Исследование и разработка методов повышения эффективности мониторирования скорости кровотока Рябоконь, Александр Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Известно, что метод мониторирования, успешно используемый в кардиографии и исследованиях артериального давления, позволяет выявлять степень вариабельности исследуемых параметров на фоне деятельности пациента в течение длительного интервала времени. Отсутствие эффективных средств неинвазивного ультразвукового мониторирования центрального и периферического кровотока в значительной мере затрудняет исследование взаимосвязей гемодинамических параметров в динамике развития реакций в сердечно-сосудистой системе человека. В результате существенно ограничиваются возможности совершенствования гемодинамических моделей, интерес к которым за последние годы привел к созданию многочисленных частных моделей (Olufsen и др., 2005 г., Астраханцева и др., 2006 г., Heusden и др., 2006 г., Edgell и др., 2012 г.), учитывающих некоторые особенности гемодинамики в ограниченном диапазоне значений параметров, либо влияние на гемодинамику отдельных частных факторов.

Стационарное мониторирование кровотока вошло в медицинскую практику еще в начале 80-х годов прошлого века, однако его применение сегодня по-прежнему ограничено областью цереброваскулярных исследований. Существующие в настоящее время стационарные транскраниальные мониторы не способны выполнять мониторирование центрального или периферического кровотока в условиях свободной активности пациента. Аналогично, не способны выполнять мониторирование и широко распространенные доплеровские измерители скорости кровотока, предназначенные для непродолжительных измерений и требующие непрерывного участия оператора, ответственного за обеспечение безопасности и достоверности измерений. Таким образом, становится очевидной необходимость повышения эффективности мониторирования скорости кровотока. При этом под эффективностью понимается обеспечение безопасности, достоверности и продолжительности измерений до нескольких часов при мониторировании скорости кровотока.

Проблема безопасности медицинского ультразвукового излучения активно исследовалась в 70-х - 90-х годах прошлого столетия, в результате чего в качестве стандарта были приняты граничные значения акустических параметров безопасного излучения низкой интенсивности (IEC 61157-2007). Тем не менее, при кратковременных исследованиях допускаются более высокие интенсивности, и как показано в работе Nelson и др., 2009 г., в практических исследованиях в основном используются интенсивности, в несколько раз превышающие порог безопасного излучения. Если при кратковременных ультразвуковых исследованиях нежелательное действие ультразвука повышенной интенсивности оказывается слабо выраженным, то при мониторировании кровотока повышенные интенсивности недопустимы, поэтому соблюдение условий безопасности и достоверности измерений в случае мониторирования должно обеспечиваться непосредственно самими средствами измерений. Это может быть достигнуто в мобильном доплеровском мониторе с автономным питанием, обеспечивающем продолжительность сеанса измерений до нескольких часов с возможностью свободного движения пациента. Как известно, построение оптимальной архитектуры конкретного ультразвукового устройства представляет собой сложную научную и инженерную проблему, решением которой в последние годы активно занимаются зарубежные исследователи (Zurek, 2008 г., Lewandowski и др., 2009 г., Litniewski и др., 2012 г.). В результате того, что стандартные подходы к разработке ультразвуковых диагностических аппаратов не позволяют создать доплерограф, удовлетворяющий требованиям мониторирования, возникает необходимость в разработке способов эффективной аппаратной реализации мобильного монитора скорости кровотока.

Таким образом, целью работы является повышение эффективности мониторирования скорости кровотока, когда в течение продолжительного времени ультразвукового исследования обеспечиваются безопасность и достоверность измерений в условиях свободной активности пациента. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи исследования:

1. Определение граничных условий для параметров излучения и разработка метода обеспечения безопасности ультразвукового мониторирования.

2. Определение условий излучения, при которых обеспечивается минимальная ошибка измерений скорости кровотока и диаметра сосуда, а также разработка показателя для оценки достоверности результатов измерений и метода повышения достоверности измерений.

3. Определение критериев оценки эффективности и разработка способов реализации мобильного монитора скорости кровотока.

4. Экспериментальная проверка применимости способа эффективной реализации одноканального варианта мобильного монитора скорости кровотока.

5. Разработка методики построения ультразвукового мобильного монитора скорости кровотока.

