Інформаційно-вимірювальна система для визначення товщини шкіри людини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інформаційно-вимірювальна система для визначення товщини шкіри людини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Знання про товщину шкіри людини є актуально-необхідною інформацією для успішного проведення пластичних та косметичних операцій. Отримання такого роду відомості можуть бути шляхом створення як фізичних так і математичних методів вимірювання, а також інформаційно-вимірювальних систем і установок.

Відомо, що шкіра людини є складним біооб'єктом дослідження, який характеризується низкою фізичних параметрів: пружністю, деформацією, електричними потенціалами, вологістю, електричним опором, рельєфом поверхні, температурою, коліром, товщиною, електричною провідністю, ряд із них відносять до випадкових. Серед перелічених параметрів найбільшого використання отримали електрична провідність і електричний опір. По-перше, їм приділена значна увага в літературних джерелах; по-друге, оцінювати значення багатьох фізичних параметрів шкіри (вологість, товщину і т.д.) можна вимірюючи електричну провідність або опір; по-третє, завдяки відомим значенням електричних параметрів шкіри, можна проводити діагностику і контроль процесу реабілітації як різних захворювань, наприклад: щитовидної залози, териотоксикозу, виразки шлунку, різноманітних дерматозів так і всього організму. Це дає підставу для дослідження товщини шкіри використовувати саме електрофізичні методи.

Піонерами в дослідженні природи електричних явищ у живих організмах вважають Луїджі Гальвані та Алессандро Вольта, їх дослідження припадають на 1786 рік. Перші кроки по дослідженню електричних параметрів шкіри були зроблені ще в 1848 році Дюбуа-Реймоном (Du Bois Reymond) та пізніше на прикінці ХІХ століття двома дослідниками - російським І.Р. Тархановим і французьким Фере у 1888 році.

На сьогодні, в нашій державі, у клінічній практиці майже не використовуються серійні прилади та інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) для визначення товщини шкіри людини. Для визначення фізичних параметрів шкіри людини в ряді випадків застосовують прилади власноручного виготовлення, модулі інших приладів, інтерпретацію результатів вимірювання яких важко проводити. Має місце також використання виготовлених промисловістю приладів «'ДЕРМОДИАГНОСТ ДД-1'', «'СКИФ-1'' для вимірювання електричних параметрів шкіри людини - електричного опору, електричної провідності, а також для цих же цілей застосовують мостові схеми: міст змінного струму Р5010, міст Уітстона, міст Кольрауша.

У зв'язку з цим, для розв'язку актуальних практичних задач клінічної хірургії - проведення операцій автодермопластики, відновлення шкірних покровів, важливим і своєчасним є розробка та обгрунтування фізичних і математичних методів вимірювання та створення на їх основі інформаційно-вимірювальних систем.

Основний зміст

шкіра стохастичний інформаційний вимірювальний

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, відзначено зв'язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну отриманих результатів, їх практичне значення, а також розкрито питання апробації результатів дисертації та їх висвітлення у друкованих працях.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено огляд матеріалів першоджерел по дослідженню фізичних параметрів шкіри, а також огляд сучасного стану наукових досліджень стосовно визначення фізичних параметрів шкіри. Встановлено, що існуючі на сьогодні прилади є застарілими і знятими з виробництва. Питання стосовно їх метрологічних характеристик та інтерпритації результатів вимірювання на основі їхнього використання у даній галузі біотехніки в значній мірі потребують більш глибоких досліджень.

Показано, що на даний час, напрям біотехніки - медична техніка, яка займається питаннями розробки нового технічного устаткування для медицини, зокрема для пластичної і косметичної хірургій, потребує створення нової техніки для розв'язку задачі визначення товщини шкіри людини.

У другому розділі розроблені основні положення наукового підходу щодо методу розв'язування задачі визначення товщини шкіри людини.

Зокрема, показано, що задача визначення товщини шкіри людини є подібною до оберненої задачі математичної фізики - задачі електророзвідки. По методу традукції, в даній дисертаційній роботі використано один із поширених методів електророзвідки - електричне зондування. Застосування даного методу і його специфіки в науковій задачі дисертаційної роботи дало можливість побудувати фізичну модель досліджуваного середовища - верхніх тканин тіла людини (на ділянках: живота, спини, бедр, сідниць, де hш<<hж) у вигляді двошарового півпростору шкіра-жир (рис. 1). Ідея електричного зондування полягає в тому, що двома живлячими електродами a і b, які розміщені на віддалі L, інжектується генератором струму зондуючий струм I в середовище верхніх тканин (шкіра-жир) тіла людини, а двома іншими електродами m і n, які підключені до вимірювального пристрою, вимірюється викликана різниця потенціалів UMN.

