Розробка біомедичних інформаційно-вимірювальних систем на основі сквід-магнітометрів та технології їх застосування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова

УДК 004.031.4:621.317.4

05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

РОЗРОБКА БІОМЕДИЧНИХ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ НА ОСНОВІ СКВІД-МАГНІТОМЕТРІВ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Будник Микола Миколайович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Войтович Ігор Данилович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Довбиш Анатолій Степанович, Сумський державний університет, факультет електроніки та інформаційних технологій, завідувач кафедри інформатики,

доктор технічних наук, доцент, старший науковий співробітник Лисенко Олександр Миколайович, Національний технічний університет України «КПІ», факультет електроніки, завідувач кафедри конструювання електронно-обчислювальної апаратури,

доктор технічних наук, доцент, старший науковий співробітник Петрухін Володимир Олексійович, нститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, провідний науковий співробітник

Захист відбудеться «4» листопада 2009 р. о (об) 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.194.03 у малому конференц-залі Інститута кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України за адресою:03680, МСП, Київ - 187, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці інституту.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради В.O. Романов

Автореферат розісланий «24» вересня 2009 р.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток інформаційних технологій (ІТ) на сьогодні є одним із пріоритетних напрямків науково-технічного прогресу як в Україні, так і в усьому світі. Застосування ІТ у всіх сферах життя спричиняє ріст матеріального добробуту та якості життя. З огляду на це впровадження ІТ ставить все нові завдання перед їх розробниками. Особливо це актуально для України, де рівень впровадження ІТ суттєво відстає від потреб.

Складні ІТ структурно мають вигляд інформаційно-вимірювальних систем (ІВС), але з точки зору впровадження не менш важливою є й третя складова, тобто людський фактор. Тому, крім вимог відносної дешевизни і економічної ефективності, ІТ має також відповідати психофізіологічним та ергономічним вимогам, - бути відносно простою у користуванні, зручною та безпечною для персоналу.

Ці вимоги значно посилюються для біомедичних ІТ де, крім обслуговуючого персоналу, об'єктом, на який безпосередньо направлена дія засобів ІВС, є біологічні матеріали або живі організми, включаючи організм людини. Для таких ІТ особливу увагу займають питання безпечності й гуманності, унеможливлення ситуацій, при яких людині чи тварині можуть бути нанесені ушкодження.

Дисертація присвячена питанням розробки та впровадження ІВС медико-біологічного профілю, які включають надчутливі СКВІД (надпровідниковий квантовий інтерференційний датчик)-магнітометри, що працюють в умовах кріогенних температур. Принцип дії ІВС полягає у вимірюванні та обробці надслабких магнітних сигналів від біологічних речовин, тварин чи органів людини. Вона може бути застосована до діагностики хвороб людини, скринінгу з метою виявлення хвороб, моніторингу ефективності терапії чи хірургічного втручання, а також для наукових досліджень з метою вивчення як нормофізіологічних процесів, так і причин виникнення патофізіологічних станів у людини.

Для вирішення поставлених задач важливе значення мали праці І.Д. Войто-вича, О.В. Баума, Я.С. Грінберга, В.І. Козловського, А.С. Довбиша, К.K. Ліхарєва, О.М. Лисенка, О.П. Мінцера, В.В. Шниркова, В.О. Петрухіна, М.А. Пріміна, В.М. Сосницького, Л.А. Стаднюка, Л.І. Титомира, Л.С. Файнзільберга, М.І. Шлезін-гера, В.А Яценка, J. Malmivuo, J.Vrba, P. van Leeuwen, O. Dossel та інших.

Однак для впровадження таких ІТ необхідно вирішити ряд завдань. Основні з них - відносна (порівняно із зарубіжними аналогами) дешевизна, надійність при тривалій експлуатації, електромагнітна сумісність та стійкість до зовнішніх випромінювань, простота в обслуговуванні, можливість роботи у звичайних приміщеннях клінік чи наукових установ без додаткових витрат на їх дообладнання та ін.

Для надпровідникових приладів це досить складні завдання, тому що надчутливі cенсори - СКВІДи працюють у жорстких умовах наднизьких температур всередині гелієвих кріостатів, так що доступ для налагодження практично неможливий. Це накладає великі вимоги як до якості їх виготовлення, так і до точності їх розрахунку. Водночас надпровідникова електроніка є специфічною галуззю електроніки, де розрахунок ускладнений сильною нелінійністю основного активного елемента - джозефсонівського контакту (ДК) та макроскопічною квантовою когерентністю хвильових функцій носіїв струму - куперівських пар.

Інший аспект стосується впровадження ІТ. Незважаючи на переваги ІТ перед важкими, рутинними і монотонними способами виконання дій з низькою ефективністю, які застосовувалися у докомп'ютерну еру, часто їх впровадження наштовхується на значні труднощі. Наприклад, широко відомі переваги неінвазивного методу магнітокардіографії (МКГ), серед яких автор вважає головними три:

інструментальна - метод не тільки неінвазивний, а й безконтактний;

стосовно безпеки - метод пасивний, отже не здійснює на організм людини не тільки шкідливих, а взагалі - ніяких впливів;

методична - тільки даний метод дозволяє реконструювати розподіл струмів у серці завдяки великій магнітній однорідності тіла людини.

Проте наявність переваг сама по собі не забезпечує впровадження нової ІТ - це вимагає розробки методичного забезпечення (насамперед інструкції з медичного застосування), проведення медичних випробувань та оформлення їх результатів. Проте видані в Україні 10 років тому методичні рекомендації по МКГ досить застаріли, а тому розробка нового методичного забезпечення на сьогодні є актуальною.

Таким чином, з огляду на відсутність на сьогодні вирішення у повному обсязі цілого ряду проблем, які гальмують впровадження ІТ біомедичного призначення у практику, тема дисертації є актуальною. У ній узагальнено результати робіт автора, виконаних та опублікованих протягом останніх 12-ти років (1997-2008 рр.).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках наступних програм і тем:

- "Розробка комплексної технології оцінки ефективності та прогнозування дії лікарських засобів у хворих з порушеннями серцевого ритму та ризиком раптової серцевої смерті на основі неінвазивних методів реєстрації електричної та магнітної активності серця" (1996-1998 рр., Ін-т кардіології імені М.Д. Стражеска АМН України);

- "Інтегровані технології та системи реєстрації, обробки та відображення сигналів" (1997-1999 рр., ІК НАН України, реєстр. № 0198U005041) - відповідальний виконавець;

- ДНТП 1997 № 06.06/01803 “Розробка і впровадження проблемно-орієнтованого комплексу для діагностичних досліджень магнітних полів людини” (1997-2000 рр., ІК НАН України, реєстр. № 0197U005617) - відповідальний виконавець;

