Введение к работе
Актуальность темы исследования. Разработка и совершенствование методов и средств неинвазивного (не повреждающего ткани организма) контроля химического состава крови является одним из важных направлений развития медицинской техники. При таких нарушениях функционирования организма, как сахарный диабет, необходимой является процедура измерения концентрации глюкозы в крови (КГК). Именно на основании данных о КГК, пациент самостоятельно принимает решение о степени необходимой коррекции. Большинство применяемых систем являются инвазивными и требуют забора образца крови для проведения каждого измерения, которые необходимо производить не менее 3 раз в день. Низкая эффективность функционирования существующих систем неинвазивного контроля КГК, выражающаяся как в низкой точности измерений и невозможности непрерывного контроля, так и в совокупности других критериев, не позволяет применять их для решения задачи.
В настоящее время решением задач неинвазивного определения КГК занимается множество исследовательских групп. Значительный вклад в исследования был внесен такими учеными, как Д.К. Клонофф, И.А. Новиков, Е.В. Власова, Е.И. Глинкин, Дж. Бурмейстер, Й. Олесберг, Р. Розенталь, О. Халил, М. Робинсон и др. Разработки неинвазивной системы контроля КГК ведутся в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ТГУ, ТПУ, а также зарубежными компаниями OrSense, Integrity Applications и др.
В работах в рассматриваемой предметной области основное внимание
уделено, методам неинвазивного определения КГК, основанных как на
прямом определении КГК в тканях организма, так и на косвенном
определении КГК на основании интенсивности физиологических
процессов, связанных с процессами регуляции КГК, а также принципам
построения и аспектам испытаний неинвазивных систем. Значительная
часть работ посвящена спектроскопическим методам, которые
показывают наиболее высокую точность неинвазивного определения КГК. Работы в области спектроскопии биологических тканей (С.А. Терещенко, В.В. Тучин, Д.А. Рогаткин и др.) посвящены главным образом теоретическому решению задачи переноса излучения в сильнорассеивающих средах.
Несмотря на существенный прогресс в области электроники, оптоэлектроники и методов обработки информации, разработки в
области оптического неинвазивного определения КГК не обеспечивают необходимой точности и требуют дальнейшего усовершенствования.
В настоящей работе система неинвазивного контроля КГК
рассматривается как сложная техническая система, а основное внимание
уделено анализу системных связей и закономерностей
функционирования, возникающих при портативной реализации системы.
Настоящая работа посвящена разработке методов и алгоритмов
повышения точности неинвазивного определения КГК, а также
технических решений, реализующих разрабатываемые методы,
обеспечивающих высокую эффективность функционирования
неинвазивных систем контроля КГК.
Разработка высокоточной портативной неинвазивной системы контроля КГК является актуальной задачей, решение которой позволит существенно повысить качество жизни пациентов с сахарным диабетом, а также обеспечит задел для создания автоматизированных систем поддержания КГК на основе неинвазивного контроля.
Объектом исследования являются портативные спектроскопические системы контроля концентрации глюкозы в крови.
Предмет исследования – методы, алгоритмы и средства управления и обработки информации в системах контроля концентрации глюкозы в крови.
Цель диссертации. Разработка методов, алгоритмов и средств управления и обработки информации в системах контроля концентрации глюкозы в крови на основе теоретических и прикладных исследований системных связей и закономерностей функционирования подобных систем с целью повышения эффективности их функционирования.
В соответствии с целью диссертационной работы поставлены следующие задачи.
-
Разработка и анализ математической модели неинвазивной спектроскопической системы контроля концентрации глюкозы в крови.
-
Анализ функционирования системы контроля концентрации глюкозы в крови в идеализированных условиях с целью определения её оптимальных оптических характеристик. Разработка алгоритма определения концентрации глюкозы в биологических тканях.
-
Системный анализ портативной реализации системы контроля концентрации глюкозы в крови с целью выявления связей между измеряемыми величинами и состоянием системы, а также закономерностей их изменения.
-
Разработка алгоритмов и методов повышения эффективности функционирования системы. Разработка экспериментального образца системы, реализующего разработанные алгоритмы и методы.
-
Подготовка и проведение испытаний экспериментального образца системы, включающие разработку испытательного стенда, разработку методики испытаний, проведение измерений и анализ полученных данных.
Научная новизна работы.
-
Разработана математическая модель системы контроля концентрации глюкозы в крови, описывающая взаимодействие электромагнитного излучения переменной интенсивности на длине волны 1600 нм с многослойной биологической тканью.
