Содержание к диссертации
1. АНАЛИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СОСТОЯНИЯ 11
Описание объектов исследования 11
Электрические и электрохимические свойства биологических объектов 14
Методы исследования биологических объектов 17
Задачи, решаемые в работе по безопасному неинвазивному применению импедансного метода определения параметров костной ткани 25
1.5. Схемы замещения костной ткани 29
Выводы по главе 1 31
2. ВЫБОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ
ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ 33
2.1. Анализ методов определения параметров схем замещения,
представленных многоэлементными двухполюсниками 33
2.1.1. Мостовые методы измерений значений параметров
схем замещения костной ткани 33
Инвариантные методы измерения значений параметров схем замещения костной ткани 39
Косвенные совокупные измерения значений параметров схем замещения костной ткани 44
2.2. Структурная схема определения параметров схем
замещения костной ткани методом косвенных совокупных
измерений на основе измерения модуля и фазового сдвига 46
2.3. Математическое описание работы СИ модуля и фазового
сдвига 49
Выводы по главе 2 56
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ
СИ И АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИЗМЕРЕНИЙ 58
3.1. Методика определения значений входных параметров
СИ модуля и фазового сдвига 58
Измерение входных сопротивлений измерительных приборов на постоянном токе 58
Измерение комплексных составляющих входных сопротивлений измерительных приборов на переменном токе 60
Погрешности косвенных совокупных измерений значений параметров двухполюсников и разработка методики их компенсации 63
Разработка методики определения весовых коэффициентов составляющих погрешностей, влияющих на значения измеряемых параметров схем замещения костной ткани 68
Определение параметров двух- и трехэлементных схем замещения костной ткани на основе измерения модуля и фазового сдвига 74
Выводы по главе 3 82
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСТНОГО
РЕГЕНЕРАТА 83
4.1. Определение значений диапазона частот, выбор формы и
размеров электродов для съема данных неинвазивным способом при
измерениях параметров костного регенерата 83
Результаты экспериментальных данных, проводимых по однократному измерению в области травмы неинвазивным импедансным методом 91
Анализ полученных результатов измерений и совершенствование метода за счет измерения параметров симметричных областей биообъекта 97
Повышение точности диагностики процесса репарации костной ткани за счет измерения по трем точкам 100
Возможные направления совершенствования неинвазивного импедансного метода при определении степени регенерации костной ткани 104
Выводы по главе 4 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
БИБШОІТАФИЧЕСКИЙСТІИСОКИаіОЛЬЗОВАННОЙЛИІЕРАТУРЬІ 108
Приложение 1 (программа обработки результатов измерений) 116
Приложение 2 (акты внедрения) 120
Введение к работе
Актуальность работы.
В различных областях медицины оценка состояния биологических тканей, в том числе костной ткани является очень важной задачей. Практически при каждом заболевании требуются диагностика на ранних стадиях, выбор рациональной методики лечения и контроль состояния биологического объекта, особенно после оперативного вмешательства.
В настоящее время существуют неинвазивные методы, позволяющие оценивать состояние костной ткани (рентгенологические, радионуклидные, ультразвуковые, компьютерная и ядерно-магнитно-резонансная томографии). Но возможности применения данных методов ограничены из-за оказания на организм человека лучевой нагрузки, высокой стоимости применяемой аппаратуры, относительно низкой чувствительности и информативности.
В этой связи одной из основных задач стоящих перед разработчиками медицинской аппаратуры является создание новых информативных и безопасных методов контроля состояния костной ткани.
В последнее время для решения поставленных задач все более широкое применение стали находить электрохимические методы анализа (Калашник А.Ф., Хачатрян А.П. и др.), основанные на измерении электрических параметров биообъектов при пропускании через них электрического тока. Главными достоинствами данных методов является простота реализации метода, низкая стоимость аппаратуры, оперативность использования и безопасность для здоровья человека.
Из электрохимических методов для оценки состояния биологических объектов наиболее приемлемым является импедансный метод, в котором оцениваемым параметром является регистрируемое
значение импеданса. Импедансометрию применяли для исследования первичного и вторичного сращивания костей (Ткаченко С.С, Руцкий В.В.). В процессе исследований были получены результаты, подтверждающие целесообразность использования электрохимических импедансных методов для оценки состояния костной ткани. Но в этих исследованиях применялись инвазивные методы, основанные на вживлении электродов в биологическую ткань и оказывающие негативное воздействие на организм человека из-за использования при проведении исследований токов мегагерцового диапазона частот.
В настоящее время для решения задач оценки состояния биологических объектов отсутствуют разработки, в которых предлагается использование неинвазивного импедансного метода контроля регенерации костной ткани с использованием безвредного для пациента диапазона частот, исключающего лучевую нагрузку на организм человека.