Виходячи з того, що природа поля питомого електричного опору тканини шкіри і жирової клітковини є випадковою, в розділі обгрунтовано використання усередненого значення поля питомого електричного опору шкіри при розрахунках.

Сформульовано математичну постановку задачі визначення товщини шкіри людини у вигляді стохастичної змішаної краєвої задачі на основі використаня фізики електричного поля постійного струму в провідних середовищах з рівнянням Лапласа в точках, які не містять зондуючих електродів.

U (, x, y, z)=0,

де - оператор Лапласа;

;

- елементарна випадкова подія.

Граничними умовами на границі розділу середовищ шкіра-жир:

,

де Uш (, x, y, z) - випадкове потенціальне поле в середовищі тканини шкіри;

Uж (, x, y, z) - випадкове потенціальне поле в середовищі жирової клітковини.

,

ш (x, y, z) - усереднене значення поля питомого електричного опору тканини шкіри;

ж (, x, y, z) - випадкове поле питомого електричного опору жирової клітковини.

А також на поверхні шкіри

,

де

=I/p,

- густина струму;

p - довжина електродів.

Виходячи з ізотропності полів ш (x, y, z) та ж (, x, y, z), автором отримано розв'язок прямої стохастичної змішаної краєвої задачі з якого встановлено аналітичну залежність між викликаною різницею потенціалів UMN і товщиною тканини шкіри hш, яка має наступний вид

, (1)

де I - зондуючий струм;

ш - усереднений питомий електричний опір тканини шкіри;

l - віддаль між вимірювальними електродами m і n;

L - віддаль між інжектуючими електродами a і b;

kшж=(ж-ш)/(ж+ш) - коефіцієнт відбивання;

Iш - нормовані.

Крім того, показано, що коли використовувати для віддалі L між живлячими електродами a і b числові значення, які перевищують суму hш+hж - товщини тканини шкіри і жирової клітковини, то на числові значення викликаної різниці потенціалів будуть впливати тканини, які знаходяться більш глибоко відносно поверхні тіла людини, наприклад, м'язева тканина, питомий електричний опір якої значно залежить від її кровонаповнення, що циклічно змінюється із роботою серця.

Показано, що в такому разі, для математичного опису викликаної різниці потенціалів, який би враховував стохастичність, можна використати математичну модель у вигляді лінійного випадкового процесу, зокрема, як частинний випадок, лінійний періодичний випадковий процес.

,

де (t,) - детермінована функція, яка належить L2 (-),

() - породжуючий випадковий процес з незалежними (інколи періодичними) приростами.

Якщо процес () є гільбертовим стохастично неперервним процесом, а також однорідним стохастично неперервним випадковим процесом з незалежними приростами, то логарифм одновимірної характеристичної функції у формі Колмогорова визначається виразом

,

де параметри m і K(x) знаходяться з виразів

.

Функція K(x) називається пуассонівським спектром стрибків у формі Колмогорова, при цьому вважається, що K(-)=0.

У третьому розділі проведено кількісні дослідження з метою підтвердження вибраних раніше основних положень наукового підходу до розв'язування задачі визначення товщини шкіри людини на основі натурного моделювання з використанням електропровідного паперу та імітаційного моделювання на ЕОМ.

Для цього обгрунтовано перехід від просторової задачі (рис. 1) до плоскої в площині перерізу (рис. 2а) на основі того, що потенціальне поле є однорідним вздовж вісі на ділянках віддалених від країв електродів. Цей принцип покладено в основу натурного моделювання на плоских двосмужкових зразках виготовлених з електропровідного паперу (рис. 2б) у яких довжина першої та другої смужки c>>L - віддалі між інжектуючими електродами і , а також ширина другої смужки d>>h - ширини першої смужки.

Для них встановлено аналітичну залежність викликаної різниці потенціалів UMN від ширини h верхньої смужки, яка має вид

,

де - поверхневий питомий електричний опір верхньої смужки;

- зондуючий струм;

- віддаль між вимірювальними електродами і ;

- віддаль між живлячими електродами і ;

h - ширина верхньої смужки;

k12= - коефіцієнт відбивання.

покладена в основу імітаційного моделювання на ЕОМ.

В результаті проведеного імітаційного моделювання на ЕОМ отримано параметричне сімейство залежностей ширини h верхньої смужки електропровідного паперу, при фіксованій віддалі , i= між інжектуючими електродами і , від викликаної різниці потенціалів UMN=. Елементи такого параметричного сімейства називаються градуювальними кривими h(), i= (числові значення для задані в метрах і подані в табл. 1).

