Електронний кондуктометричний аналіз електрофізичних параметрів елементів біосистем та їх моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

На правах рукопису

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

05.27.02 - Вакуумна, плазмова та квантова електроніка

Електронний кондуктометричний аналіз електрофізичних параметрів елементів біосистем та їх моделювання

Рафат Ауні Ісса Сбейх (Іорданія)

Київ

2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" (НТУУ "КПІ") на кафедрі електронних приладів та пристроїв та кафедрі фізичної та біомедичної електроніки

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Циганок Борис Архипович, (НТУУ "КПІ") професор кафедри електронних приладів та пристроїв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук професор Кузовик В'ячеслав Данилович, професор кафедри №33, Київський міжнародний університет цивільної авіації;

кандидат технічних наук Варламов Валерій Андрійович, заступник генерального директора Державного українського об'єднання "Політехмед".

Провідна організація: Інститут фізики Національної академії наук України, м. Київ.

Захист відбудеться 27 березня 2000р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої Ради Д 26.002.08 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп.12, ауд.114.

З дисертаційною роботою можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ "КПІ".

Автореферат розіслано 25 лютого 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради кандидат технічних наук професор Л.Д. Писаренко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблем. Останнім часом все більш глибоким є розуміння єдності фізичних, хімічних та біологічних процесів в системах, що створені природою, включаючи біологічні системи.

Це дозволяє електронними методами досліджувати електрофізичні властивості елементів біосистем і на цій основі здійснювати діагностику їх стану. При цьому враховується залежність стану біосистем від електрофізичних параметрів окремих її елементів. Діагностика відхилення від норм (патології) біологічних об'єктів, виявлення окремих хвороб виявляється найбільш ефективним саме за рахунок електронних методів, які пов'язані з аналізом засобами електроніки тих чи інших параметрів елементів біологічних об'єктів.

Однією з таких поширених, особливо серед дітей, хвороб, що передається у спадок, є муковісцидоз, діагностика якого є ефективною саме засобами електроніки. Це ґрунтується на тому, що цю хворобу пов'язують з порушенням переносу іонів рідинних середовищ через біомембрани деяких клітин організму. Найбільш суттєвим є зміна концентрацій іонівта [Cl^-] та [Na⁺] і відхилення від норми цих концентрацій дозволяє досить ефективно діагностувати муковісцидоз. Зміна концентрації іонів [Cl^-] та [Na⁺] впливає на електронну провідність окремих елементів - складових біологічних об'єктів, наприклад поту, і дослідження електропровідності покладено в основу кондуктометричних методів діагностики муковісцидозу.

Хоча кондуктометричні методи діагностики муковісцидозу певною мірою розроблені та принципи реалізації їх на основі вимірювання імпедансу визначені, однак ціла низка питань ще вимагає свого рішення і в даній дисертаційній роботі зроблені наступні кроки для розвитку кондуктометричних методів діагностики муковісцидозу.

Перш за все вимагалось підвищити достовірність визначення захворювання та вірогідність діагностики муковісцидозу. Вимагалось вдосконалити методи цифрової обробки результатів вимірювання імпедансу біологічних проб, скоротити час вимірювання. Використання постійних напруг чи вимірювання імпедансу на одній фіксованій частоті обумовлювало низку недоліків кондуктометричних методів діагностики, серед яких можна відзначити ефекти поляризації на електродах та їх окислення, що призводило до зниження ймовірності діагностики.

Суттєвий внесок необхідно було зробити в розробку моделей електропровідності елементів біотканин, які враховували б дифузійну взаємодію іонів Cl^- та Na⁺ з елементами біотканин, кінематичну в'язкість рідких середовищ організму, порушення умов ізотермічності та інше.

Нарешті, розробка вдосконаленого кондуктометру для діагностики муковісцидозу, який базувався б на результатах теоретичних досліджень та моделювання процесів, що протікають в біологічних тканинах, являють собою актуальну задачу, яка також вирішувалась в процесі виконання дисертаційної роботи.