Таким образом, актуальность темы определяется потребностью создания приборов и систем на основе более эффективного метода по сравнению с существующими, а также реализующих его алгоритмов контроля состояния костной ткани при различных заболеваниях пациентов. Это позволит осуществлять своевременную диагностику заболевания и постоянное наблюдение за процессом лечения, но при этом снизить осложнения и сократить сроки реабилитации больных.
Как правило, биологические объекты являются нелинейными нестационарными системами. Поэтому оценка их состояния является достаточно сложной проблемой и требует разработки методики и соответствующих алгоритмов.
Целью данной работы является совершенствование метода импедансометрии для контроля состояния костной ткани и разработка соответствующего измерительного комплекса.
Основные задачи исследования;
1. Анализ электрических и электрохимических свойств костной ткани и существующих методов измерения её параметров с целью разработки безопасного для организма человека метода диагностики состояния костной ткани.
2 Разработка модели биологического объекта на основе структурно параметрической идентификации в виде электрической схемы замещения для диагностики процесса регенерации костной ткани.
Разработка структуры информационно-измерительного комплекса для структурно параметрической идентификации параметров костной ткани.
Разработка методики и алгоритмов определения параметров объекта контроля и математической обработки полученных результатов измерений в клинической практике.
Методы исследования основаны на теории линейных электрических цепей и теории синтеза цепей. Использованы математический аппарат функции комплексной переменной, линейной алгебры, классических разделов математического анализа, теории погрешностей. Проверка результатов теоретических исследований проведена посредством натурных экспериментов и имитационного моделирования в средах Mathcad и MatLab.
Научная новизна работы:
Предложен неинвазивный импедансный метод контроля состояния костной ткани, позволяющий проводить многократное измерение параметров в течение периода формирования костного регенерата и исключающий вредное лучевое воздействие на организм человека.
Определены схемы замещения для идентификации костной ткани, позволяющие получить данные, характеризующие исследуемые
объекты.
Разработана методика, позволяющая получить значения параметров костной ткани с более высокой степенью точности по сравнению с существующими.
Разработана методика компенсации аддитивных, мультипликативных и взаимосвязанных составляющих методической погрешности.
Разработана методика определения весовых коэффициентов частных составляющих инструментальной погрешности средств измерений при определении значений параметров костной ткани.
Практическая ценность работы;
Определены структурные схемы алгоритмов косвенных совокупных измерений параметров объекта контроля, решающие задачи структурно параметрической идентификации костной ткани.
Разработана методика компенсации аддитивных, мультипликативных и взаимосвязанных составляющих погрешности используемых средств измерений, обеспечивающая точность измерений, соответствующую мостам переменного тока.
Разработан измерительный комплекс, позволяющий оценить состояние костной ткани, основанный на неинвазивном и безопасном для организма человека импедансном методе измерений параметров биологического объекта.
Предложенные методика и измерительный комплекс могут использоваться в клинической практике для контроля состояния костной ткани в процессе лечения переломов и при удлинении кости.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Неинвазивный импедансный метод измерения параметров, характеризующих состояние костной ткани в процессе лечения переломов
и при удлинении кости.
Схемы замещения для идентификации образов костных тканей.
Методика проведения контрольных измерений в процессе регенерации костной ткани по трем точкам, позволяющая исключить влияние субъективных факторов на результаты измерений и повысить их достоверность.
Измерительно-вычислительный комплекс для измерения параметров, характеризующих состояние костной ткани в процессе лечения переломов и удлинения конечностей в клинических условиях.
Реализация работы и внедрение результатов.
Пензенская областная клиническая больница им. Н.Н. Бурденко, Пензенский институт усовершенствования врачей Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию применяют методику оценки состояния костного регенерата, прибор для оценки динамики регенеративных процессов костной ткани.
Пензенский государственный университет использует научные и практические результаты диссертационной работы в учебном процессе на кафедрах «Информационно-измерительная техника» и «Медицинские приборы и оборудование».
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Пензенский госуниверситет», а также на международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: Всероссийская НТК «Биомедсистемы» (Рязань, 2001, 2003гг.); Всероссийская НТК молодых ученых «НТИ - 2004» (Новосибирск 2004г.); международные НТК «КЛИН» (Ульяновск 2002-2004, 2006гг.); Международная НПК «Здоровье и образование в XXI веке» (Москва
2004г.); международные НПК «Современные информационные технологии» (Пенза 2004-2006гг.); областная НТК «Актуальные вопросы современной клинической медицины» (Пенза 2004г.); Международная НПК молодых ученых «IT+SE'06»" (Ялта 2006г.); на заседаниях научно-методического (технического) семинара кафедры "Информационно-измерительная техника" государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка использованной литературы заключения и приложений. Объем работы: 124 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 4 таблицы. Библиографический список использованной литературы содержит 67 источников.
1. АНАЛИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СОСТОЯНИЯ
Вводные замечания. В данной главе анализируются свойства биологических объектов и методы исследования их состояния, рассматриваются существующие электрические модели биообъектов.