Таблиця 1. Дискретні значення відстані , i= між інжектуючими електродами і

Аналогічно цьому в результаті натурного моделювання, також отримано параметричне сімейство градуювальних кривих h(), i=, які відображають залежності ширини h верхньої смужки електропровідного паперу, при фіксованій віддалі , i= між інжектуючими електродами і , від викликаної різниці потенціалів .

Як кількісний критерій порівняння між відповідними градуювальними кривими сімейств h() і h() i= використано метрики метричних функціональних просторів реалізацій l1 і l2.

На рис. 3а наведено залежність віддалі 1 в просторі l1, а на рис. 3б залежність віддалі 2 в просторі l2 між градуювальними кривими отриманими внаслідок імітаційного моделювання в залежності від - відстані між інжектуючими електродами і , i=.

Віддаль 1 обчислено по формулі

i=, (2)

а віддаль 2 обчислено по формулі

i=, (3)

Таблиця 2. Значення для меж інтегралу

Оскільки, в формулах (2) та (3) змінні і мають одинаковий фізичний зміст (напруги), то під знаком диференціала в інтегралах використання змінної є еквівалентним використанню змінної .

У четвертому розділі запропонована конструкція давача (рис. 4), який складається з десяти електродів (п'яти пар), які по своїй формі є лінійними і паралельними між собою. В якості електродів вибрані леза (для гоління). Ізольовані електроди один від одного електроізоляційним картоном. Вимірювальними електродами M і N є пара, утворена 5-им і 6-им лезами. Інжектуючими електродами A, B є пари, утворені наступними лезами: 4-им і 7-им; 3-ім і 8-им; 2-им і 9-им; 1-им і 10-им. Фіксування між собою електродів відбувається за допомогою двох зажимних пластин (які виготовлені з органічного скла), що стягуються двома зажимними (ебонітовими) болтами і гайками. До кожного електрода підведений вивід. Показано, що при роботі з дослідним зразком ІВС під час вимірювання товщини шкіри людини ефективно використовувати пару інжектуючих електродів, що складається з 3-го і 8-го леза, оскільки, пара інжектуючих електродів (утворена 4-им і 7-им лезами) для всього інтервалу вимірювання товщини шкіри [1 мм; 3 мм] не дає можливості здійснювати оцінювання математичного сподівання викликаної різниці потенціалів з довірчою ймовірністю P>0,99, а використання пар інжектуючих електродів (утворених 2-им і 9-им; 1-им і 10-им лезами) дає малий динамічний діапазон значень викликаної різниці потенціалів, що потребує додаткових фінансових витрат на використання низькошумових диференційних підсилювачів, яке є не доцільним, оскільки всі ці питання зникають при використанні пари інжектуючих електродів утвореної 3-ім і 8-им лезами, які використані при роботі з системою.

Розроблений давач є основним елементом інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини. На основі нього побудовано структурно-функціональну схему ІВС (рис. 5), яка використана при розробці дослідного зразка ІВС для визначення товщини шкіри людини.

Таблиця 3. Метрологічні характеристики окремих вузлів ІВС

Визначено загальну похибку інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини. Зокрема, її порядок 20% з ймовірністю P>0,99. Розглянуто питання визначення питомого електричного опору шкіри на основі вимірювання викликаної різниці потенціалів при різних віддалях між інжектуючими електродами. Базуючись на розв'язку прямої задачі (1), здійснено статистичне імітаційне моделювання, в основу якого покладено генерування вибірки об'ємом s=100 гауссівської випадкової величини ж (m=0.037Ом м, =0.012Ом м) і формула

, (4)

при наступних конкретних значеннях параметрів I=100мкА - діюче значення зондуючого струму, ш=1,63Ом м - усереднений питомий електричний опір шкіри, l=2м - віддаль між вимірювальними електродами M і N, L=-м - віддаль між інжектуючими електродами A і B, kшж=(ж-ш)/(ж+ш) - коефіцієнт відбивання, hш[1 мм; 3 мм].

По отриманій вибірці UMN(hш), k=, здійснено статистичне оцінювання параметрів: математичного сподівання - згідно

(hш)=UMN(hш)

та дисперсії - згідно

.

Довірчі ймовірності для оцінки визначено по формулі (6) для фіксованого інтервалу довіри

m(hш)-m(hш)+, (5)

де порядка .

P (6)

де Ф(x) - функція Лапласа.