В зв'язку з погіршеними умовами переносу іонів Cl^- та Na⁺ у хворих муковісцидозом концентрація цих іонів у поті хворої людини (у 2-5 разів) перевищує їх концентрації у поті здорової людини, що дозволяє покласти це в основу діагностики цієї хвороби (концентрація іонів у поті здорової людини - більше 40 мекв/л, у хворої до 170 мекв/л).

Концентрацію іонів вимірюють не прямими методами, а використовують вимірювання електропровідності біологічної проби і після відповідного градуювання використовується кондуктометричних імпедансометр, що здатен вимірювати концентрації іонів від 2,5 до 170 мекв/л.

Наукова новизна отриманих результатів. За допомогою електронного приладу, розробленого в ході дисертаційних досліджень, визначено більш точні градації утримання іонів [С1^-] і [Nа⁺] у біопробах і законах розподіли їхніх концентрацій, що дозволило підвищити в 2,5 разу достовірність визначення захворювання і довести ймовірність діагностувания до 0,95.

Запроваджено алгоритм цифрового опрацювання результатів виміру імпедансів біопроб, що дозволило у порівнянні з аналоговим методом в (2...4) разу скоротити час виміру на новому електронному приладі з високою ймовірністю, рівною 0,95, діагностування захворювання.

Запропоновано методи синтезу математичних, біоелектронних і схемних моделей біотканин, що враховують дифузійні взаємодії іонів С1^- і Nа⁺ із форменими елементами біотканин, кінематичну грузькість рідких і слизових середовищ організму, порушення умов ізотермічності і двомірний характер розподілу потенціалів біосередовищ. Ці ефекти найбільшою мірою визначають імпедансні характеристики біотканин, що дозволило знизити похибку моделювання до ±5%, тобто в три рази в порівнянні з існуючими моделями. При цьому досягнуте скорочення комп'ютерних ресурсів на 40 % за рахунок лінеаризації ряду залежності вимірів.

Статистичне опрацювання експериментальних результатів забезпечило мінімальну похибку ±2,2% вимірів у діапазоні від 5 кГц до 0,5 МГц, що найбільше сприятливий для вимірів імпедансів біопроб у "вікнах прозорості", де практично відсутні ефекти поляризації, окислювання електродів і не відбуваються саморазогрів біотканни.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження та розроблені моделі використані при реалізації кондуктометричного імпедансометру, який переважає існуючі прилади за швидкодією, достовірністю результатів діагностування муковісцидозу та низькою похибкою.

Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи використані в навчальному процесі при читанні курсів "Електроніка штучних органів" та "Біомедичні матеріали" та проведенні лабораторних практикумів на факультеті електроніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Розроблений кондуктометричних імпендасометр використовувався в інституті генетики міста Львова при діагностуванні більше 500 пацієнтів. Результати діагностики повністю співпадають з результатами інших методів діагностики, але дає можливість скоротити час досліджень (в двічі у порівнянні з аналогічними методами, а з традиційними в сотні раз) і забезпечує вищу точність діагностики.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані експериментальні і теоретичному дані були використані при проектуванні серійних електронних приладів і апаратів для вивчення біологічних показників людини в нормі і патології.

Результати роботи дають можливість розробки медичних методик діагностики муковісцидоза.

Впровадження результатів роботи. На підставі отриманих результатів був спроектований і виготовлений на заводі НДІ радіоелектронних медичних приладів експериментальний зразок апарата для діагностики муковісцидоза, що використовується для практичних цілей в інституті генетики АМН України.

Апробація роботи. Основні наукові результати дисертаційної роботи докладалися на наукових конференціях:

Науково-технічній конференції "Проблеми фізичної та біомедичної електроніки", Київ, 1999.

Науково-технічна конференція. "Досвід розробки та застосування приладотехнологічних САПР мікроелектроніки", Львів 1995 р.

Науково-практичний семінар "Медико-біологічні проблеми адаптації в сучасних умовах існування організму". симпозіум - Львів:, 1995.

