У першому розділі проаналізовані функції крові в підтримці гомеостазу організму, та зв'язок показників крові з функціональним станом людини, визначено значення дослідження фізичних, а саме седиментаційних, показників крові.

Процес осідання еритроцитів визначається їх фізико-хімічними характеристиками: швидкістю агрегації, початковою концентрацією у об'ємі крові, що досліджується, поверхневим зарядом, деформованістю та білковим складом плазми. При осіданні стовпчик крові в капілярі поступово розділяється на три зони: зона чистої плазми, зона еритроцитів, що осідають, та компактна зона.

Осідання часток суспензій, що агрегують, є нестійким стосовно малих змін однорідного розподілу еритроцитів у перетині капіляра. Випадкові зовнішні впливи і флуктуації можуть привести до утворення агрегаційних комплексів, що будуть швидко осідати, захоплюючи за собою дрібні агрегати, оскільки сила ваги зростає швидше за силу опору з боку навколишньої рідини. При цьому і динаміка осідання, і значення часового показника будуть сильно варіювати, ускладнюючи діагностику.

Поряд з біологічними компонентами на величину ШОЕ впливають також фактори навколишнього середовища та інші специфічні умови експерименту, такі як зовнішнє магнітне поле (за рахунок парамагнітної властивості гемоглобіну еритроцитів), температура, час пробопідготовки, геометричні розміри (довжина і внутрішній діаметр) і матеріал капіляра, а також його розташування відносно вертикалі.

Найпростіший облік динаміки ШОЕ дозволяє обчислити величину сигма-ШОЕ як суму значень, які фіксуються через рівні проміжки часу. Встановлено, що сигма-ШОЕ більш об'єктивно відображає динаміку псоріатичної хвороби в порівнянні з ШОЕ за Панченковим і, отже, є більш інформативним показником.

Дослідження фракційної реакції осідання еритроцитів (ФРОЕ) - дискретної реєстрації висоти стовпа чистої плазми кожні 5-15 хвилин протягом 2_3 годин дозволяє оцінити динаміку процесу і ввести нові діагностичні показники. Встановлено, що процес осідання еритроцитів не є монотонний, а динаміка процесу залежить не тільки від наявності або відсутності запалення, але й від загального стану людини. Параметри динаміки осідання відрізняються для крові здорових донорів та хворих і також можуть використовуватися для діагностики. Для спостереження динаміки ШОЕ необхідно багаторазове фіксування лаборантом границі розподілу "плазма-еритроцити", що може внести істотну похибку у побудову ШОЕ-грами.

Експериментальні дослідження з пробами крові здорових донорів показують, що границя розподілу фаз є розмитою. Це спричиняє значні (до 12%) похибки у визначенні ШОЕ та зниження вірогідності результатів. Для автоматизації визначення ШОЕ необхідно контролювати границю розподілу фаз при осіданні еритроцитів, що може бути здійснено оптичним методом. Використання даного методу вимагає рішення ряду задач: вибір та обґрунтування джерела і приймача випромінювання, обґрунтування методу отримання зображення границі розподілу фаз, вибір та обґрунтування алгоритму обробки зображення та розробка методики відображення результатів.

На основі аналізу можливих методів прискорення ШОЕ, показано, що седиментація в полі відцентрових сил є найбільш прийнятною.

Проведені експериментальні дослідження та аналіз графіків осідання еритроцитів у полі сил тяжіння та у полі відцентрових сил показали, що значення показників седиментації в характерних відліках часу корелюють, а деякі розходження в характері седиментаційних кривих можуть бути пояснені неоптимальними умовами експерименту.

Таким чином, аналіз динаміки ШОЕ в полі відцентрових сил є більш ефективним у порівнянні зі стандартним тестом, однак, значна трудозатратність результатів виміру обмежує застосування даного методу в медичній практиці. Отже, розробка нових методів і засобів автоматизації виміру ШОЕ є актуальною задачею. Для реалізації методу відцентрової седиментації необхідно вирішити ряд наукових і технічних задач: провести теоретичний аналіз процесу осідання формених елементів крові у полі відцентрових сил; оптимізувати параметри центрифугування; обґрунтувати оптимальний метод реєстрації границі розподілу фаз та вибрати метод відображення результатів виміру ШОЕ.

У другому розділі проведено аналіз існуючих фізичних та математичних моделей осідання еритроцитів, показано, що двохфазова модель (тверда фаза - формові елементи крові, рідинна фаза - плазма крові) адекватно відтворює характер седиментації.