- “Розробка нових методичних підходів та діагностичних критеріїв оцінки структурно-функціонального стану різних відділів серця у хворих з порушеннями коронарного кровообігу та аритміями серця” (1998-2000 рр., Ін-т кардіології імені М.Д.Стражеска АМН України);

- ВФ220.03 "Дослідження і розробка автоматизованих мультисенсорних систем для діагностичних задач у медицині та екології" (2000-2003 рр., ІК НАН України, реєстр. № 0100U002652) - відповідальний виконавець;

- проект НТЦУ № 2187 “Надчутливий магнітокардіографічний комплекс для раннього виявлення, точної діагностики і моніторингу захворювань серця” (2001-2004 рр., реєстр. № 0105U006361) - заступник керівника проекту;

- ВФ220.06 "Розробити нові ІТ, прилади та системи на основі реєстрації і обробки сигналів біологічного, хімічного та екологічного походження" (2004-2008 рр., реєстр. № 0104U000277) - відповідальний виконавець;

- проект НТЦУ № 3074 “СКВІД-магнітометрична система для контролю за магнітними контрастуючими агентами і керованим транспортом ліків на магнітних носіях” (2006-2008 рр.) - заступник керівника проекту.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи - вирішення актуальної науково-прикладної проблеми створення інформаційно-вимірювальних систем біомедичного призначення на основі СКВІД-магнітометрів, розробки нових математичних методів обробки даних та методичного забезпечення, орієнтованих на впровадження біомедичних інформаційних технологій у практику.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішені такі основні завдання: вимірювальний біомедичний математичний інформаційний

- розробка теоретичних основ роботи основних елементів надпровідникової електроніки - СКВІДів та методів розрахунку СКВІД-магнітометрів, оптимізація конструкцій і режимів роботи біомагнітної апаратури як технічної компоненти ІВС;

- створення ряду ІВС біомедичного призначення та експериментальне виявлення їх цінності (корисного ефекту), вирішення практичних питань розробки, сертифікації та підготовки до виробництва дослідних зразків ІВС;

- створення математичного (методи обробки, аналізу даних та розпізнавання зображень електромагнітного походження), методичного та інформаційного забезпечення ІВС, які реалізують оптимальні методи пошуку діагностичних критеріїв та класифікації пацієнтів, для підготовки до їх впровадження у клінічну практику (на прикладі технології магнітокардіографії).

Об'єкт дослідження - надпровідникові квантові інтерферометри (СКВІДи), СКВІД-магнітометри, біомагніт на вимірювальна апаратура, ІВС, біомагнітні зображення (карти) та статистичні масиви кількісних біомедичних параметрів, пацієнти з різними кардіологічними захворюваннями та лабораторні тварини.

Предмет дослідження - математичні моделі певної предметної області ІТ - технології біомагнітних досліджень, у першу чергу - МКГ, фізико-математичні моделі СКВІДів, інженерно-технічні методи розрахунку СКВІД-магнітометрів, методи оптимізації біомагнітних вимірювачів (магнітокардіограф, біосасептометр) та біомедичних ІВС на їх основі, а також методи обробки та інтерпретації біомедичної інформації, у тому числі - методи аналізу і розпізнавання зображень, статистичної обробки даних, пошуку діагностичних критеріїв та оцінки точності тестів, методи класифікації груп обстежених осіб у багатовимірних нечітких просторах ознак.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження СКВІДів виконано на основі методів: відшукання рівноважного стану фізичних систем на основі мінімуму вільної енергії, розв'язання систем нелінійних алгебраїчних рівнянь, дослідження параметрично/неявно заданих функцій, нелінійних диференційних рівнянь 2-го порядку.

Розрахунок магнітометрів базувався на асимптотичних методах дослідження нелінійних диференційних рівнянь, методів розв'язування систем лінійних алгебраїчних рівнянь, теорії антен, відшуканні екстремумів функцій, багатокритеріальної оптимізації, також були використані рівняння електро- та магнітостатики.

При розробці нових методів обробки біомедичних даних використано методи: дискримінації груп пацієнтів на основі емпіричних статистичних функцій розподілу, ROC-аналізу, Фур'є-аналізу зображень, пошуку узагальнених діагностичних критеріїв, класифікації в нечітких просторах ознак, синтезу багатозначних правил.

Наукова новизна одержаних результатів.

Положення, що виносять на захист:

1) теоретичні основи рівноважної динаміки багатоконтактних надпровідникових квантових інтерферометрів (СКВІДів);

2) методи інженерно-технічних розрахунків параметрів, конструкцій і режимів роботи СКВІД-магнітометрів та методи оптимізації надчутливої біомагнітної апаратури (магнітокардіограф, біосасептометр);

3) зразки біомедичних ІВС - біосасептометричної та магнітокардіографічної, розробка якої оформлена згідно ДСТУ та інших нормативно-технічних документів, та експериментальне виявлення здатності СКВІД-магнітометричних систем до різних застосувань;

4) методи аналізу, класифікації та розпізнавання зображень електромагнітного походження на основі 2D ПФ із застосуванням: а) різних типів спектрів, б) деком-позиції зображень на ряд образів, в) генерації похідних векторних образів;

5) методи класифікації елементів множини, утвореної двома навчальними під-множинами (групами), на два і більше класів, який полягає у: а) переході від статистичних функцій розподілу до функцій належності, б) дефаззифікації нечіткого простору ознак, в) синтезі багатозначних вирішувальних правил;

6) математичні моделі предметної області, прикладне (методичне) та медичне (інформаційне) забезпечення ІТ біомедичного призначення (на прикладі технології магнітокардіографії).

Новизна положень:

1. Уперше одержано (1999 - 2000 рр.):

а) вирази для оптимальних (рівноважних) фаз на джозефсонівських контактах, які відповідають мінімуму вільної енергії (енергетично вигідному стану) СКВІДів;

б) системи нелінійних алгебраїчних (надпровідний стан) та диференційних (резистивний стан) рівнянь рівноважної динаміки 3-контактного СКВІДу;

в) вираз для критичного струму N-контактного СКВІДа;

г) вирази за п. «а» - «в» - в аналітичному вигляді та для СКВІДів довільної асиметрії (індуктивностей гілок та параметрів джозефсонівських контактів).