Матеріали II з'їзду медичних генетиків України. Львів 1995 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано десять науковіх праць, із них чотири статті.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, що складено на 158 сторінках машинописного тексту і списку використаних літературних джерел в кількості 113 найменувань.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовується актуальність теми, окреслюються цілі і завдання досліджень, визначаються наукова новизна та практична цінність роботи, визначені основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі визначається взаємозв'язок між електрофізичними параметрами біологічної проби та фізичним станом організму. Зазначається, що концентрація іонів хлору поту [Cl^-] в контрольній діагностованій групі нагадує криву нормального (гаусового) закону розподілу, або симетричну параболу з максимумом в області 3.23.6 мекв/л.

Зону між 60 70 Мекв/л за прикладом інших авторів вважаємо зону невизначеності в межах якої не можна точно встановити діагноз "здоровий" - "хворий".

Серед методів визначення електропровідності в залежності від концентрації іонів [Cl^-] та [Na⁺] виділяють метод безпосереднього визначення електропровідності шкіри, або визначення електропровідності потових хвороб в спеціальних кондукторметричних комірках з жорстко закріпленими в стінках електродах.

Розроблена під час виконання дисертаційної роботи оригінальна кондуктометрична комірка (рис 2.) переважає існуючі за рахунок знаходження оптимального розміру між електродами, необхідності меншої кількості біопроби для діагностики і дає інформацію про температуру, що дозволяє своєчасно відраховувати похибку. Застосування цієї електролітичної комірки в новому електронному приладі прискорило приблизно в 2 рази вимірювання імпедансу біопроб за рахунок застосування змінного збуджуючого сигналу і знехтування паразитними поляризаційними ефектами.

Приелектродні процеси в комірці на межі метал - електроліт визначаються в тому числі поляризацією електродів, що викликає похибки при визначенні електричного імпедансу. Модель міжелектродного простору враховує ці похибки у вигляді додаткових імпедансів поляризації, що виникають послідовно з імпедансом, що визначається.

Визначення міжелектродного імпедансу є важливим для того, щоб його враховувати при визначенні біологічного імпедансу.

Найбільш придатними є платинові електроди через те, що їх імпеданс поляризації нижче, ніж для електродів з інших матеріалів (резистивна складова імпедансу поляризації; ємнісна складова).

В другому розділі. Розглядаються методи моделювання біоелектричних процесів у біологічних тканинах. Завдяки руху іонів у позаклітинній рідині та переходу їх через клітинну мембрану спостерігається певна аналогія з процесами дифузії та дрейфу носіїв заряду в області р-n переходу. Однак існують суттєві особливості моделювання процесів у біологічних тканинах.

Найбільш характерними параметрами при дослідженні електричних характеристик біотканин є електричний опір (або електропровідність), що обумовлено процесами переносу іонів (активна складова) та відносна діелектрична провідність, яка характеризує процеси поляризації (ємнісна складова). В сукупності ці величини визначають імпеданс біологічної тканини та його частотну залежність. Суттєвим є вибір частотного діапазону з врахуванням того, що відхилення біоімпедансу при патологічних відхиленнях в біотканини проявляються максимально на певних характерних частотах (вибірковий ефект). Виникнення екстремумів на цих частотах обумовлюється релаксаційними видами поляризації з часом релаксації , який пов'язаний з екстремальною частотою співвідношенням:

(1)

На певних частотах шкідливим є вплив на біологічну тканину (нагрівання, фізіологічні зміни). Найбільш прийнятним частотним діапазоном для досліджень біотканини виявився діапазон від 10³ до 10⁶ Гц.

В загальному вигляді біологічна тканина розглядається як нелінійна система. Математична модель біотканини з точки зору її електропровідності описується:

Рівняннями безперервності

(2)

Рівняннями масопереносу (дифузії та дрейфу) в електричному полі.

(3)

де - тензори коефіцієнтів дифузії позитивних і негативних носіїв; - складові векторів щільності носіїв; - тензори їх рухливості, - масові концентрації носіїв зарядів.

