Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время отчетливо проявляется необходимость создания технических средств, обеспечивающих длительный и, вместе с тем, достаточно'глубокий анализ*функционирования легких. Такие задачи возникают в авиакосмической и подводной медицине, эргономических исследованиях, физиологии труда, спорта и т. д. Контроль дыхания прямыми методами в этих исследованиях часто невозможен из-за развивающегося чувства дискомфорта и влияния средств измерений на активность кардиореспираторной системы.
Социально-экономическая актуальность работ по развитию пульмонологической техники следует также из анализа проблем практического здравоохранения. Неуклонный рост заболеваемости легких, все возрастающие расходы на диагностику, лечение и реабилитацию пульмонологических больных требуют создания более эффективных средств скринингового и клинического обследования легких. Известно, например, что около -80% заболеваний органов дыхания связано с нарушениями легочной вентиляции, но такие распространенные методы ее исследования,, как спирография и пневмотахометрия, не способны обнаружить ранние стадии бронхолегочной патологии в силу интегрального характера измеряемых вентиляционных показателей.
Целью настоящей работы являлось теоретическое ц экспериментальное обоснование метода количественной импедансной пневмографии (КИПГ) и разработка биоимпедансной аппаратуры (БИА) для неин-вазивного исследования вентиляционной функции легких'.
Привлекательность биоимпедансного метода заключается прежде всего в том, что он не вносит изменений в паттерн дыхания, является достаточно комфортным для пациента и, по предварительным оценкам, может нести информацию как об общих, так и о регионарных
особенностях легочной вентиляции. Однако в неинвазивном подходе, предусматривающем размещение электродов на поверхности грудной клетки (ГК), многие проблемы до сих пор остаются нерешенными. Отсутствует строгое теоретическое обоснование возможности получения физиологических параметров легких по данным поверхностных измерений. По существу, нет и аппаратуры, адекватной рассматриваемой задаче исследования. В медищшской практике для изучения дыхания часто используются реографические приборы, предназначешше для исследования исключительно гемодинамических процессов. Такой прием может служить причиной значительных погрешностей в оценке вентиляционной функции легких и ошибок в диагностике их заболеваний. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Провести теоретический анализ взаимосвязи электроимпе-дансных и вентиляционных показателей легких и исследовать роль внелегочных факторов в формировании импедансного сигнала, регистрируемого с поверхности грудной клеткио
-
Экспериментально исследовать зависимость трансторакалыю-го электрического импеданса (ТТЭИ) от объемно-скоростных изменений легких при различных технико-методических условиях биоимпе-дансных измерений и режимах дыхания.
-
Обосновать структуру и технические характеристики биоик-педансной аппаратуры для неинвазивного количественного исследования вентиляционной функции легких.
-
Осуществить макетирование разработанных средств исследования легких и провести их клиническую апробацию с целью оценки пригодности в решении современных задач пульмонологии и прикладной физиологии.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
I. Теоретически и экспериментально исследована взаимосвязь
_ 4 -
мекду изменениями альвеолярного объема легких и электроимпеданс-ными параметрами грудной клетки. Изучены особенности этой взаимосвязи для полного дыхательного цикла и различных режимов дыхания.
-
Экспериментально исследованы зависимости базовых величин и амплитуд дыхательных колебаний составляющих электрического импеданса грудной клетки от частоты зондирующего тока, способов измерения импеданса и положения электродов.
-
Обоснованы структура и технические характеристики биоим-ледансной аппаратуры для общего и регионарного исследования легких. Разработаны конструкции электродных систем и датчиков, повышающих комфортность обследования и эффективность функционирования этой аппаратуры.
4. На основе медицинских испытаний созданных технических
средств подтверждена клиническая полезность разработанного метода
и предложены новые диагностические приемы оценки функционального
состояния легких.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Математические электроимпедансные модели легочной паренхимы и груднойсклетки, на основе анализа которых устанавливается взаимосвязь колебаний ТТЭИ и воздушного наполнения легких, выявляются ведущие факторы формирования импедансной пневмограммы.
-
Технические и методические условия биоимподансных измерений, обеспечивающие максимальное соответствие формы импедансного и спирографического сигналов при различных маневрах дыхания.
3': Принципы построения и характеристики аппаратуры для неин-вазивного биоимпедансного исследования легких и количественной оценки их вентиляционных показателей.
4. Конструкции электродов и полифункциональных датчиков, основанных на емкостной связи с биообъектом и обеспечивающих од-
повременный съем импедансной пневмограммы, кривой пульсового кровотока легких и электрокардиосигнала.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные метод и аппаратура обеспечивают исследование параметров легочной вентиляции без привлечения малокомфортных загубников и масок и не имеют противопоказаний при длительном (многосуточном) наблюдении за кардиореспираторной системой. Важным достоинством предлагаемого метода является возможность получения численных данных о раздельной и локальной вентиляции легких. На его основе созданы макетные образцы приборов и компьютерных систем для углубленного исследования'дыхательной системы, саморегуляции состояния организма и др. Теоретические и экспериментальные результаты диссертации могут использоваться при разработке систем скрининга населения, устройств управления искусственной вентиляцией легких и т. д.