Для застосування дослідного зразка ІВС у клінічній практиці, наведено опис проведення вимірювань товщини шкіри людини з його використанням, який являє собою сукупність операцій, що виконуються в такій послідовності:

- вмикається живлення вузлів ІВС;

- на генераторі напруги перемикач частоти встановлюється у положення 1кГц, а перемикач діючого значення напруги у положення 1В;

- давач стороною електродів прикладається до досліджуваної ділянки тіла і закріплюється ремнем тонометра, який накачується до тих пір, поки стрілка тонометра не досягне поділки 60;

- комутатор встановлюється у положення підключення пари інжектуючих електродів утвореної 4-им і 7-им лезами;

- з індикаторного екрану вимірювального пристрою фіксується значення викликаної різниці потенціалів, і так повторюється, поки об'єм вибірки не становитеме 10 значень, які вводяться в ЕОМ;

- комутатор встановлюється у положення підключення пари інжектуючих електродів утвореної 3-ім і 8-им лезами;

- з індикаторного екрану вимірювального пристрою фіксується значення викликаної різниці потенціалів, і так повторюється, поки об'єм вибірки не становитеме 10 значень;

- дана вибірка вводиться в ЕОМ і за допомогою неї здійснюється обчислення оцінки математичного сподівання, оцінки дисперсії, довірчої ймовірності, побудова градуювальної кривої;

- по значенню оцінки математичного сподівання за допомогою градуювальної кривої визначається числове значення товщини шкіри з відносною похибкою =20% і довірчою ймовірністю P>0,99.

А також в даному розділі здійснено порівняння числових значень товщини шкіри людини визначених за допомогою дослідного зразка розробленої ІВС з їх дійсними числовими значеннями, що дало можливість підтвердити достовірність результатів вимірювання розробленою інформаційно-вимірювальною системою.

Таким чином, в результаті проведеної роботи створено ІВС для визначення товщини шкіри людини, яка працює в діапазоні вимірювання товщини шкіри людини 1 мм-3 мм з відносною похибкою 20%, довірчою ймовірністю P>0,99.

Висновки

1. Вперше обґрунтовано метод вимірювання товщини шкіри людини на основі викликаної різниці потенціалів, яка виникає внаслідок зондування струмом верхніх тканин тіла людини і залежить від товщини шкіри людини.

2. Сформульовано математичну постановку задачі визначення товщини шкіри людини у вигляді стохастичної змішаної краєвої задачі математичної фізики і отримано її розв'язок, що дало можливість проводити кількісні дослідження товщини шкіри людини.

3. Одним із основних результатів розв'язуваної стохастичної краєвої задачі для практичних вимірювань товщини шкіри людини є встановлення математичної залежності між товщиною шкіри і оцінкою математичного сподівання викликаної різниці потенціалів у вигляді градуювальної кривої.

4. На базі розробленого давача, який реалізує метод електричного зондування обгрунтовано структурно-функціональну схему інформаційно-вимірювальної системи, яка дала можливість розробити дослідний зразок ІВС, що працює в діапазоні вимірювання товщини шкіри людини 1 мм-3 мм з відносною похибкою 20%, довірчою ймовірністю P>0,99, що відповідає вимогам медичної техніки.

5. Порівняльний аналіз результатів імітаційного моделювання і вимірювання реальних зразків шкіри з використанням дослідного зразка ІВС підтвердили ефективність запропонованих фізичних і математичних методів вимірювання товщини шкіри людини, а також метрологічні характеристики розрахункові і практичні.

6. Основні положення наукового підходу до визначення товщини шкіри людини і результати проведених досліджень, які впроваджені в клінічну практику, можна рекомендувати для більш широкого використання в області біотехніки.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

Марченко Б.Г., Пастух О.А. Застосування методу електричного зондування в задачі визначення товщини шкіри для пластичної хірургії // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2000. - №4. - С. 144-150.

Пастух О.А. Використання стохастичного рівняння Лапласа в задачі визначення товщини шкіри людини // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - №1. - С. 165-170.

Млинко Б.Б., Пастух О.А., Фриз М.Є. Обґрунтування вибору математичної моделі ритмічного сигналу, породженого циклічними змінами пульсового кровонаповнення // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - №2. - С. 100-103.

Пастух О.А. Інформаційно-вимірювальна система для визначення товщини шкіри людини // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - №3. - С. 129-131.

Марченко Б.Г., Пастух О.А., Млинко Б.Б. Вимірювання товщини одного із шарів плоского двошарового півпростору з різною електропровідністю // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. - 2001. - №5. - С. 126-131.

Размещено на Allbest.ru