Для коефіцієнтів дифузії та рухливості носіїв вважаємо справедливими співвідношення Ейнштейна.

, (4)

де Т - абсолютна температура.

Повна щільність струму:

. (5)

Функціональна система рівнянь (2) - (5) спільно з початковими та граничними умовами є вихідними для визначення імпедансу біотканини.

У випадку одномірної моделі враховуємо, що концентрація позитивних і негативних носіїв заряду та потенціал змінюються тільки в одному напрямку і є функціями координати х та часу t.

Тоді початковими рівняннями для масових концентрацій носіїв заряду С⁽⁺⁾ С^(-) потенціалу є:

(6)

Рівняння масопотоків матимуть вигляд:

(7)

Ці рівняння доповнюються граничними умовами у вигляді відношень:

а) масопотік на аноді (х=L) позитивних носіїв дорівняю нулю:

;

б) потоки на катоді (х=0) позитивних та негативних носіїв пропорційні:

, де г - коефіцієнтний, що визначає вторинну емісію;

в) концентрація позитивних носіїв на аноді дорівнює нулю

;

г) в точці х=L/2 виконується умова рівності концентрацій позитивних і негативних зарядів:

;

д) в стаціонарному синусоїдальному режимі потенціали на аноді і катоді:

.

Аналітичне рішення системи диференційних одномірних рівнянь (6), (7) дає можливість визначати серед іншого імпеданс біологічної тканини і його залежність від частоти, розмірів електродів, відстані між ними, феноменологічних характеристик тканини. Після застосування перетворень Фур'є, представлення системи (6) в канонічному вигляді та її рішення отримуємо вираз для величини приведеного імпедансу біотканини:

(8)

який включає елементи зворотної матриці з комплексними елементами.

Далі розглядається дискретна модель біотканини, аналогічна тій, що використовується при моделюванні р-n переходу. Величина імпедансу Z визначається процесами переносу іонів у тканині під дією електричного поля, ємність С є між електродною ємністю де біотканина є діелектриком, С_д (дифузійна ємність) відповідає процесам дифузії.

, (9)

де L - відстань між електродами; S - ефективна площа електродів; q - заряд іонів.

Для діагностики муковісцидозу найбільш прийнятним є вимірювання за допомогою розробленого приладу імпедансу поту. При побудові математичної моделі для визначення імпедансу поту він розглядається як термодинамічна система, що характеризується певною мікроструктурою та має велику кількість часточок, які здійснюють певні рухи.

З причини обмеження за об'ємом в авторефераті розглядаємо спрощену математичну модель поту на основі отриманої загальної моделі, за якою визначення імпедансу має певні складнощі, серед яких необхідність знати велику кількість фізичних параметрів поту, багато з яких отримати досить складно. В спрощеній моделі нехтуємо температурним полем, взаємними коефіцієнтами дифузії та деякими іншими ефектами.

Граничні умови для визначення електричного імпедансу мають вигляд:

а) радіальні складові щільності іонів та похідна потенціалу по радіусу r на поверхні циліндра дорівнюють нулю:

; (10)

б) концентрація носіїв і модуль потенціалу обмежені на осі циліндра:

С⁽⁺⁾, С^(-), при ;

в) складова масопотоку на вісі позитивних іонів на аноді (координата z=L) дорівнює нулю:

;

г) складові потоків на вісі позитивних і негативних іонів на катоді (координата z=0) пропорційні:

, де коефіцієнт, що визначає вторинну емісію;

д) концентрація позитивних іонів на аноді дорівнює нулю:

;

є) у точці z=L/2 концентрації позитивних і негативних іонів рівні:

;

ж) в стаціонарному гармонійному режимі потенціали на катоді і аноді відповідно

. (11)

Після застосування перетворень Фур'є за часовим аргументом рішення рівняння моделі шукаємо у вигляді розкладання у ряд Діні-Бесселя, що після рішення дає електричний імпеданс поту у вимірювальній комірці у вигляді:

Ця формула для імпедансу відносно проста і не вимагає вирахування функції Бесселя.