Осідання часток, що агрегують, у тонкій довгій трубці в неоднорідному уздовж осі трубки полі відцентрових сил описується системою рівнянь, які випливають із законів збереження маси та імпульсів фаз, а також балансовим рівнянням для повного числа агрегатів N в одиниці об'єму середовища:

(1)

де , , - щільність, швидкість і тиск фаз відповідно,

- сили міжфазової взаємодії,

- швидкість утворення агрегатів,

- поле відцентрових сил, ,

- частота обертання диска з капілярами,

- відстань від позначки “0” капіляра до осі обертання.

Для опису сталого осідання еритроцитів з (1) отримаємо систему квазилінійних рівнянь першого порядку в частинних похідних:

(2)

де - , - дійсні щільності еритроцитів і плазми відповідно,

- об'ємна концентрація еритроцитів,

- середній об'єм агрегатів,

- в'язкість плазми,

- швидкість агрегації еритроцитів,

- безрозмірна функція, яка на підставі результатів віскозиметрії крові може бути записана у вигляді .

Початкові та граничні умови для системи (2) мають вигляд:

, при ;

при ,

де - початкова висота стовпа еритроцитів, які осідають.

Рішення системи (2) знайдено методом характеристик. Введемо безрозмірні величини , , , , , де - швидкість осідання, а - об'єм еритроцита.

Рівняння характеристик та умови на них мають вигляд:

I. уздовж (3)

II. уздовж (4)

де ; ; .

Рішення системи (2) знаходиться в області, обмеженій характеристиками сімейств I та II, що виходять з точок О(0,0), А(0,1), та відрізком ОА координатної осі (рис. 2а). Точки О та А відповідають вершині та дну седиментаційної трубки. На ОА виконуються умови в безрозмірному вигляді: , . Система (2) допускає розриви, умови на яких в безрозмірних змінних мають вигляд:

; , (5)

де індекси та відносяться до руху середовища по різні сторони від лінії розриву характеристики, що рухається зі швидкістю .

Один розрив, який відокремлює верхній шар чистої плазми () від шару агрегатів, що осідають ( ), має місце завжди. З (3) випливає, що траєкторія цього розриву збігається з характеристикою ОВ сімейства I. Для характеристик першого сімейства , оскільки . Нахил кривої залежить від початкової концентрації еритроцитів у пробі крові (рис. 2б).

Через кожну точку відрізку ОА проходить пара характеристик обох сімейств. Якщо , то в точці А бере початок сімейство характеристик, нахил яких безупинно зменшується від до , де відповідає максимально можливому упакуванню еритроцитів в осаді.

При нахил характеристик спочатку зростає зі збільшенням концентрації ( ), а потім зменшується ( ), тобто рішення задачі в областях ОВА і САВ безупинно не стикуються, отже у точці А має місце розрив, обумовлений співвідношенням (5). Після утворення розриву при варто шукати рішення системи (2) на інтервалах та окремо, а потім зшивати рішення, використовуючи (5) та умови .

Для характеристик другого сімейства тільки при . При стандартному розведенні крові антикоагулянтом (4:1) ця умова порушується тільки при вкрай низьких вихідних показниках гематокрита ( ). Отже, на всьому діапазоні фізіологічних концентрацій еритроцитів розв'язання задачі (2) існує.

В результаті чисельного дослідження системи (2) отримані розподіли концентрацій і об'єму агрегатів в області ОАВ (див. рис. 2а), положення характеристик обох сімейств і , а також значення параметра - моменту часу, починаючи з якого вплив дна капіляра позначається на русі границі розподілу зон чистої плазми й агрегатів, що осідають. Фізично це означає, що зона агрегатів, які осідають, при відсутня і нижче зони чистої плазми розташована тільки компактна зона, у якій відбувається ущільнення агрегатного кістяка та фільтрація плазми у верхню зону. При рух границі розподілу сповільнюється, тому є часом досягнення максимальної швидкості осідання - діагностично значимий показник.

Для перевірки адекватності моделі виконані за стандартною методикою експериментальні дослідження залежності від часу висоти стовпа плазми та швидкості осідання характерні для проб крові здорового донора.

При одночасному проведенні тесту динаміка осідання (криві ) суттєво розрізняється, однак значення для всіх кривих лежать у вузькому діапазоні значень.

Відповідно до математичної моделі гравітаційного осідання еритроцитів параметр є рішенням рівняння:

. (6)

Знаючи, за попередніми даними клінічного аналізу крові, величину для проби, що досліджується, і, визначаючи за графіком величину , розрахуємо по (6) значення швидкості агрегації еритроцитів k.