2. Удосконалено (1999 - 2007 рр.):

а) вираз для загального шуму 2-контактного СКВІДа довільної асиметрії та знайдено його оптимальні параметри, які забезпечують мінімум шуму;

б) опис градієнтометрів як магнітостатичних антен та отримано вирази для діаграм напрямленості аксіальних градієнтометрів 1-го та 2-го порядків;

в) опис градієнтометрів як просторових ФНЧ та отримано вирази для зони чутливості аксіальних градієнтометрів 1-го та 2-го порядків;

г) метод балансування градієнтометрів з використанням надпровідного витка;

д) методи оптимізації багатоканальних СКВІД-магнітометричних систем та обгрунтовано оптимальність 7-канальної МКГ системи, яка складається з 4-х сигнальних та 3-х референтних каналів;

е) методи розрахунку багатоканальних СКВІД-систем та встановлено вимоги до референтних (шумових) каналів при застосуванні компенсації перешкод;

є) опис багатоканального магніткардіографа та знайдено структуру джерел, що породжують магнітну карту при застосуванні аксіальних градієнтометрів;

ж) опис біосасептометрів та знайдено оптимальну конструкцію скануючого біосасептометра для дослідження великих біооб'єктів (людей та тварин).

3. Уперше у вітчизняній літературі розглянуто питання розробки (дослідний зразок, документація, випробування, вимоги нормативно-технічних документів, метрологічне забезпечення) медичних ІВС на основі біомагнітної апаратури та наведено результати досліджень за їх допомогою (1997 - 2008 рр.). При цьому новим є:

а) вдосконалена конструкція біомедичної ІВС - 7-канального МКГ комплексу, оформлені згідно ДСТУ дослідний зразок та технічна документація на нього (програма та методика попередніх випробувань, методика виконання вимірювань, медико-технічні вимоги);

б) розробка та метрологічна повірка міри магнітної індукції 3-го розряду та калібрування за її допомогою 4-х сигнальних каналів зразка за п. «а»;

в) вдосконалена конструкція біосасептометричної ІВС, яка включає скануючий біосасептометр;

г) експериментально виявлена здатність ІВС за п. «в» для досліджень акумуляції магнітних наночастинок (МНЧ) в органах абораторних тварин;

д) експериментально виявлена здатність СКВІД-магнітометрів без використання поля намагнічування до реєстрації:

перевантаження залізом крові та/чи міокарду людини;

розподілу феромагнітних порошків у тілі мишей;

дії КВЧ хвиль та постійного магнітного поля на біологічні рідини;

кореляції магнітних та електричних сигналів від біологічно активних точок людини.

4. Уперше запропоновано (2000 - 2007 рр.):

а) модифікацію 2D перетворення Фур'є (ПФ), яка полягає в обчисленні крім амплітуд ще й 2-х фаз гармонік , , які описують координати гармонік у площині зображення;

б) обчислення 2D фізичного спектра, кожен спектральний коефіцієнт якого є не скаляром, а вектором, а також різних типів одномірних фізичних спектрів, які відрізняються впорядкуванням гармонік (способом розгортки) 2D спектра;

в) кількісну оцінку ступеня негомогенності Фур'є-гармонік на основі обчислення ступеня відмінності гармонік від дипольної гармоніки та правила класифікації зображень залежно від ступеня їх негомогенності;

г) Фур'є-представлення точкових джерел у вигляді амплітудно-фазового спектра , отриманого як параметрична залежність амплітудного спектра від фазових спектрів та , отриманих за п. «а»;

д) генерація наборів векторних образів (патернів), відповідних даній гармоніці, та Фур'є-представлення розподілених джерел у вигляді набору цих патернів;

е) інтерпретацію Фур'є-представлень як реконструкцій джерел, аналогічних різним моделям (наближенням оберненої задачі) - мультипольна та багатодипольна моделі (п. «г») та розподілу густини струмів у площині (п. «д»);

є) декомпозицію зображення на ряд ортогональних образів, аж до окремих Фур'є-гармонік та спосіб реконструкції джерел на основі попередньої декомпозиції, реконструкції джерел згідно п. «г» чи «д», та наступної їх композиції;

ж) контрастування реконструкцій джерел за допомогою поєднання магнітостатики (розподілу псевдострумів) і Фур'є-аналізу за п. «д», та розділення первинних і вторинних джерел на основі додаткового контрастування.

5. Вперше розроблено (2006 - 2008 рр.):

а) знайдено основні характерні точки опуклої огинаючої ROC-кривих та аналітичний вираз для асимптотичної ROC-кривої, до якої наближаються огинаючі;

б) знайдено оптимальне відношення кількості осіб у навчальних групах (преваленс), при якому досягається максимум достовірності у випадку рівності кількості хибно негативних та хибно позитивних осіб;

в) спосіб класифікації множини на два класи (порогове правило) на основі переходу від статистичних функцій розподілу до функцій (належності) ймовірності, який забезпечує рівність похибок обох родів та збігання всіх показників достовірності (специфічність, чутливість, негативна і позитивна прогностичності);

г) показано, що спосіб згідно п. «в» оптимальний з точки зору ROC-аналізу, тобто досягається поріг, що забезпечує максимум достовірності ();

д) спосіб дефазифікації нечіткого простору ознак та синтезу 3-, 4- і 6-значних вирішувальних правил на цій основі;

е) визначено поняття оптимального простору дискримінації та наведено його розбиття у 2D випадку чітким, напівчітким та нечітким вирішувальними правилами, які вміщують, відповідно, 9, 16 та 32 класи (висновки або діагнози);

є) на прикладі розбиття оптимального простору згідно п. «е» показана відсутність невизначеного класу (неможливість відмови від класифікації);

ж) для нормального розподілу знайдено універсальний параметр - «відстань» між групами та показано, що точність тесту та поріг є його функціями.

6. Новизна полягає у наступному (2002 - 2007 рр.):

а) удосконалено модель електричного генератора серця, що описує анізотропію, і на цій основі обчислено кут між електричним та струмовим векторами серця;

б) запропоновано метод пошуку цікавих для діагностики (ROI) інтервалів кардіоциклу та знайдено їх для ішемічної хвороби серця (ІХС);

в) удосконалено методичне забезпечення МКГ як інструментальної методики клінічної діагностики (процедури обстеження, реєстрації, обробки, картування та ін.);

г) вперше запропоновано визначення діагностичного критерію як необхідної і достатньої умови виконання діагностичного тесту (тобто як математичного критерію), а також вдосконалено алгоритм відбору діагностичних показників та знайдено МКГ показники для 6-ти різних хвороб;

д) вдосконалено спосіб класифікації карт розподілу густини струму в МКГ на основі оцінки ступеня відмінності від еталонної дипольної карти (недипольності) та вперше до аналізу МКГ карт застосовано Фур'є-методи, запропоновані в п. 4;

е) запропоновано кумулятивні параметри (узагальнений параметр адитивного типу) та вдосконалено методи відшукання оптимальної кількості часткових пара-метрів, яка максимізує достовірність тесту на основі кумулятивного параметра;

є) на основі обробки емпіричних даних підтверджено, що методи класифікації згідно п. 5 стійкі до впливу зовнішніх неконтрольованих факторів;

ж) на основі обробки емпіричних даних показано, що спосіб згідно п. 5 «в» оптимальний з точки зору ROC-аналізу, тобто максимум достовірності досягається при величині порогу, який вирівнює ймовірності похибок обох родів.