Нормована частотна характеристика імпедансу, отримана в діапазоні частот 10 500 кГц при значеннях параметрів:

;

;

;

;

.

Видно, що імпеданс практично не змінюється від частоти 10 кГц до 100 кГц, а на вищих частотах імпеданс зменшується.

Одне із джерел похибок методу пов'язана з відмінністю структури розподілу щільності струму і напруженості електричного поля від однорідної. Аналітичне рішення рівнянь було отримано для одномірного випадку. Ще деякі інші причини обумовлюють розкиданість параметрів одномірної моделі тканини, внаслідок чого для аналізу стану організму варто використовувати значення біоімпедансу не на одній, а принаймні на двох частотах.

Виконані теоретичні дослідження та результати експерименту дозволяють дати рекомендації:

- при дослідженні фізіологічних параметрів на основі вимірювання імпедансу слід використовувати дві або більше частот, причому нижня частота не повинна перевищувати 810 кГц, а висока частота має бути не менше 100 кГц;

- зменшення методичної похибки вимірювання біоімпедансу, що обумовлено неоднорідністю тканин, може бути досягнуто за рахунок застосування вимірювача відношення ;

- при вимірювання біоімпедансу з допомогою голчатих електродів існує критична міжелектродна відстань, яка вибирається як мінімально допустима.

Визначено, що провізорний секрет, який синтезується підшлунковою залозою, є головним регулятором рівня електролітного складу рідких середовищ організму, а концентрація хлоридів є показником стану організму.

Зміна концентрації іонів [Cl^-], [Na⁺] та провізорного секрету описується системою нелінійних диференційних рівнянь. Схема регуляції вмісту іонів Cl^- та Na⁺ в організмі, інтегральна модель порушень транспорту електролітів при муковісцидозі базується на ній.

Основні рівняння регуляції концентрації іонів [Cl^-] у крові в різних тканинах організму можна записати через швидкості потоків таким чином:

(13)

(14)

(15)

(16)

Основні рівняння регуляції провізорного секрету в організмі мають вид:

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

Модель з високою точністю відтворює біологічні механізми при тестуванні толерантності до хлоридного навантаження. Через 70 хв після початку введення хлоридного натрію концентрація іонів [Cl^-] зростає до максимальних значень. Крутий підйом на гілці характеризує швидку фазу синтезу провізорного секрету PS у здорової людини. В модельних експериментах захворення муковісцидозом імітувалось зниження секреції PS за рахунок пропорційного зниження коефіцієнтів k₁₄ і k₁₇ в математичній моделі. При цьому криві зміни концентрації [Cl^-] приймають типовий муковісцидозний вигляд.

Повна ідентифікація 23 параметрів моделі є практично нездійсненним завданням при обмежених клінічних даних. Можна говорити про верифікацію моделі "в середньому" на основі відомих фізіологічних констант та на основі експериментальних даних, взятих з літератури та отриманих на розробленому під час виконання дисертації електронному приладі.

Таким чином, отримані результати дозволили з відносно низькою похибкою 5% верифікувати побудовану модель, причому метод двократного вимірювання на частотах 5 кГц та 500 кГц забезпечує більшу точність вимірювань та ідентифікацію параметрів моделі.

В третьому розділі наводиться моделювання біоелектричних характеристик потовиділяючої системи людини та експериментальні клінічні дослідження імпедансних характеристик потовиділення. Було розроблено метод отримання проби поту з використанням запропонованої спеціальної манжети для сухого нагріву тканини.

Здійснено моделювання біоелектричних характеристик потовиділяючої системи, де система "електродипіт" подана у вигляді плоскої електричної резистивної сітки.

Особливістю даної моделі є те, що провідності гілок можуть бути прийняті однаковими, або як сума детермінованого одиничного значення провідності G і випадкового значення де i, j - номери вузлів в схемі.