Аналіз результатів осідання еритроцитів у полі гравітаційних сил та при 12-хвилинному центрифугуванні, виконаних та оброблених за вищевикладеною методикою, показує що значення показника k, який відбиває патологічні властивості крові, знаходяться в межах одного порядку (табл. 1).

Таким чином, математична модель процесу седиментації формених елементів крові у полі відцентрових сил відбиває нерівномірність осідання і дозволяє виявити характерні показники цього процесу.

Адекватність фізичної та математичної моделі підтверджується експериментально.

Таблиця 1 Значення та k для стандартного тесту ФРОЕ та осідання в центрифузі

У третьому розділі розглянуті особливості технології проведення аналізу, обґрунтована методика реєстрації вимірювальної інформації та формування поля відцентрових сил, синтезована структурна схема пристрою, а також проаналізовані основні джерела завад при визначенні ШОЕ та методи їх усунення.

Технологія проведення експрес-аналізу ШОЕ відповідає стандартній, а змінюється лише метод вимірювання, що не призводить до зміни режиму лабораторного аналізу.

Аналіз відомих методів реєстрації границі розділу фаз підтверджує перспективність застосування оптоелектронного методу, суть якого полягає в реєстрації границі за допомогою джерела світла і лінійки фотоприймачів.

Обґрунтовано вимоги до джерела та приймача оптичного випромінювання, елементів оптичного каналу. Проаналізовані та обґрунтовані параметри механічної частини приладу, що дозволило вибрати параметри вимірювального диску з використанням стандартних капілярів та з дотриманням санітарних норм.

При вертикальному розташуванні диску на пробу крові впливають як відцентрова так і сила земного тяжіння. У процесі обертання відцентрова сила завжди спрямована від центра диска уздовж капіляра з кров'ю. Сила земного тяжіння змінює напрямок впливу на кут 2 щодо осі капіляра за один оберт диска центрифуги, тому осідання еритроцитів здійснюється під дією поля неоднорідної відцентрової сили з прискоренням в межах (n±1)g, де n - параметр, що характеризує величину відцентрової сили.

При горизонтальному розташуванні диска напрямок впливу сили ваги в процесі центрифугування не змінюється, що приводить до седиментації еритроцитів у напрямку, перпендикулярному основному осіданню. У результаті формується градієнт в'язкості проби крові в напрямку, перпендикулярному основному осіданню, що призводить до зміни характеру седиментаційних кривих. Візуальне спостереження розподілу еритроцитів у такому капілярі дозволило встановити причину нестійкості осідання - утворення пробок з конгломератів еритроцитів, які осідають на стінках капіляру.

Таким чином, вертикальне розташування диску дозволило сформувати поле відцентрових сил, в якому виникнення завад процесу седиментації є неможливим.

Теоретично розрахований та експериментально підтверджений вибір діапазону швидкості обертання диска центрифуги, що визначає величину відцентрової сили, яка діє на еритроцити та їхні агрегати. Вплив на еритроцити поля відцентрових сил 200-600 g не змінює властивостей часток крові, а при великих прискореннях спостерігається явище деформабельності еритроцитів, у результаті чого змінюються їх фізичні та хімічні властивості. При центрифугуванні проб крові з різною швидкістю були отримані наступні результати (рис. 5а, б).

При низьких (~300 об/хв) обертах диска центрифуги крива, що характеризує динаміку осідання еритроцитів носить нестійкий характер. При великих обертах диска (~900 об/хв) внаслідок того, що на еритроцити, які знаходяться на периферії діє велика відцентрова сила, відбувається розшарування біопроби, що істотно спотворює динаміку ШОЕ (наявність “плато” на графіку рис. 5б). При обертах диска 600 об/хв характеристика носить S-подібний характер, що найбільш точно відповідає динаміці ШОЕ, дослідженій за стандартною методикою.

Проаналізовані джерела похибок, які впливають на результати вимірювання ШОЕ, виділений ряд характерних груп. Найбільшу складову частину становлять методичні похибки (підготовка біопроб). Зменшення впливу похибок даної групи можна досягти завдяки строгому дотриманню підготовчих процедур. Апаратні похибки, серед яких слід виділити похибки зчитування, нестабільність центрифугування, похибки відображення та ін., визначаються особливостями побудови технічного засобу, використаного в ньому програмного й алгоритмічного забезпечення. Їхня величина оцінена під час метрологічних випробувань, що підтверджує метрологічний сертифікат.

У четвертому розділі розглянуті особливості отримання та алгоритми первинної обробки інформації про хід процесу седиментації.

