Введение к работе
Актуальность работы.
Согласно статистике Минздрава России, самые распространенные заболевания взрослого населения связаны с болезнями органов дыхания (БОД). По данным, опубликованным Всемирной Организацией Здравоохранения в 2015 г. , из 56,4 млн. случаев смерти во всем мире 9,5 млн. (16,8%) были вызваны БОД, что делает их одной из частых причин смерти в мире.
При выявлении и лечении БОД прибегают к функциональной диагностике и исследованию структуры легких с применением методов медицинской визуализации.
Широко используемым методом функциональной диагностики легких является спирометрия, позволяющая на основании регистрации изменения легочных объемов определить различные параметры вентиляционной функции (ВФ) легких. Однако спирометрия позволяет оценить интегральную ВФ легких без возможности выявить особенности регионарной вентиляции (РВ) легких. Кроме того, использование прямых методов контроля параметров дыхания невозможно при длительном мониторинге из-за развивающегося чувства дискомфорта, вызванного влиянием средств измерения на функционирование дыхательной системы человека.
Наиболее распространенными методами медицинской визуализации структуры легких являются рентгенологические методы (флюорография, рентгенография, рентгеновская компьютерная томография), которые получили широкое распространение при диспансеризации, а также при мониторинге процесса восстановления тканей легких после хирургического вмешательства. Однако данные методы связаны с воздействием ионизирующего излучения на пациента и медицинский персонал и не позволяют реализовать оперативный мониторинг. Методы магнитно-резонансной томографии и ультразвуковой визуализации не получили широкого распространения при исследованиях структуры легких. Для реализации методов медицинской визуализации требуются сложные массивные аппараты, что делает невозможным прикроватный мониторинг.
Оценка вентиляционной функции легких является одним из важных
информативных показателей функционирования респираторной системы
человека. Оценка ВФ легких позволяет выявлять обструктивные, рестриктивные и смешанные вентиляционные нарушения легких, в том числе на ранних стадиях.
Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка новых методов и систем мониторинга ВФ легких человека, обеспечивающих: оперативный мониторинг; помехоустойчивость; отсутствие ионизирующих
излучений; возможность неинвазивной количественной и визуальной оценки ВФ легких человека; возможность оценки регионарной вентиляции легких человека; мобильность аппаратных средств.
Объектом исследования является система мониторинга вентиляционной функции легких человека.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы определения вентиляционной функции и регионарной вентиляции легких человека.
Цель исследования: разработка и исследование метода и системы мониторинга вентиляционной функции легких человека, позволяющих оперативно получать количественную и визуальную информацию о вентиляционной (в том числе регионарной) функции легких человека.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
разработать метод мониторинга вентиляционной функции легких человека, позволяющий оперативно получать количественную и визуальную информацию о вентиляционной (в том числе регионарной) функции легких человека, отличающийся повышенной помехоустойчивостью;
разработать математическую модель грудной полости человека, позволяющую исследовать влияние вентиляции лёгких человека на результат мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом электроимпедансной томографии (ЭИТ);
разработать и исследовать методику оценки интегральной ВФ легких, позволяющую определить интегральную ВФ легких до реконструкции поля изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ;
разработать и исследовать методику оценки РВ легких на основании результатов мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ;
разработать аппаратно-программную реализацию системы мониторинга ВФ легких человека, реализующую разработанный метод;
провести экспериментальную апробацию в клинических условиях разработанных метода и системы мониторинга ВФ легких.
Научная новизна работы:
1. Разработан метод мониторинга вентиляционной функции легких
человека, основанный на определении интегрального изменения проводимости
легких методом электроимпедансной томографии, отличающийся учетом
коэффициентов регионарной вентиляции, что позволяет повысить
помехоустойчивость метода.
-
Разработана математическая модель грудной полости человека, позволяющая исследовать влияние вентиляции лёгких человека на результат мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом электроимпедансной томографии, отличающаяся учетом частотной зависимости параметров тканей грудной полости человека и возможностью исследования нарушений вентиляции левого и правого легкого.
-
Разработана методика оценки интегральной вентиляционной функции легких на основании результатов электроимпедансной томографии, отличающаяся тем, что оценка интегральной вентиляционной функции легких производится до реконструкции поля изменения проводимости грудной полости на основании результатов измерения разностей потенциалов на поверхности грудной полости.