Цінність для суспільної практики та подальшого розвитку наукової теорії:

1. Отримані теоретичні результати дозволяють відмовитись від пошуку рівно-важних станів СКВІДів числовими методами, значно спрощують розрахунок пристроїв на їх основі, надають розуміння функціонування СКВІДів як нелінійних квантових систем. Вони можуть бути використані для оптимізації конструкцій та режимів роботи СКВІД-магнітометрів, проектування цифрових надпровідних елементів.

2. Розроблені методи дозволяють оптимізувати параметри, конструкції і режими роботи біомагнітної апаратури (магнітокардіографія, біосасептометрія та ін.) у складі багатоканальних ІВС і використані для розробки біомедичних ІВС.

3. а) Розроблені порядок та методики, що враховують специфіку СКВІД-магнітометрів, дозволяють підвищити продуктивність праці розробників і скоротити час на розробку та підготовку до виробництва ІВС біомедичного призначення;

б) виявлена здатність біосасептометричної ІВС за п. 3 «в» новизни цінна для розробки методів направленого (магнітного) транспорту ліків;

в) виявлена здатність СКВІД-систем за п. 3 «д» новизни є цінною для:

діагностики захворювань, спричинених перевантаженням організму людини залізом, у першу чергу професійних захворювань;

вивчення біотрансформації феромагнітних порошків у тілі тварин;

вивчення механізмів дії КВЧ хвиль з метою оптимізації квантової резонансної терапії та її поєднання з низькочастотною магнітотерапією;

вивчення механізмів дії рефлексотерапії та акупунктурної діагностики;

г) розрахунки системи для пошуку металевих об'єктів на середніх глибинах (десятки-сотні метрів), цінні при створенні таких систем для виявлення боєприпасів (міни, бомби) чи отрутохімікатів та відходів (каністри, бочки, контейнери).

4. Отримані результати цінні для обробки та розпізнавання зображень як електродинамічного, так і довільного походження, а саме:

а) аналізу, параметризації, та класифікації на основі спектральних амплітуд;

б) інтерполяції, апроксимації, кодування і стиснення зображень;

в) знешумлення та видалення артефактів за допомогою фільтрації (по просторовій частоті, напрямку чи області зображення);

г) реконструкції розподілу джерел, що породжують зображення, у різних моделях (диполь, набір диполів чи мультиполів, розподіл густини струмів чи зарядів);

д) виявлення прихованих структурних елементів на основі декомпозиції зображень на ряд ортогональних компонент;

е) розділення первинних (активних) і вторинних (пасивних) джерел на основі алгоритмів контрастування реконструкцій розподілу джерел.

5. Розроблені методи можуть бути застосовані до обробки емпіричних даних у предметних областях, де потрібна: а) регуляризація алгоритмів вирішення задач з огляду на вплив зовнішніх неконтрольованих факторів; б) стратифікація станів об'єктів більш детальна, ніж на два класи. У першу чергу вони цінні для обробки біомедичних даних з метою діагностики хвороб, у тому числі, для виявлення ранніх, прихованих та безсимптомних форм/стадій, за рахунок того, що дозволяють:

а) забезпечити зручність відбору діагностичних параметрів при впровадженні нових методів діагностики за рахунок їх ранжування (упорядкування) по одному показнику достовірності;

б) досягти максимальної достовірності діагностичного тесту на основі порогового вирішувального правила;

в) досягти незалежності достовірності тесту та порогу від малої та/або нерівної кількості осіб у групах;

г) провести дискримінацію осіб на 3 класи - «негативні» - «проміжні» - «позитивні», що дає змогу стратифікації ступенів тяжкості чи ризику хвороби, лікувального ефекту та ін.;

д) провести детальну класифікацію осіб на 9, 16 чи 32 класи, призначену для їх віднесення до 2-х крайніх класів - «негативні» чи «позитивні» та детальної стратифікації проміжного класу (ступенів проміжного стану);

6. Математичні моделі, методичне і медичне забезпечення цінні для підготовки до впровадження технології МКГ у клінічну практику, у тому числі:

а) встановлено місце методу МКГ серед інших методів діагностики, корисний ефект та особливості застосування у різних до-, поза- чи клінічних ситуаціях;

б) підвищено достовірність діагностики кардіологічних хвороб методом МКГ;

в) створено надійні інструментальні методики обстеження та діагностики пацієнтів в неекранованих умовах (без магнітного екранування);

г) забезпечено стійкість алгоритмів класифікації до впливу зовнішніх неконтрольованих факторів при переході від однієї навчальної вибірки до іншої;

д) забезпечена можливість оцінки анізотропії серця внаслідок патологічних електрофізіологічних порушень, спричинених ішемічними ураженнями міокарду;

е) створений доробок цінний при впровадженні інших біомедичних ІТ.

Новизна та цінність для суспільної практики (технічний результат) також підтверджена 14-ма патентами на винаходи та корисні моделі.

Обгрунтованість і достовірність одержаних результатів. Наукові положення, висновки та рекомендації дисертації обгрунтовані коректним використанням математичного апарату та використанням емпіричних даних для підтвердження теоретичних положень. Достовірність результатів теоретичного аналізу підтверджує збіг частини результатів автора з відомими літературними даними, а щодо СКВІДів та біомагнітної апаратури - також належним функціюванням зразків СКВІД-магнітометрів та біомагнітної апратури. Достовірність розроблених моделей та алгоритмів обробки і інтерпретації біомедичної інформації підтверджена обробкою емпіричних даних обстежень груп пацієнтів на кардіологічні патології, верифікованих за допомогою загальноприйнятих методів клінічної діагностики.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в роботі теоретичні методи та алгоритми були використані для оптимізації режимів роботи та конструкції біомагнітної апаратури (магнітокардіографів, біосасептометрів) як складової частини біомедичних ІВС. Вони застосовані в ІК НАН України при виконанні бюджетних тем (1997-2008 рр.) та проекту ДНТП'1997 (1997-2000 рр.). Також вони застосовані при виконанні НДР в Ін-ті кардіології імені М.Д. Стражеска АМН України (відділення функціональної діагностики, 1996-2000 рр.), Ін-ті медицини праці АМН України (відділ профпатологій), Національній медичній академії післядипломної освіти (НМАПО) імені П.Л. Шупика (кафедра кардіології і функціональної діагностики, кафедра терапії і геріатрії), Ін-ті прикладних проблем фізики та біофізики НАН України (відділ біофізики).

Результати по оптимізації методів обробки, вдосконаленню МКГ систем, відпрацюванні взаємодії технічних та програмних засобів з метою забезпечення надійного їх функціонування при відсутності магнітного екранування були використані при розробці 7-канальної МКГ системи (1999-2001 рр.) для фірми SQUID AG (Німеччина). Підтверджено використання системи MCG-7 в Центрі діабету та серця Землі Північний Рейн-Вестфалія для обстежень 150 дітей із тахікардіями.

