Введение к работе
Актуальность проблемы. Случайные колебания химического и морфологического состава крови, а также ее физико-химических свойств, в нормально функционирующем (здоровом) организме быстро выравниваются. С другой стороны, всевозможные нарушения функций отдельных органов и систем (печени, почек, сердечнососудистой системы и т. д.) приводят к соответствующим относительно устойчивым сдвигам ее состава и свойств. Это позволяет рассматривать кровь, как высокочувствительный многопараметрический индикатор состояния организма. Поэтому, неслучайно, гематологические исследования занимают значительный удельный вес среди анализов, проводимых в клинико-диагностических и экспериментальных лабораториях.
К сожалению, среди традиционных гематологических параметров, такие как показатель гематокрита, осмолярность плазмы и многие др., известен ряд "неспецифических" высоко информативных в различных областях медицины показателей системы крови, которые в силу недостаточной методической обеспеченности не получили широкого внедрения в клинической лабораторной практике.
Это касается ультразвуковой резистентности эритроцитов, являющейся ранним индикатором сердечно-сосудистых патологий и заболеваний онкологического характера при отсутствии изменений основных гематологических показателей (СОЭ, содержание гемоглобина, количество эритроцитов и т. д.), удельных электроироводно-стей плазмы крови и цитоплазмы (их эффективных осмолярностей), характеризующих уровень их общей электролитемии и имеющих исключительно важное значение для диагностики и прогнозирования целого ряда заболеваний, связанных со сдвигами водно-электролитного баланса, а также различных сердечно-сосудистых нарушений.
Стремление получить при исследовании системы крови больший объем объективной информации о состоянии здоровья, как правило, сопровождается разработкой новых, не связанных между собой, методов и технических средств. Это, естественно, приводит к необходимости увеличения общего объема исследуемой пробы, а также к увеличению перечня используемых химических реактивов, времени пробоподготовки и проведения анализа вцелом.
В связи с изложенным, актуальной является разработка высокоэффективных лабораторно-диагностических систем анализа крови,
которые позволяли бы производить одновременную оценку нескольких диагностически значимых параметров в одной микропробе за короткий промежуток времени.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование и разработка экспресс-метода и соответствующих технических средств для оценки группы параметров крови в одной микропробе без специальной пробоподготовки и использования химических реактивов.
В работе решались следующие основные задачи:
-
Изучение возможностей применения физико-химических методов и технических средств для одновременной оценки группы параметров в одной микропробе цельной крови без специальной пробоподготовки и использования химических реактивов.
-
Разработка математической модели динамики электропроводности крови при гемолизе.
-
Анализ физических аспектов взаимодействия ультразвука с цельной кровью и определение оптимальных параметров излучения для инициации гемолиза в цельной крови.
-
Разработка алгоритма идентификации параметров математической модели гемолиза.
-
Исследование метрологических характеристик метода.
-
Техническая реализация метода и его лабораторные испытания.
Методы исследования. Поставленные задачи решались в соответствии с основными принципами поэтапного моделирования теории биотехнических систем, разработанной в МГТУ им. Н.Э.Баумана и Санкт-Петербургском электротехническом университете, путем сочетанного использования теоретических и экспериментальных методов исследования.
Синтез математической модели динамики электропроводности крови при гемолизе осуществлялся на основе теории электропроводности дисперсных систем с непроводящей дисперсной фазой.
Выбор и обоснование режимов облучения (параметров ультразвуковых колебаний) исследуемого образца для инициации гемолиза в цельной крови осуществлялись с учетом основных физико-математических положений распространения упругих колебаний в сложных полидисперсных средах.
При разработке алгоритма идентификации параметров математической модели гемолиза использованы прямые и градиентные оптимизационные методы отыскания минимума целевой функции.
Разработка конструкции измерительной ячейки и электродов, а также выбор и обоснование их материалов базировались на положениях электрохимии, теплообмена и теплопереноса.
Результаты экспериментов при оценке адекватности разработанной математической модели обрабатывались с применением непараметрических методов математической статистики, используемых для малых выборок.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Доказана принципиальная возможность создания лаборатор-но-диагностических методов и систем оценки показателей биологических жидкостей (сложных полидисперсных сред) без применения химических реактивов и специальной пробоподготовки на основе идентификации параметров динамической модели процессов, протекающих под действием заданного возмущения.
-
Впервые разработана адекватная математическая модель динамики электропроводности цельной крови при гемолизе ультразвуком с учетом основных параметров исследуемого объекта, влияющих на этот процесс.
-
Определены режимы энергетического воздействия на исследуемую биопробу и контроля динамики ее свойств, обеспечивающие соблюдение принципов адекватности и идентификации информационной среды.
4. Разработан экспресс-метод оценки ультразвуковой рези
стентности эритроцитов и удельной электропроводности цитоплазмы.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанный автоматизированный гематологический комплекс прошел экспериментальную апробацию и внедрен в лаборатории патофизиологии экстремальных состояний НИИ кардиологии Томского научного центра РАМН и в центральной научно-исследовательской лаборатории Сибирского государственного медицинского университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедр "Промышленная и медицинская электроника" ТПУ (Томск, 1988, 1996), "Биологическая и медицинская кибернетика" СГМУ (Томск, 1994, 1996), а также на III Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы техники в медицине" (Томск, 1983), Всесоюзной научной конференции "Применение медицинской техники в хирургии" (Иркутск, 1985), IV Всесоюзной конференции "Проблемы техники в
медицине" (Тбилиси, 1986), VIII Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение" (Москва, 1986), IX Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение" (Москва, 1989). По результатам диссертационной работы принят доклад на X Международную конференцию "Математическое и компьютерное моделирование" (Бостон, 1995).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы, из них 4 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (223 наименования, из них 33 иностранных) и приложений. Работа выполнена на 183 машинописных листах, содержит 41 рисунок и 17 таблиц.