В результаті аналізу особливостей формування бінарного масиву вимірювальної інформації при оптичному методі реєстрації результатів седиментаційних досліджень встановлено, що границя розподілу фаз є розмитою, крім того, можливе розшарування біопроби при центрифугуванні призводить до істотного спотворення результатів виміру (рис. 6).

Для попередньої обробки інформації формується ковзна рамка шириною n з позиції першого нуля в масиві, після чого підраховується кількість одиниць у ній.

При перевищенні отриманого числа одиниць заданого граничного значення m рамка ковзає масивом і зупиняється на позиції, наступній за попередньою рамкою нуля.

У такий спосіб перекривається наступний фрагмент масиву, який піддається аналогічній граничній обробці. Якщо число одиниць у рамці менше заданого, то сканування масиву в даному напрямку припиняється і призначається границя G₁. Наступним етапом обробки є сканування інформаційного масиву з протилежного кінця. При цьому послідовність дій залишається тією ж, але всі операції проводяться для значень елементів, протилежних описаним вище - рух рамки проходить у напрямку праворуч-ліворуч (від дна капіляра). Призначається рамка при зустрічі першої одиниці, а граничне обмеження встановлюється на кількість нулів. При невиконанні граничної умови переміщення рамки продовжується до позиції, наступної за аналізованою рамкою одиниці. При числі одиниць у фрагменту, що перекривається рамкою, меншому встановленого порога, сканування масиву припиняється й призначається границя G2 на позиції елемента перед останньою аналізованою рамкою. Потім знаходиться середнє арифметичне двох отриманих значень границь і округляється до цілого числа, що є позицією границі.

Для оцінки ефективності роботи алгоритмів розроблена тестова модель у вигляді бінарного інформаційного масиву даних, що складається з трьох зон: зони плазми, перехідної і зони еритроцитів, які мають різні значення ймовірності появи нулів і одиниць.

Проведено порівняння запропонованого алгоритму з розробленими раніше [4] за параметрами границі як випадкової величини. Аналіз даних показав, що запропонований алгоритм має кращі статистичні показники. Ефективність роботи алгоритму підтверджена експериментальними дослідженнями.

У пятому розділі на підставі експериментальних даних проведено аналіз діагностичних показників седиментації та обґрунтована доцільність використання нового діагностичного показника для оцінки стану здоров'я пацієнтів, хворих на лікарську хворобу.

При проведенні експериментальних дослід-жень встановлено, що максимум осідання проб крові здорового донора в полі сил гравітації та в полі відцентрових сил спостерігається значно пізніше, ніж при патологіях.

Результати розрахунків основних седиментаційних показників для контрольної групи здорових донорів приведені в табл. 2. Тут і далі використовуються наступні позначення:

- ШОЕ_g - значення часового показника при гравітаційному осіданні;

- ШОЕ_ц - значення хвилинного показника при осіданні в центрифузі;

- час досягнення максимуму при гравітаційному осіданні;

- час досягнення максимуму при осіданні в поле відцентрових сил;

Таблиця 2 Основні седиментаційні показники (на прикладі 12 пацієнтів)

Для оцінки інформативності седиментаційних показників проведена обробка результатів обстеження 92 пацієнтів з використанням методів математичної статистики (табл. 3,4).

Таблиця 3 Основні статистичні показники в нормі

Таблиця 4 Кореляційний аналіз седиментаційних показників

Статистична обробка приведених показників дозволяє виділити більш інформативні з числа розглянутих (див. табл. 3), оскільки CKВ(%) для має мінімальне значення при однорідності вибірки.

Наявність кореляційної залежності між часом досягнення максимуму осідання та стандартним показником ШОЕ (див. табл. 4) підтверджує правильність його вибору. У той же час діагностична цінність хвилинного показника ШОЕ_ц обмежена в силу нестабільності процесу осідання в полі відцентрових сил.

Проведена оцінка діагностичної ефективності тестів у групах “норма” і “патологія”. Результати дослідження лабораторного тесту формують дві криві, що взаємно накладаються одна на одну (рис. 9а). Результати статистичної обробки результатів седиментаційних досліджень 40 практично здорових донорів і 52 хворих пацієнтів представлені на рис. 9б - у постановці тесту за Панченковим, рис. 9в, г - визначення максимуму осідання в поле сил гравітації і відцентрових сил відповідно.

За границю областей “норма” і “патологія” прийняті точки перетинання відповідних профілів (Гр2 на рис. 9а), що забезпечує рівномірну гіпо- та гіпердіагностику: ШОЕ=12 мм, =90 хв, =240 с.