На основі виразу для коефіцієнту впливу проведена оцінка чутливості моделі S в залежності від ступеню дискретизації модельної сітки M на N.

Запропонована методика статистичної обробки імпедансних характеристик біопроб, що дозволяє комплексно підійти до електронного кондуктометричного методу діагностики муковісцидозу.

Визначені похибки та потенціальна роздільна здатність імпедансного методу N_р та потенційний поріг чутливості .

Після аналітичного аналізу знайдено потенційну роздільну здатність:

.

В четвертому розділі подається розроблений кондуктометричних прилад для вимірювання фізичних параметрів елементів біосистем та описується методика і результати експериментів.

Висновки

Виходячи з аналізу сучасного розвитку кондуктометричних методів аналізу біопроб, розроблено нові електронний прилад для діагностування ряду спадкових захворювань, в тому числі поширеного серед дітей муковісцидозу. біологічна проба муковісцидоз діагностування

Отримано нові результати електронних вимірів фізичних параметрів біологічних об'єктів з урахуванням ряду процесів і явищ, що характеризуються:

- більш точними градаціями утримання іонів [Cl^-]=(32,41,8) мекв/л, [Na⁺]=(40,21,7) мекв/л для здорових пацієнтів і [Cl-]=(123,61,5) мекв/л, [Na⁺]=(1451,6) мекв/л для хворих кистофиброзом;

- високою ймовірністю, рівною 0,95, визначення прикордонних станів здорових і хворих пацієнтів з інтервалом значень концентрацій [Cl^-]=(55...72) мекв/л і [Na⁺]=65...84 мекв/л у рідких биосредах організму.

Ці результати, на відміну від раніше досягнутих забезпечують, підвищують достовірність діагностування стану здоровий/хворий, збільщують адекватність моделювання фізичних процесів у біологічних тканинах і наймають практично всі обмеження по універсальності застосування отриманих моделей.

Розроблені методи, що засновані на електродинамічному і біофізичному аналізі процесів у біосистемах і які дозволяли синтузувати нові математичні та біоелектронні моделі біотканин, що у порівнняні з відомими забеспечують:

- подальше зниження похибки моделювання фізичних характеристик і ідентифікації параметрів тканин огранизма;

- велику універсальність моделей щодо діагностування захворювань.

Показано, що областю застосування нового вимірювального приладу і нових математичних моделей рідких середовищ організму для функціональної і комп'ютерної діагностики можуть бути дитячі поліклініки, лікарні і санаторії, медико-санітарні частини підприємств і госпіталі, що вирішують задачі масового огляду населення й інтенсивного нагляду.

Проведено статистичне опрацювання кондуктометричних вимірів біопроб, що дозволило мінімізувати потенційну роздільну здатність імпедансометра до 0,17 кОм або 2,2% у широкому частотному діапазоні від 5 кГц до 500 кГц.

Розроблено прецизійну кондуктометричну електронну схему, особливістю якої є вимірювання імпедансів із застосуванням змінного збуджуючого токового сигналу, що запобігає паразитним поляризазійним ефектам та саморозігріву біотканин. Діагностичний прилад вимірює модулі опорів на низькій (5 кГц) та високої (500 кГц) частотах у діапазоні від 10 кОм до 40 кОм та їх відношення. Цей діапазон відповідає "частотним вікнам" для біотканин і реальним значенням концентрацій іонів [Cl^-] і [Na⁺] у межах від 2,5 до 150 мекв/л для діагностування нормальних і патологічних проб.

Список публікацій за темою дисертації

Сбейх Р. Математична модель кондуктометрії поту. Вісник ДУ "Львівська політехніка". Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв №302, Львів, 1996. С. 63 - 65.

Сбейх Рафат. Кондуктометричний метод і прилад для визначення порушення концентрації NaCl в поті. - Технічні вісті, 1999/1(8), 2(9), С. 60 - 61.

Сбейх Рафат Ауни. Устройство для сбора пота. Электроника и связь №6, том 2, 1999, Киев, С. 277 - 279.