Значна частина результатів, серед яких - розробка структури комплексу, мето-ду балансування аксіального градієнтометра 2-го порядку, медико-технічних вимог, методики виконання вимірювань, Програми та методики попередніх випробувань, набір кількісних МКГ параметрів та алгоритм відбору з них інформативних показників для певної хвороби, методика пошуку кумулятивного критерія, який забезпечує максимальну точність розділення груп «Здорові-Хворі» - застосовані при розробці МКГ комплексу КАРДІОМАГ (проект НТЦУ № 2187, 2001-2004 рр.), встановленого в Ін-ті кардіології імені М.Д. Стражеска.

Доробок, отриманий за участю автора включає: 1) технічні вимоги до ІВС та до комплектувальних виробів; 2) класифікацію виробу згідно Української класифікації товарів зовнішньоекономічної діяльності в Київській торгово-промислової палаті; 3) отримано код розробника конструкторської документації (КД); 4) розробка експлуатаційної і робочої КД, Програму і методику попередніх випробувань, методику виконання вимірювань для СКВІД-магнітометрів; 5) розробка та затвердження в Державному Українському Об'єднанні «Політехмед» медико-технічних вимог; 6) проведення лабораторних і попередніх випробувань; 7) доопрацювання на основі дослідної експлуатації у клініці; 8) виготовлення міри магнітної індукції та повірка її як робо-чого засобу вимірювань 3-го розряду в Харківському Державному Центрі сертифікації, метрології і стандартизації; 9) калібрування 4-х МКГ СКВІД-каналів за її допомогою.

Ряд результатів впроваджено в ТОВ «Київська медична група» - в корисних моделях (надпровідникова антена, способи балансування градієнтометра та обробки кардіографічних сигналів), при створенні технічної (розділ «Методи випробувань» ТУ, Програма і методика попередніх/приймальних технічних випробувань) та експлуатаційної документації. Частина наукових результатів застосована у навчальному процесі на кафедрі медичної радіофізики радіофізичного факультету КНУ імені Тараса Шевченка (дипломні роботи, семінари та спецкурс для магістрів «Медична електроніка») і увійшла до методичних вказівок та навчальних програм. Результати по оптимізації конфігурацій сасептометрів застосовано при виконанні проекту НТЦУ № 3074 (2006-2008 рр.).

Апробація результатів дисертації. Результати роботи представлено у формі 65 доповідей на 50 конференціях ( з них 45 міжнародних). За кордоном проходило 20 з них: Int. Symp. Non-Invasive Functional Source Imaging (NFSI, Грац, 1997), Int. Conf. Biomagnetism (BIOMAG, Санта-Фе-1996, Сендай-1998, Гельсинки-2000, Єна-2002, Бостон-2004, Ванкувер-2006, Саппоро-2008), Eur. Workshop Low-Temp. Electronics (WOLTE, Турин-1998, Нордвік-2004), Eur. Med.&Biol. Eng. Conf. (EMBEC, Відень, 1999), Int. Congress on Coronary Artery Disease (ICCAD, Ліон-2000, Флоренція-2003), Int. Conf. on Electrocardiology (ICE, Гельсинки, 2003), Int. Congress on Electrocardiology (Кьольн, 2006), Міжнародний Конгрес по кардіології (КАРДІОСТІМ, Санкт-Петербург, 2004, 2008), 12th Int. Conf. “Knowledge-Dialogue-Solution” (KDS, Варна, 2006), IEEE Workshop on Intelligent Data Acquisition& Advanced Comp. Systems (IDAACS, Дортмунд, 2007), German-Ukr. Symp. on Nanoscience&Nanotechnology (GUS, Ессен, 2008).

В Україні були представлені доповіді на 25 заходах, основні з яких - Int. Conf. “Dynamical Systems Modeling&Stability Investigation” (DSMSI, Київ, 1999, 2001, 2003), 5-та Міжнародна конференція УКРОБРАЗ (Київ, 2000), 3-а Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні і електронні технології” (СІЕТ, Одеса, 2002), 2nd IEEE Int. Workshop IDAACS (Львів, 2003), Міжнародна науково-практична конференція “ИТ и кибернетика на службе здравоохранения” (Дніпропетровськ, 2004, 2006), Науково-практична конференція СППР (Київ, 2005), 1-а науково-технічна школа-семінар «Біомедичні ІТ в охороні здоров'я» (БМІТ, Київ-Жукін, 2008).

Додатково матеріали доповідалися на семінарах відділу № 220 та Ученій раді ІК НАН України, відділу № 135 МННЦ ІТіС НАН та МОН України, Лабораторії біомагнітних досліджень (Ін-т кардіології імені М.Д. Стражеска), науково-консультативній лабораторії ЕхоКГ та МКГ (ТОВ “Київська медична група”), кафедрі терапії і геріатрії НМАПО, ФТІНТ НАНУ (Харків), ІТЕБ РАН (Пущіно, Росія), Франк-Вольгард-Клініці (Берлін), Ін-ті мікротерапії (Ун-т Віттен/ Хердеке, Бохум), фірмі СКВІД АГ (Ессен), Ін-ті онкології та терапії (ТУ Мюнхена).

Професійний рівень автора: Int. Soc. of Electrocardiology (2003), Асоціація медичних фізиків України (2004), Int. Soc. of Bioelectromagnetism (2005).

Публікації: Після захисту кандидатської дисертації за темою докторської дисертації опубліковано 118 робіт (наведено 45). Вони включають 34 статті, з яких 23 - у фахових виданнях. Додатково результати висвітлено у 19 роботах - з них 14 патентів (1 міжнародний), препринт і методичні вказівки, 65 матеріалів конференцій.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати дисертації отримані особисто здобувачем, його внесок є визначальним на всіх етапах досліджень. Основні положення, винесені на захист, і висновки сформульовані автором особисто. Основні результати докторської дисертації опубліковані у фахових виданнях у 23 статтях, у тому числі в 9 одноосібних.

