, на которых получены достаточные по точности результаты измерений.

Ключевые слова: кровь, экспресс-анализ, фотоэлектрический метод, спектральный неинвазивный анализ, прибор определения содержания форм гемоглобина, проектирование.

summary

Hazem M.F.H. Fattouh. Spectral-colorimetriсal methods and means of basic forms of blood hemoglobin content determination. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Tech.Sci.Cand. on a speciality 05.11.17 - medical devices and systems. - National Technical University of Ukraine - “Kiev polytechnical institute”, Kiev, 2002.

The dissertation is devoted to questions of theoretical ground and methods of noninvasive construction devices analysis of derivative forms of hemoglobin of blood at a normal and pathological condition of the organism.

On the basis of research of diffusion processes of transmit and reflections in biofabric of radiation of the visible range the opportunity of allocation of the spectral information for distinguished from oxihemoglobine of other derivative forms of hemoglobine is shown. Relation for optimum filters and bases of the reflecting spaces necessary for identification and measurement of various forms of hemoglobin have been received.

Two new algorithms of definition of the content of some forms of hemoglobin are offered. The principles of transmit and supply information of spectral devices of the non-invasive hemoglobin analysis have been considered.

Errors of receiving and processing of the measuring information for the hemoglobine analysis have been researched, also methods of decrease of casual and regular errors in technology in vivo have been considered.

The method of designing of non-invasive derices of hemoglobine express analyses has been constructed. Experimental samples of desices which gave enough accurasy measuring results have been created.

Key words: blood, express-analysis, photo-electric method, non-invasive spectral analysis, the device for definition the contents of hemoglobin's forms, designing.

Размещено на Allbest.ur

...