Смердов А., Соколов С., Сбейх Р. Електронний пристрій для дослідження електричного імпедансу пота. Вісник ДУ "Львівська політехніка". Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв №302, Львів, 1996., С. 25 - 27.

Сбейх Р. Прибор для диагностики муковисцидоза. Аль-Раии, Иордания Амман 1996 г., С. 15.

Сбейх Р. Анализ экспериментальных данных об электрических характеристиках биологических тканей. Амман 1997 г. Жамиа Алильмиа Алмалькия. С. 30 - 31.

Сбейх Рафат. Кондуктометрическая ячейка для определения импеданса. Аль-дастур Иордания Амман 1997 г., С. 10.

Смердов А.А., Романшишин Ю.М., Соколов С.Е., Сбейх Р. Математичне моделювання біологічних рідин в кондуктометрії. Науково-технічна конференція. Досвід розробки та застосування приладотехнологічних САПР мікроелектроніки, Львів 1995 р., С. 23 - 24.

Соколов С. Е., Нестор А.В., Сбейх Р.А. Кондуктометрическая оценка состава пота в дагностике муковисцидоза. Медико-біологічні проблеми адаптації в сучасних умовах існування організму. Матеріали науково-практичного семінару-симпозіуму - Львів:, 1995, С. 63 - 65.

Корнiенко Ю.О., Соколов С.Е., Нестор О.В., Сбейх Р., Смердова Т.А., Боровська Г.В., Тишкевич А.А., Гнатейка О.З. Перспектива застосування iмпедансометрiї в діагностиці муковicцидозу. Матеріали II з'їзду медичних генетиків України. Львів 1995 р. С. 82 - 83.

Анотація

Рафат Ауні Ісса Сбейх. "Електронний кондуктометричний аналіз електрофізичних параметрів елементів біосистем та їх моделювання". Роботою є рукопис на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.02 - Вакуумна, плазмова та квантова електроніка. НТУУ "КПІ", Київ, 2000 р.

Робота присвячена електронним методам дослідження електрофізичних властивостей елементів біосистем на прикладі рідинних середовищ і на цій основі здійснюється діагностика їх стану. Визначені класифікаційні ознаки кондуктометричних методів дослідження біосистем. Розроблені біоелектронні, біохімічні та схемотехнічні моделі процесів, що протікають у біологічних тканинах. Проаналізовані статистичні характеристики результатів вимірювання імпедансів біопроб і закони розподілу похибок вимірювання. Запроваджені методи агрегатування електронних і комп'ютерних методів накопичення і аналізу біологічних проб для діагностування захворювань муковісцидозом у дитячих лікарнях і санаторіях, медико-санітарних частинах підприємств і госпіталях, де вирішуються задачі масового огляду населення і інтенсивного нагляду.

Основні результати дисертаційної роботи упроваджені на ряді підприємств електронної галузі, вузів, медичних і санаторних установ.

Ключові слова: електронний кондуктометр, моделювання біосистем, статистична обробка медичної інформації, комп'ютер, мінімізація похибок.

Аннотация

Рафат Ауни Исса Сбейх. "Электронный кондуктометрический анализ электрофизических параметров элементов биосистем и их моделирование". Работа есть рукопись на получение ученого степени кандидата технических наук за специальностью 05.27.02 - Вакуумная, плазменная и квантовая электроника. НТУУ "КПИ", Киев, 2000 г.