-
Разработана методика оценки регионарной вентиляции легких, заключающаяся в оценке распределения воздухонаполнения легких, основанная на расчете коэффициентов линейной регрессии между изменением проводимости каждого конечного элемента модели грудной полости и интегральной вентиляционной функцией легких человека.
Практическая ценность результатов работы заключается в аппаратно-программной реализации системы мониторинга ВФ легких на основе ЭИТ, реализующей разработанный метод. Система позволяет оперативно получать количественную и визуальную информацию о вентиляционной (в том числе регионарной) функции легких человека и может быть использована при скрининговых обследованиях пациентов, а так же при пред- и послеоперационном мониторинге состояния ВФ легких пациентов.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в
диссертации, обеспечивается применением: теории измерений, математической
статистики, математического моделирования с использованием пакетов прикладных
программ Octave, EIDORS, LabVIEW, FEMM; согласованием теоретических
положений с результатами экспериментальных исследований; корректностью
допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке
устройства; использованием метрологически аттестованного оборудования при
экспериментальных исследованиях разработанной системы; критическим
обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области измерительной техники и торакальной хирургии.
Основные положения, выносимые на защиту: - метод мониторинга ВФ легких человека, основанный на определении интегрального изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ, позволяющий оперативно получать количественную и визуальную информацию о
вентиляционной (в том числе регионарной) функции легких человека, отличающийся повышенной помехоустойчивостью;
математическая модель грудной полости человека, позволяющая исследовать влияние вентиляции лёгких человека на результат мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ;
методика оценки интегральной ВФ легких, позволяющая оценить интегральную ВФ легких до реконструкции поля изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ;
методика оценки РВ легких, позволяющая оценить распределение воздухонаполнения легких;
структура и программное обеспечение аппаратно-программной реализации системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ.
Апробация работы.
Основные положения и научные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: международная конференция «Electrical, Electronics, Materials and Applied Science» (г. Телангана, Индия, 2017 г.); международная научно-техническая конференция "Пром-Инжиниринг" (г. Санкт-Петербург, 2017 г.); международная научно-техническая конференция "Динамика технических систем" ДТС-2017 (г. Ростов-на-Дону, 2017 г.); международная научно-практическая конференция, посвященная 110-летию ЮжноРоссийского государственного политехническое ун-та (НПИ) им. М.И. Платова «Моделирование. Теория, методы и средства» (г. Новочеркасск, 2016 г.); ежегодная конференция компании National Instruments NIDays (г. Москва, 2015-2016 гг.); Вьетнамо-Российская международная научная конференция (г. Ханой, Вьетнам, 2015 г.); международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2015 г.); научно-техническая конференция и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями ЮФО в рамках участия в реализации федеральных целевых программ и внепрограммных мероприятий, заказчиком которых является Минобрнауки (г. Новочеркасск, 2014 г.), а так же на научных семинарах кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2014-2018 гг.).
Реализация и внедрение результатов работы.
Основные результаты работы получены в рамках следующих НИОКР: - проект № 14.574.21.0029 «Разработка аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов», выполненный в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы»,
грант РФФИ № 18-38-00786 «Разработка методологии и алгоритмических средств интеллектуальной идентификации внутренних структур биологических объектов в системах электроимпедансной томографии»,
грант Президента РФ № 14.Z56.15-4856-МК «Разработка новых методов и алгоритмов электроимпедансной томографии для создания технических средств визуализации внутренних структур биообъекта».
Практические и теоретические результаты работы внедрены:
ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский онкологический институт» Минздрава России;
в учебном процессе на кафедре «Информационные и измерительные системы и технологии» ФГБОУ ВО «ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова».
Публикации.
По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК, 12 статей в изданиях, входящих в базу цитирований Scopus, 3 статьи в изданиях, входящих в базу цитирований Web of Science, 1 патент на полезную модель и 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертационном исследовании, состоит в анализе проблемы мониторинга ВФ легких человека, разработке и исследовании метода мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ, разработке математической модели грудной полости для исследования влияние вентиляции лёгких человека на результат мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ, разработке и исследовании методики определения интегральной ВФ легких, разработке и и исследовании методика определения РВ легких, аппаратно-программной реализации системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ, участии в экспериментальной апробации в клинических условиях разработанной системы и обработке результатов апробации.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 130 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 167 страницах, в том числе: 129 страниц текста с 65 рисунками, 14 страниц списка литературы, 24 страницы приложений.