Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важных задач, стоящих в различных областях медицины, является задача оценки состояния биологических тканей и жидкостей человека.
Существует ряд методов, позволяющих производить оценку состояния тканей (рентгенологические, ультразвуковые, компьютерная томография и др.), но из-за оказания повышенной лучевой нагрузки на организм человека, высокой стоимости и больших габаритов аппаратуры возможности их ограничены.
В этой связи актуальной является задача создания медицинской аппаратуры, не оказывающей влияния на организм человека, имеющей более высокую информативность и низкую стоимость.
В последнее время для решения поставленной задачи ряд ученых стали применять электрохимические методы (Калашник А. Ф., Ха-чатрян А. П., Никольский В. И., Геращенко С. И. и др.), основанные на измерении электрических параметров биообъектов при пропускании через них электрического тока. К достоинствам данных методов можно отнести: безопасность для здоровья человека, низкую стоимость аппаратуры, простоту реализации. Наиболее близкими для решения поставленных задач являются импедансные и джоульметриче-ские методы.
В импедансометрии исследуемый объект представляется схемой замещения, параметры которой определяются на основании оценки его частотных свойств. Результаты исследований, проведенных с помощью импедансных методов (Давыдов А. В., Ткаченко С. С, Руц-кий В. В.), подтвердили целесообразность использования электрохимических методов.
В основу джоульметрического метода положено соответствие между работой, совершаемой внешним источником электрической энергии, и изменением состояния исследуемого объекта. Джоуль-метрический метод обладает высокой чувствительностью и малыми временными затратами на исследование. К недостаткам метода можно отнести низкую воспроизводимость результатов измерений.
В связи с этим предлагается повысить эффективность джоульметрического метода за счет стабилизации режимов электрохимической системы, что позволяет существенно повысить воспроизводимость
получаемых в процессе идентификации параметров, оценивающих свойства биообъектов.
При разработке законов управления стабилизацией режимов необходимо учитывать особенности электрохимических объектов, связанные с их нестационарностью, нелинейностью и высоким уровнем шумов в обрабатываемых сигналах. Это существенным образом сказывается на степени неопределенности исследуемой системы, выступающей в роли регулируемого объекта. Поэтому решение задачи построения регулятора сформулировано в классе синтеза робастных систем управления в условиях параметрической неопределенности.
Целью диссертационной работы является увеличение количества информативных признаков джоульметрической системы.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Анализ биологических объектов, их электрических и электрохимических свойств. Исследование электрохимических свойств биологических объектов в состоянии «норма» и «патология».
-
Разработка математических моделей биологических объектов, адекватно описывающих их электрохимические свойства в состоянии «норма» и «патология».
-
Модернизация джоульметрического метода оценки состояния биологических объектов.
-
Разработка алгоритмов построения робастных регуляторов для джоульметрических систем.
-
Разработка системы обработки данных и управления, использующей модернизированный джоульметрический метод.
-
Экспериментальная оценка эффективности предложенного модернизированного джоульметрического метода.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического анализа линейных и нелинейных динамических систем, теория идентификации, теория матриц, теория автоматического управления, Нм-теория, электрохимические методы анализа, математическое моделирование.
Научная новизна.
1. Разработаны математические модели биологических объектов, описывающие их электрохимические свойства в состоянии «норма»
и «патология», позволяющие адекватно описывать их состояние в широком динамическом диапазоне рабочих токов.
-
Предложен джоульметрический декомпозиционный метод со ступенчатым комбинированным способом задания входных токов, позволивший повысить воспроизводимость результатов и расширить признаковое пространство.
-
Разработаны алгоритмы настройки робастных регуляторов для джоульметрических измерительных систем, позволяющие автоматически синтезировать регуляторы без участия пользователя.
-
Разработана структура джоульметрической системы для контроля состояния биологического объекта, позволяющая получать более 64 некоррелированных параметров.
Практическая значимость. Полученные в диссертационной работе теоретические и практические результаты обеспечивают возможность создания нового класса приборов медицинского назначения для оценки состояния биологических объектов.
Реализация и внедрение результатов.
-
Методика оценки состояния костного регенерата - Пензенская областная больница им. Н. Н. Бурденко.
-
Прибор для оценки динамики воспалительных процессов -ФГУП ПО «СТАРТ».
-
Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедрах: «Медицинские приборы и оборудование» и «Автономные информационные и управляющие системы» ГОУВПО «Пензенский государственный университет».
На защиту выносятся:
Джоульметрический декомпозиционный метод задания комбинированным способом входных токов различной амплитуды.
Математические модели биологических объектов, позволяющие адекватно описывать их состояние в широком динамическом диапазоне рабочих токов.
Структура джоульметрической системы, использующая роба-стное управление при комбинированном задании входных воздействий.
Результаты экспериментальных исследований свойств биологических жидкостей, костного регенерата, тканей желудка и почки в состоянии «норма» и «патология».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2001, 2002); Научно-технической конференции «Безопасность информационных технологий» (Пенза, 2002); XI Международном симпозиуме «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системе медико-экологической безопасности» (Испания, Коста Дуарда, 2002); XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Крым, 2003); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» «Вооружение, безопасность, конверсия» (Пенза, 2003); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 9 статей и 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста, включая 65 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список использованной литературы содержит 92 источника.