-
Предложены методы, алгоритмы и средства управления и обработки информации, обеспечивающие повышение точности определения концентрации глюкозы в крови неинвазивной фотометрической системой контроля.
-
Научно обоснована и реализована возможность создания портативной неинвазивной системы контроля концентрации глюкозы в крови, обладающей точностью, сопоставимой с инвазивными аналогами, применимой в системах автоматизированной инсулинотерапии.
Практическая значимость работы.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты работы позволяют осуществлять измерения концентрации глюкозы в жидких средах неинвазивно с точностью, сопоставимой с инвазивными глюкометрами: более 96,5 % в зонах А и В по шкале Кларка. С использованием полученных результатов возможно создание новых классов устройств для неинвазивного измерения КГК и для длительной персональной инсулинотерапии пациентов на основе неинвазивного мониторинга.
На результаты работы получено 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Основные результаты диссертационной работы были использованы при выполнении ПНИ в рамках Соглашений о предоставлении субсидии № 14.578.21.0186 от 03.10.2016 (уникальный идентификатор проекта - RFMEFI57816X0186) и № 14.579.21.0152 от 26.09.2017 (уникальный идентификатор проекта -RFMEFI57917X0152), Федеральная целевая программ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы».
Методология и методы исследования.
В диссертационной работе был проведён анализ зависимости
интенсивности прошедшего через биологическую ткань инфракрасного
излучения от времени, характеристик оптической системы и
концентрации глюкозы в данной ткани. Для решения поставленных задач
применялись методы системного анализа, обработки информации,
математического и физического моделирования. Для подтверждения
эффективности полученных результатов работы, произведена
техническая реализация предложенных методов и алгоритмов, и
проведена серия экспериментов. В качестве инструментария
использованы разработанный в рамках работы стенд, включающий стандартные средства измерения, а также среда Matlab.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Разработанная математическая модель системы контроля концентрации глюкозы в крови позволяет осуществлять расчёт концентрации глюкозы в крови на основе данных об интенсивностях входного и выходного пучков, о толщине объекта и о показателе ослабления излучения биологической тканью.
-
Разработанный стенд имитации динамики концентрации глюкозы в крови обеспечивает управляемое физиологическое изменение концентрации глюкозы в объекте-модели, визуализацию показаний лазерного и фотодиодов в режиме реального времени и является адекватным инструментом оценки эффективности функционирования спектроскопических систем контроля концентрации глюкозы в крови.
-
Разработанный на основе предложенных алгоритмов и методов повышения эффективности функционирования систем контроля концентрации глюкозы в крови экспериментальный образец портативной системы позволяет определять концентрацию глюкозы в модельных растворах со средней погрешностью не более 18 % в диапазоне более 100 мг/дл. Клиническая точность составляет – более 96,5 % значений в зонах А и В по шкале ошибок Кларка и 0 % в зонах D и E по шкале Паркс.
-
Экспериментальный образец портативной системы контроля концентрации глюкозы в крови, основанный на разработанных алгоритмах и методах, в качестве измерителя глюкозы применим в системах автоматизированной инсулинотерапии на основе алгоритмов прогнозирования концентрации глюкозы в крови.
Апробация результатов исследования.
По теме диссертации была опубликована 31 работа в научных журналах и в сборниках конференций, из них 10 работ в изданиях, входящих в международные базы цитирования Scopus, PubMed, Springer и Web of Science и приравненных к перечню ВАК, а также 3 статьи входят в журналы из перечня ВАК.
Основные результаты диссертационного исследования были
представлены в публикациях, докладах и выступлениях на следующих конференциях:
– 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2015» (Москва, 2015);
– 23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2016» (Москва, 2016);
– 24-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2017» (Москва, 2017);
– XVIII Международная научно-практическая конференция
«Современные тенденции развития науки и технологий» (Белгород, 2016);
– 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Москва, 2017);
– XX международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технологии» (Курск, 2017);
– 44th European Society for Artificial Organs and 7th International Federation for Artificial Organs Congress (Вена, Австрия, 2017);
– 25th Global Diabetes Summit and Medicare Expo (Дубай, ОАЭ, 2017);
– 13th German-Russian Conference on Biomedical Engineering (Ахен, Германия).
Вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке
и проведении экспериментальных исследований, разработке
математической модели системы, принципов её технического
построения, алгоритмов функционирования и расчёта КГК, проведении численных расчетов, анализе экспериментальных данных, написании научных статей и их подготовки к публикации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения;
четырёх глав, заключения, списка литературы. Общий объем