Аналіз співвідношення дійсних та помилкових (негативних та позитивних) результатів тестів дозволив провести оцінку діагностичної ефективності (табл. 6).

Таблиця 6 Оцінка діагностичної ефективності

Кількісна оцінка діагностичної ефективності седиментаційних показників дозволяє затверджувати наступне: визначення максимальної швидкості як при гравітаційному осіданні, так і при осіданні в центрифузі дозволяє з більшою ймовірністю діагностувати патологічні стани в порівнянні зі стандартним методом; стійкість осідання в поле відцентрових сил визначає велику ефективність, специфічність і чутливість тесту в порівнянні з динамікою гравітаційного осідання.

Висновки

6. Обґрунтовані параметри поля відцентрових сил, розроблені вимоги щодо режиму центрифугування та механічної частини приладу, що дозволило вибрати параметри вимірювального диску з використанням стандартних капілярів та проведення дослідження з дотриманням санітарно-гігієнічних норм.

7. Обґрунтовано застосування оптичного методу автоматичного визначення межі розподілу “плазма крові - формові елементи”. Обґрунтовано вимоги до джерела та приймача оптичного випромінювання, елементів оптичного каналу.

8. Розроблено алгоритм обробки бінарного інформаційного масиву даних про динаміку процесу седиментації в реальному масштабі часу. Ефективність роботи алгоритмів перевірена на розробленій тестовій моделі, яка відтворює особливості різних фаз процесу седиментації, та підтверджена експериментально.

9. Запропонований новий діагностичний показник - час досягнення максимуму седиментації в полі нерівномірних відцентрових сил. Обґрунтовано застосування методу оцінки стану об'єкта на основі аналізу нового діагностичного показника.

10. Синтезована функціональна схема лабораторного комплексу відцентрової седиментації формових елементів крові та розроблені рекомендації щодо медико-технічних вимог на новий засіб вимірювальної техніки медичного призначення.

11. Розроблений дослідний взірець пристрою відцентрової седиментації еритроцитів крові. Проведені клінічні випробування пристрою підтвердили теоретичні уявлення про процес відцентрової седиментації. Досягнуто підвищення ефективності діагностики лікарської хвороби до 86% у порівнянні з 76% за стандартними методиками.

Публікації за темою дисертаційної роботи

1. Дацок О.М. Компьютерный комплекс исследования центробежной седиментации эритроцитов // Вестник национального технического университета "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2001. - №4. - С. 47 - 50.

2. Дацок О.М., Жолонский Е.Н., Кизилова Н.Н. Анализ седиментации эритроцитов в неоднородном поле сил // Электроника и связь. - 2002. - №15. - С.145-149.

3. Дацок О.М., Жолонский Е.Н., Кизилова Н.Н. Двухфазная модель оседания эритроцитов в неоднородном поле сил // Вестник национального технического университета "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2002. - №12. - С. 147 - 152.

4. Дацок О.М., Саклакова И.В. Оптическая обработка результатов седиментационных исследований // Радиотехника. - Харьков:ХНУРЭ. - 2002. - №131. - С.134 - 139.

5. Дацок О.М., Величко О.Н. Анализ диагностических показателей седиментации форменных элементов крови // Вестник национального технического университета "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2003. - №19. - С. 7 - 12.

6. Солошенко Э.Н., Даник Ю.Г., Остроухов В.Д., Дацок О.М. Обнаружение специфического аллергена с помощью использования нового источника информации // Дерматология и венерология. - 2001 - №3. - С.16 - 18.

7. Дацок О.М., Саклакова И.В. Особенности фиксирования границы раздела плазма - эритроциты // Труды Междунар. научн.-техн. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Туапсе. - 2001. - С.209-210.

8. Дацок О.М., Саклакова И.В. Обработка результатов седиментационных исследований // Сб. науч. трудов по матер. 6-го межд. форума "Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке. - Харків: ХНУРЕ. - 2002. - Ч.1. - С.329-330.

9. Дацок О.М., Адаменко Ю.В. Способ стабилизации частоты вращения медицинской центрифуги // Труды Междунар. конф. "Молодежь и электроника в XXI веке". - Харків: ХНУРЕ. - 2003. - С. 642.

10. Дацок О.М., Ткаченко И.А. Многоэлементные фотоэлектронные преобразователи для седиментационных исследований // Труды Междунар. конф. "Молодежь и электроника в XXI веке". - Харків: ХНУРЕ. - 2003. - С. 642.

Размещено на Allbest.ru