В основних роботах, опублікованих у співавторстві у фахових виданнях, дисертантові належить: [1] - формулювання методики вимірювань та обробки даних, участь в експериментах та аналіз результатів; [4] - фізико-математична модель рівноважної динаміки 3-контактного НКІ у R-стані; [7] - методи розрахунку параметрів СКВІД-магнітометричних систем для виявлення провідних об'єктів під водою; [8] - розробка технології МКГ як інструментального методу клінічної діагностики; [9] - алгоритм аналізу карт РГС у серці на основі 2D перетворення Фур'є з визначенням координат гармонік; [10] - встановлення оптимальної конструкції магнітокардіографа на основі максимуму відношення «ефект/витрати», участь у його створенні (4 сигнальних і 3 референтных канали), вдосконалення конструкції СКВІД-сенсора та способу балансування антен; [11] - алгоритм аналізу відмінностей між МКГ картами на основі 6-ти метрик; [12] - метод синтезу кумулятивного діагностичного показника з оптимальною кількістю компонент, яка максимізує достовірність діагностики та вирівнює силу їх дії; [13] - розробка загальної структури МКГ комплексу та вироблення вимог до нього; розробка технічної та експлуатаційної документації, методики виконання вимірювань, повірка міри магнітної індукції та калібрування сигнальних каналів, проведення лабораторних та попередніх випробувань; [14] - МКГ обстеження пацієнтів, відпрацювання методик реєстрації карт, обстежень, обробки, картування, розробка алгоритму відбору діагностичних показників; [18, 19] - методи ортогональної деком-позиції магнітних карт та контрастування карт псевдострумів на основі 2D ПФ; [22] - конструкція макетів градієнтометрів; [23] - структура СКВІД-магнітометричної системи для дослідження МНЧ, вимоги до її компонент, оптимізація конструкції біосасептометра, участь в експериментах, у тому числі з тваринами, інтерпретація даних.

Автор приймав безпосередню участь у практичних дослідженнях та впровадженні результатів як відповідальний виконавець чи заступник керівника проектів, а також - у підготовці публікацій і патентів. Тексти всіх заявок, включно патентно-інформативний пошук, відбір прототипів, новизна, технічний результат та формули виконані автором особисто, за виключенням [38], написаної спільно із С.Е. Гончаренком (Укрпатент) та В.М. Сосницьким (ІК НАН України), та [39] - І.А. Чайковським (МННЦ ІТіС). Перероблення формул на етапі кваліф. експертизи [40-45, UA 21299, 29313, 34263] виконано спільно із завідувачем відділом патентно-ліцензійної роботи В.О. Жуком (ІК НАН України) та патентним повіреним В.С. Красніковим [UA 16882, 19997, 20101]. У методичних вказівках співавтором І.А. Чайковським (МННЦ ІТіС) укладено п. 2.1, 2.3, 2.4 та розділ 3 (крім п. 3.1 і 3.3.1), а дисертанту належить ідея роботи та решта пунктів.

Оформлення розробки комплексу КАРДІОМАГ відповідно до вимог ДСТУ виконане спільно з С.М. Будником (ТОВ «Agora Service»). Представлення джерел, аналогічні різним моделям оберненої задачі магнітостатики, стимульовані дискусіями з С.С. Романовичем (Ін-т проблем математичних машин і систем НАН України), а по мультипольному ряду - Л.М. Васецьким (Ін-т електродинаміки НАН України). У методі балансування градієнтометрів, розробленому спільно з Ю.Д. Міновим, ідея методу належить Ю.Д. Мінову, а автору - теоретичні розрахунки та обґрунтування.

Всім своїм співавторам і колегам автор щиро дякує за співробітництво - у першу чергу науковому консультанту академіку НАН України І.Д. Войтовичу, д.т.н. М.А. Пріміну, д.т.н. С.С. Романовичу, д.т.н. Л.С. Файнзільбергу, д.т.н. Л.М. Васець-кому, д.т.н. В.А. Яценку, д.мед.н. Л.А. Стаднюку, д.мед.н. О.С. Коваленку, к.т.н. Ю.Д. Мінову, к.т.н. В.М. Сосницькому, к.т.н. П.Г. Сутковому, к.т.н. Т.С. Лебедєвій, к.т.н. В.Є. Васильєву, к.мед.н. І.А. Чайковському, к.мед.н. В.І. Козловському, к.мед.н. Є.О. Білинському, к.мед.н. І.П. Лубяновій, к.мед.н. О.М. Червонопиській, к.мед.н. О.М. Захрабовій, к.х.н. О.М. Михайлик, к.б.н. Н.О. Дудченко, к.х.н. О.М. Ставинській, н.с. І.В. Недайводі, н.с. С.І. Лукашу, м.н.с. П.Б. Шпильовому, м.н.с. Т.М. Риженко, гол. інж. А.Г. Русанову, пров. інж. Л.А. Артеменко, О.М. Артеменко, Ю.А. Алексєйцеву, О.К. Дудченко, асп. О.В. Закорченому, інж. В.А. Будник, В.М. Буднику, техн. директору ТОВ «Agora Service Group» С.М. Буднику, директору ТОВ «КМГ» О.О. Міцкевичу.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, посилань, двох додатків. Загальний обсяг дисертації складає 404 сторінки, у тому числі 333 сторінок тексту, який включає 137 рисунків та 27 таблиць, список літератури із 311 найменувань на 28 сторінках, а також два додатки на 43 сторінках, які вміщують матеріали стосовно розробки МКГ систем (10 найменувань) та щодо практичного використання результатів роботи (12 довідок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність проблеми, сформульовано мету досліджень, розглянуто наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, наведено дані про їх реалізацію, особистий внесок автора, апробацію та публікації.

Розділ 1 присвячений моделюванню основних елементів надпровідникової електроніки - багатоконтактних надпровідникових квантових інтерферометрів (НКІ) та розробці методів інженерно-технічних розрахунків СКВІД-магнітометрів для оптимізації їх конструкцій та режимів роботи. Цей напрям є розвитком рівноважної динаміки 2-контактного КІ (2КІ), створеної в кандидатській дисертації. Основою підходу є пошук оптимальних фаз на ДК, які відповідають мінімуму вільної енергії (енергетично вигідні).

Розроблено рівноважну динаміку НКІ довільної асиметрії, утвореного паралельним з'єднанням двох гілок з двома ДК у кожній гілці. Показано, що 2 послідовно з'єднані ДК еквівалентні ефективному ДК (ЕДК). Модель ЕДК спрощує вирази і робить їх подібними таким як для 2КІ, у гілках якого знаходяться ЕДК.

Розроблено рівноважну динаміку 3-контактного НКІ (3КІ) та показано, що він описується системою 3-х нелінійних рівнянь. У надпровідному стані - це алгебраїчні рівняння щодо середньої фази та 2-х магнітних потоків, а у резистивному - диференційні рівняння 2-го порядку щодо середньої напруги на ЕДК та напруг у кільцях.

iB = iB1 + iB2 , iB1 = i1 + i12 , iB2 = i21 + i3 , i2 = i12 + i21 , (1)

1 = 1 - 2 = e1 - sh1 , sh1 = l11i1 - lM1i12 , (2)

2 = 2 - 3 = e2 - sh2 , sh2 = lM2i21 - l22i3 , (3)

Нормування струмів на максимум критичного струму (КС) I3=іС1+іС2+іC3, індуктивностей - на Ф0/2I3 , а МП на Ф0/2 (Ф0=h/2e - квант МП).