Научная новизна:

5. 1. Выявлены ограничения максимальной глубины инсонации и максимальной амплитуды напряжения возбуждения пьезодатчика, обеспечивающие однозначность измерений и безопасность ультразвукового мониторирования скорости кровотока.

   2. Получен модифицированный индекс спектрального расширения, предназначенный для оценки достоверности измерений при мониторировании скорости кровотока.

   3. Предложены критерии оценки эффективности реализации мобильного монитора скорости кровотока.

   Практическая значимость работы:

   5. 3. 1. Разработан алгоритм функционирования экспериментального образца мобильного монитора скорости кровотока.

         2. Разработана методика построения мобильного монитора скорости кровотока, для которой параметры ультразвукового датчика являются основными исходными данными.

         Основные положения, выносимые на защиту:

         5. 3. 2. 1. Критерии оценки и способы эффективной реализации мобильного монитора скорости кровотока.

                  2. Метод обеспечения безопасности ультразвукового мониторирования скорости кровотока.

                  3. Метод повышения достоверности измерений скорости кровотока.

                  Внедрение результатов работы. Результаты исследований, полученные в диссертации, были использованы в НКТБ «Пьезоприбор» при разработке спектра ультразвуковых преобразователей медицинского назначения. Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках государственных контрактов Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере - Фонда Бортника (НИОКР № 7337р/10204/8 в 2009-2010 гг. и НИОКР № 9000р/14126/16 в 2011-2012 гг.).

                  Достоверность исследований подтверждена полученными при проведении моделирования результатами, их согласованностью с известными из литературы данными, а также результатами испытаний экспериментального образца мобильного монитора скорости кровотока.

                  Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях:

                  5. 3. 2. 3. 1. 9-я Всероссийская НТК студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиотехника и системы управления» (КРЭС-08), Таганрог, 2008.

                              2. III Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины», Ростов-на-Дону, 2009.

                              3. Тринадцатая международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2012.

                              4. VIII международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Информатика и компьютерные технологии - 2012», Донецк, Украина, 2012.

                              5. VI Международная научно-практическая конференция «Тенденции и инновации современной науки», Краснодар, 2013.

                              Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, 3 из которых опубликованы в изданиях из перечня ВАК.

                              Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 168 наименований, и приложений. Работа содержит 32 рисунка и 15 таблиц. Содержание работы изложено на 156 страницах машинописного текста.

                              Список используемых сокращений. ЦСП - цифровой сигнальный процессор, ММСК - мобильный монитор скорости кровотока, МК - микроконтроллер, ОСШ - отношение сигнал/шум, ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема, ППТ - приемо-передающий тракт, УЗ - ультразвук, ФАР - фазированная антенная решетка.

                              Похожие диссертации на Исследование и разработка методов повышения эффективности мониторирования скорости кровотока

                              

                              Исследование оптоакустического эффекта в средах с углеродными наноматериалами и разработка системы диагностики клеток в кровотокеДжуплина, Галина Юрьевна

                              

                              Исследование и разработка методов параллельной реконструкции изображений в магнитно-резонансной томографии.Серегин Павел Сергеевич

                              Исследование и разработка методов и средств реализации управляемого локального криовоздействия на биологические тканиЖолобов, Николай Иванович

                              

                              Разработка и исследование методов формирования решающих правил в медицинских диагностических системахКовригин Василий Михайлович

                              

                              Исследование и разработка методов обработки сигналов и принятия решений в медицинских диагностических системахКраснобаев, Дмитрий Анатольевич

                              Исследование и разработка методов и технических средств контроля в медицинской термографииМихеев, Сергей Васильевич

                              Разработка и исследование методов и технических средств нановольтового и микровольтового уровня для электрофизиологических исследованийЮжаков, Михаил Михайлович

                              Исследование и разработка методов и технических средств регенерации радиоактивного ксенона, используемого в радиоизотопной диагностикеЛеви, Борис Семенович

                              Разработка и исследование биспектрального метода контроля процесса гемодиализаСтепанова, Оксана Сергеевна

                              

                              Разработка метода и средств для исследования стереоскопического зрения с использованием электронного дисплеяКасасбех Мутасем