Работа посвящена электронным методам исследования электрофизических свойств элементов биосистем на примере жидкостных сред и на этой основе осуществляется диагностика их состояния. Разработан новый электронный прибор, который позволяет с вероятностью до 0,95 диагностировать нормальное, патологическое и приграничное состояния организма. Кондуктометрическая ячейка этого прибора отличается самой низкой степенью электродной поляризации, благодаря измерениям, проводимым в широком диапазоне частот от 5 кГц до 500 кГц, который соответствует "частотным окнам" для биотканей. Прибор позволил уточнить градации содержания ионов [Cl^-] = 32,41,8 мэкв/л, [Na⁺] = 40,21,7 мэкв/л для здоровых пациентов и [Cl^-] = 123,61,5 мэкв/л, [Na⁺] = 145,31,6 мэкв/л для больных. Предложена новая методика сочетанного действия электронной стимуляции и фармакологических средств для отделения жидких средств организма, которая позволила понизить погрешность измерения за счет ускорения самого процесса измерения, не требующего перемешивания электролита и постоянной очистки измерительных электродов. Выделены базовые параметры, а именно концентрации ионов [Cl^-] = 3,4…140 мэкв/л и [Na⁺] = 5,1…156 мэкв/л коэффициенты диффузии D_Сl-=1,210^-12м²/с и D_Na+=7,510^-12м²/с и подвижности _Сl-=1,410^-4м²/Вс и _Na+=5,510^-4м²/Вс, которые для реальных условий позволяют с низкой погрешностью до 5% рассчитать импеданс жидких сред организма. Как показали экспериментальные исследования метод двоекратного измерения на частотах 5 кГц и 500 кГц позволяет получить большую точность самих измерений и идентификации параметров модели. Построена новая биоэлектронная модель, в которой учитываются биохимические взаимодействия электролитов жидких сред организма с особым гормоном поджелудочной железы - провизорным секретом. Эта модель с погрешностью 5%, которая не превышает погрешности кондуктометрических измерений концентрации электролитов, моделирует медицинские тесты толерантности к хлоридной нагрузке здорового и больного человека и обеспечивает гарантированный диагноз заболевания. На базе нового измерительного прибора получены новые результаты по статистической обработке кондуктометрических измерений, которые позволили сформулировать более точные по сравнению с известными требования к количественным и качественным показателям при различных законах распределения импедансных характеристик биопроб. Это привело к сокращению в 2,5 раза времени измерений и сокращению затрат на диагностирование заболеваний. Впервые разработаны методы расчета потенциальной разрешающей способности кондуктометрического прибора, что позволило минимизировать в 2 раза погрешность измерения импеданса биопроб в широком частотном диапазоне от 5 кГц до 500 кГц, что обеспечивает повышение достоверности диагностики с использованием предложенного кондуктометрического прибора.

Введенные методы агрегатирования электронных и компьютерных методов накопления и анализа биологических проб для диагностирования заболеваний муковисцидозом в детских больницах и санаториях, медико-санитарных частях, предприятий и госпиталях, где решаются задачи массового осмотра населения и интенсивного наблюдения.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на ряде предприятий электронной отрасли, вузов, медицинских и санаторных учреждений.

Ключевые слова: электронный кондуктометр, моделирование биосистем, статистическая обработка медицинской информации, компьютер, минимизация погрешностей.

Summary

"Electronic conductometric the analysis of electrophysical parameters of elements, biosystems and their modeling". The work is the manuscript on reception of the scientist, a degree of the of engineering sciences candidate behind a speciality 05.27.02 - Vacuum, plasma and quantum electronics. NTUU "КPI", Kiev, 2000.

The work is devoted to electronic methods of physicals research properties of of biosystems elements, on an example of liquid environments and on this basis diagnostics of their condition is carried out. The classification attributes conductometric biosystems researchs methods are certain. Developed bioelectronic, biochemical and shematechnics of processes models, which proceed in biological fabrics. The statistical analysed characteristics of measurement results impedance of biotests and distribution measurement errors laws. The entered methods agregament of electronic and computer accumulation methods and biological tests analysis for diagnosing diseases cystic fibrosis in children's hospitals and sanatoriums, medical-sanitary parts, enterprises and hospitals, where are decided tasks of mass survey of the population and intensive supervision.

The basic results of thesis work are introduced on a line of the of electronic branch enterprises, high schools, medical and sanatorium establishments.

Key words: electronic conductometr, modeling of biosystems, statistical processing of the medical information, computer, minimization of errors.

Размещено на Allbest.ru

...