Інтерферометр 3КІ описується системою рівнянь Кірхгофа (1-3), де іi - струм через гілку з індуктивністю li, еi, i, shi - зовнішній, внутрішній та екрануючий маг-нітні потоки (МП) у і-му кільці, iB, iBі - транспортний струм (ТС) через 3КІ та і-е кільце.

Показано, що оптимальні (рівноважні) фази * на ДК мають вигляд

1,3* = 1,3 , 2* = - 2 , = 1 + 2 , = arcsin [ iB / jC ] , (4)

tg1,3 = (iС3,1 sin + iС2sin1,2) / (iС3,1 cos + iС2cos1,2+iС1,3) , (5)

tg2 = (iС1 sin1 - iС3sin2) / (iС1cos1 + iС2 + iС3cos2 ) . (6)

При цьому надпровідний струм дорівнює КС ЕДК jC , еквівалентного ЗКІ

. (7)

Рівноважна динаміка у надпровідному стані описується системою

iB = i1 + i2 + і3 = jС sin , (8)

і + shi = eі Mі , і=1,2 , (9)

Mі = lМіiBі , li = lМі + liі , і=1,2 , sh1,2 = l1,2il1,3 B1,2 , (10)

B1,2=l1,2iС1,3iB [iС1,3 +iС2cos1,2 +iС1,3cos]/jС2, il1,3=iС1,3(iС2sin1,2 +iС3,1sin)cos /jС.(11)

Знайдено також систему рівноважної динаміки у резистивному стані

iB = jCsin + v + vt + iAS + iIN , (12)

e + M = +q +AS + IN , (13)

e + M = + q + AS + IN , (14)

e = e1 + e2 , M =M1 + M2 , = 1 + 2 , (15)

e = e1 - e2 , M =M1 - M2 , = 1 - 2 . (16)

Рівняння (12) описує вихідний ЕДК з додатковим струмом інтерференції iIN та струмом асиметрії iAS, який включає резистивну (ємнісну) компонену, породжену асиметрією КС і опорів (ємностей) ДК. Рівняння (13) описує сумарне кільце 3КІ, у яке крім зовнішнього МП e вводиться різницевий МП інжекції М, а екрануючий МП має 3 компоненти: квантування q, асиметрії AS та інтерференції IN. Рівняння (14) описує паразитне кільце, породжене асиметрією площ отворів 3КІ, у яке крім різнице-вого зовнішнього МП e вводиться сумарний МП інжекції М, а екрануючий МП має аналогічні (13) за змістом компоненти q, AS та IN.

Показано, що квазісиметричний 3КІ за відсутності інжекції еквівалентний квазісиметричному 2КІ з отвором, площа якого рівна сумі площ обох кілець 3КІ: 

iВ = jC sin + v + vt , e = + q . (17)

Сформульовано завдання теорії - пошук рівноважних фаз та для 5-контактного НКІ отримано основні вирази: фази на ДК, струми гілок і критичний струм.

Уперше отримано вираз основної характеристики - залежності КС від МП для 3КІ довільної асиметрії (довільні КС ДК і індуктивності гілок) у вигляді 2-пара-метричної (m=iC2/(iC1+iC3), p=iC3/iC1) сім'ї кривих. У крайніх випадках однорідного (p=1, m=1/2) і симетричного (p=m=1) отримано відомі залежності, а за рівністю одного з параметрів нулю вони вироджуються до таких як для 2КІ.

Уперше отримано вираз для КС N-контактного НКІ за довільними КС IСК окремих ДК, де e - МП в отворі, n - кількість отворів між ДК

. (18)

На основі аналізу форми (симетрія, кількість нулів на 1 квант потоку та ін.) графіків КС дано визначення різних типів симетрії НКІ та проведено їх класифікацію.

Розроблено методи розрахунку шумових та сигнальних параметрів СКВІД-магнітометрів, просторових характеристик надпровідникових градієнтометрів та методів їх механічного балансування. Обчислено (рис. 2) повний шум СКВІДа постійного струму, який ураховує флуктуації напруги на виході, струму у кільці та їх кореляцію, та знайдено оптимальну індуктивність lOPT, яка його мінімізує EMIN

lOPT =16222.63 , EMIN = 32 4.242 (19)

Показано, що мінімум EMIN досягається у випадку симетричного узгодженого 2КІ.

Для оптимізації конструкцій антен розроблено їх опис у термінах передаточної характеристики (як просторових фільтрів) та діаграм напрямленості (як магніто-статичних антен) (див. рис. 3). Показано, що залежність чутливості градієнтометра від відстані до джерела сигналу аналогічна АЧХ ФНЧ.

F1Z=(5cos3 - 3cos)/2=P3() , F2Z=(21cos4-18cos2+1)/4. (20)

Розраховано новий спосіб балансування аксіальних градієнтометрів на основі надпровідного кільця (патент UA 19997), який має швидку збіжність та практично не вносить астатизму як в антену свого каналу (за іншими компонентами поля), так і в антени сусідніх каналів (що перспективно для багатоканальних систем).

Другий розділ присвячено розробці біомагнітної апаратури, призначеної для реєстрації надслабих біомагнітних сигналів на основі СКВІД-магнітометрів, біомедичних ІВС та експериментальним дослідженням з їх використанням.

Розглянуто теоретичні основи біомагнітної апаратури, необхідні для оптимізації її конструкції та методів обробки сигналів. Запропоновано модель біомагнітного джерела у вигляді набору узагальнених мультиполів (суми електричного, струмового та магнітного мультиполів). Це дає змогу моделювати джерела різної природи та порівняти: результати аналізу МКГ даних для різних типів джерел (магнітних чи струмових); дані МКГ з даними електричних методів.

Показано, що магнітокардіограф з аксіальною антеною, що реєструє вертикальне поле, реєструє вертикальні компоненти магнітних мультиполів та планарні (горизонтальні) - струмових мультиполів. При цьому перші описують вихрові (кругові) конфігурації струмів, а другі - потокові (ламінарні) компоненти струмів.

Теоретично досліджено малоканальні (< 10) МКГ системи на основі критеріїв «ціна приладу*час обстеження» та «точність/час обстеження». Показано, що оптимальна система з 4-ма сигнальними каналами (за наявності 3-х референтних каналів).

Знайдено умови на параметри референтних і сигнальних каналів багатоканальних систем при застосуванні компенсації зовнішніх корельованих завад. Показано, що ступінь компенсації обмежена градієнтом завади, що проникає у сигнальний канал і власним шумом референтного каналу та при застосуванні релаксаційних СКВІДів рівна 86 % від теоретичної межі.