Реализация и внедрение результатов. Теоретические и экспери
ментальные результаты диссертационной работы использованы при вы
полнении следующих научно-исследовательских работ (НИР), проводи
мых в БГУ им. В.И. Ленина: "Разработать математические методы,
программы и технические средства для обеспечения массовых кардио
логических обследований населения" (ГБ НИР, Л гос. per. 8I08I824,
І98І-І985гг.); "Разработать информационно-измерительный комплекс
для автоматизации профилактических кардиологических обследований
населения" (ГБ Ш, № гос.per. 870034928, 1986-1990);"Разработать
технические средства и метода неинвазивной оценки вентиляционной
функции легких у оператора, работающего в гипербарических услови
ях" (договор о научно-техническом сотрудничестве (ДНТС) между БГУ
и НИИ гигиены'морского транспорта МЗ СССР,-1988-1989); "Разрабо
тать методику и технические средства для биоимледансного исследо-
- ' _ 6 -
вания вентиляционной функции легких" (ДНТС с Филиалом советско-болгарской лаборатории "ЕТОН" по пульмонологии и пульмонологическому приборостроению, 1988-1990), "Разработать программно-технические средства для обеспечения углубленных неинвазивных исследований кардиореспираторной системы на основе метода биоимпедансных измерений" (х/д J6 81838 плана НИР БГУ, 1990-1991).
По результатам работы изготовлен комплект аппаратуры для не-инвазивного исследования кардиореспираторной системы, включающий реоплетизмограф легких РПГ 2-05, ритмокардкопневмометр РКПМ 2-02 и набор датчиков для общего и регионарного обследования легких. Аппаратура прошла клиническую апробацию в НИИ пульмонологии и фтизиатрии МЗ БССР и 9-ой клинической больнице г. Минска. Приборы демонстрировались на ВДНХ БССР (1988), выставке "От фундаментальных исследований до практического внедрения" Гособразования СССР (Москва, МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1989), выставке "Вузы Белоруссии предлагают" (Варшава,1991) и отмечены дипломами и степени.
В настоящее время на базе ПЭВМ івм рс/ат и указанных приборов в НЛП "Аксиома" при БГУ им. В.И. Ленина создан образец автоматизированного комплекса "УНИКАРС-500" для мониторного и клинико-диагностического исследования легких, разрабатывается компьютерная система для экспресс-анализа локальных легочных функций.
Технические и методические решения, полученные в диссертации, использованы Филиалом советско-болгарской лаборатории по пульмонологическому приборостроению (г. Москва) при создании многофункционального компьютерного комплекса "ЕТШ-07". НИИ гигиены морс-чого транспорта МЗ СССР (г. Ленинград) и Киевский госуниверситет имени Т.Г. Шевченко используют предложенный метод для оценки состояния кардиореспираторной системы у человека-оператора. В НИИ
.. V -
экспериментальной хирургии им. А.Н. Сызганова КазССР (г.Алма-Ата) разработанные технические решения (датчики, принципиальные схемы) применены при создании автоматизированной системы зональной рео-графии легких, что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XI Международном конгрессе по биотелеметрии (Япония, Йокогама, 1990), Всесоюзных конференциях "Проблемы создания тех-нических средств для массовой диспансеризации населения" (Москва, 1985), "Проблемы оценки функциональных возможностей человека и прогнозирование здоровья" (Москва, 1985), "Бионика и биомедкибер-нетика-85"(Ленинград, 1986), "Реализация математических методов с использованием ЭВМ в клинической и экспериментальной медицине" (Москва, 1986), "Измерения в медицине и их метрологическое обес-обеспечение" (viii, Менделеево, 1986 и їх, Москва, 1989), "Актуальные вопросы применения радиоэлектроники в медицине" (Куйбышев, 1988); научно-технических конференциях "Метрологическое обеспечение измерений в медицине и биологии" (Таллин, 1983), "Автоматизированные электронные системы для массовых профилактических осмотров" (Ленинград, 198е), "Физические факторы и технические средст-ва в медицине" (Минск, 1986); vn республиканском съезде терапевтов БССР (Минск, 1984); выездных заседаниях секции "Актуальные вопросы медицинской техники" при ЦП НТО РЭС им. А.С. Попова (Минск, 1987,1988), расширенных Пленумах РП ВНМТО БССР "Вопросы применения медике биологических методов и средств для оздоровления и физической культуры" (Минск, 1988) и "Проблемы создания и внедрения медико-технических систем в республике"(Минск, I99Q),
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 23 научные работы (5 статей, 2 отчета, 15 тезизов докладов и I авторское свидетельство).
- 8.--
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Она включает 158 стр. основного машинописного текста, 50 рисунков и 8 таблиц. Библиография содержит 162 наименования. Обший объем работы (с приложением) - 246 стр.