Проведено експериментальне порівняння КМП, отриманих в екранованих (Ін-т мікротерапії, м. Бохум) і неекранованих (Ін-т кардіології імені М.Д. Стражеска) умовах. Воно показало практичну відсутність спотворень КМП на комплексі QRS та хвилі T кардіоциклу. Водночас, для 1-канального приладу у неекранованих умовах при слабкому сигналі (зубець P, сегменти PQ і ST), виявлено вплив магнітних завад, що може привести до діагностичних похибок. Отже в неекранованих умовах для достовірної діагностики необхідно застосовувати багатоканальні системи з компенсацією завад.

Розглянуто практичні питання розробки біомагнітних ІВС на прикладі МКГ комплексу КАРДІОМАГ (проект № 2187 НТЦУ). Основний компонент - 7-канальний магнітокардіограф у складі 4-х СКВІД-магнітометрів, референтного векторного магнітометра та багатоканального кріогенного зонда. Електроніка включає блок управління та обробки, мультиплексори вимірювальних та референтних каналів, 4 призондових блоки, АЦП, ПК, пульт технічного контролю. Допоміжні частини: система позиціювання, електрокардіограф та кріогенне забезпечення (рис. 4).

Принцип роботи: пацієнт лежить на рухомому ліжку; антени знаходяться в 4-х із 36 просторових точок; безконтактно реєструють МКГ і синхронну референтну ЕКГ. Аналогові сигнали через АЦП подаються в ПК. Керування здійснюють з ПК або з блоку електроніки. Склопластиковий кріостат з рідким гелієм знижує температуру СКВІДів і антен до 4,2 К. Програмне забезпечення здійснює управління, накопичення і обробку даних, а система позиціювання переміщує пацієнта в квадраті 20Х20 см.

При розробці вдосконалено конструкцію СКВІД-сенсора (патент UA 75434), аксіального градієнтометра 2-го порядку (патент UA 16882) та вбудованої системи керування (патент UA 74679), яка для підвищення надійності та зручності реалізує розподілене керування за допомогою 4-х мікропроцесорів: загальне (1-й, централь-ний), сигнальними (2-й) та референтними (3-й) каналами, налагодження (4-й).

Проведено ґрунтовний теоретичний аналіз біосасептометрів (вимірювачі магнітної сприйнятливості біооб'єктів) та оптимізацію їх конструкцій, розроблено дослідні зразки та проведено експерименти. Тут потрібні котушки Гельмгольця для генерації однорідного поля та засоби його послаблення у вихідному сигналі, велика точність виготовлення і балансування антен, відсутність паразитних механічних резонансів, більш складне калібрування, що вимагає більш точний їх розрахунок.

Для цього запропоновано набір параметрів та досліджена їх залежність від типу антени і орієнтації поля намагнічування. Порівняно 6 конфігурацій: вертикальне чи горизонтальне поле, 3 орієнтації (вертикальна аксіальна, верттикальна чи горизонтальна планарні) та 3 типи антен (магнітометр, градієнтометр 1-го та 2-го порядку), дальня та ближня зони. Для порівняння різних конфігурацій запропоновано інтегральний параметр

W = КУ + КК + КФ + КСЕЛ + КСКАН , (21)

де КУ, КК, КФ, КСКАН - коефіцієнти стійкості, якості сигналу, форми сигналу, можливості сканування; КСЕЛ - коефіцієнт послаблення (селекції) перешкод.

Знайдено, що для in vivo досліджень великих біооб'єктів найкраща конструкція (W=5) - «планарна горизонтальна антена + горизонтальне поле», 2-ге місце (W=3,5) - «аксіальна антена + горизонтальне поле». Отже у скануючих сасептометрах необхідно застосовувати планарні чи аксіальні вертикальні антени, а планарні - синтезувати програмно (патент UA 34263).

Описано дослідні зразки біосасептометрів (ліверсасептометрія, магнітопле-тизмографія) та ІВС для досліджень магнітних наночастинок (проект № 3074). Наведено експериментальні результати по дослідженню наночастинок у біооб'єктах, у т.ч. - у тварин in vivo (кролі). Експериментально показано кореляцію даних СКВІД-магнітометрії та кількісної ЕСР спектроскопії та 10-кратне підвищення їх концентрації в нирці кроля після магнітного аплікатора (ефект акумуляції), що підтверджує здатність створеної системи для досліджень з метою розробки направленого (магнітного) транспорту ліків.

Наведено інші, ніж МКГ і сасептометрія, застосування СКВІД-магнітометрії: 1) магнітне картування перевантаження залізом організму людини; 2) розподіл ферромагнітних порошків в тілі мишей; 3) вплив КВЧ хвиль та магнітні поля на біологічні рідини; 4) кореляція магнітного та електричного сигналів при дії на біологічно активні точки людини; 5) виявлення металевих об'єктів під водою (розрахунок).

Третій розділ присвячено новим методам розпізнавання електродинамічних зображень (електричне, магнітне чи електромагнітне поле), яке малоефективне з огляду на: а) значний фізіологічний розкид; б) приховану форму інформації. Тому завдання полягає у виявленні джерел, які породжують зображення (розв'язанні оберненої задачі (ОЗ)). Але ОЗ некоректна і неоднозначна, тобто має розв'язок тільки в рамках певної моделі (апріорних припущенях про тип) джерела.

Запропоновано новий підхід на основі модифікації 2D перетворення Фур'є (ПФ), яке зберігає всю інформацію, яку містить зображення, у тому числі:

- розроблено математичний формалізм та відпрацьовано числові алгоритми пропонованого підходу. Основна ідея полягає в обчисленні амплітуд A(n,m) і обох фаз (n,m), (n,m), які описують координати гармонік на площині. Знайдено 8 додаткових представлень, які мають різну інформативність для розпізнавання (a, b, c, d - парціальні коефіцієнти 2D ПФ).

A(n,m) = v (a2+b2+c2+d2) , (n,m) = arctg (b/a), (n,m) = arctg (c/a). (22)

- показано, що спектр карти, утвореної 6х6 відліками має 36 математичних (скалярних) та 21 фізичну (векторну) гармоніку (рис. 5), яка описується 4-ма пара-метрами: амплітуда, кут , координати Х0, Y0. Отже, фізичний спектр є набором векторів, які представляють струмові джерела, що породжують карту.

B0=A00, 0=х0=у0=0; Мn=Аnn, n=0; n=0,...5

Ln= v (A2n0+A20n); n = arctg (An0/A0n), n=0,...5

Pnm=v (A2nm+A2mn); nm = arctg(Anm/Amn), n=1,…5; m=1,...n-1

- знайдено 5 типів амплітудних спектрів (просторовий, ламінарний, ламінарно-вихровий, ламінарно-фрагментарний, гомогенно-фрагментарний), які відрізняються правилом розгортки 2D спектра та відображають особливості просторової структури джерел (гомогенність фрагментарність, ламінарність вихровість).

...