Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время отечественная медицина переживает сложный период своего развития, большинство граждан России вынуждены проходить лечение вне поликлиник и больниц. Существует необходимость эффективного развития областей, связанных с восстановлением здоровья без стационара, в частности с применением медицинских приборов. Качество такого лечения напрямую зависит от применения приборов электростимуляции, в которых будет предусмотрена автоматизация, позволяющая их применять пациентами без присутствия и наставлений врача.
Конечная цель создания автоматизированных приборов электролечения состоит в разработке методов моделирования импеданса кожного покрова организма человека, синтеза математической модели и проектирования микроконтроллерных систем управления параметрами электростимулирующих импульсов, отличающихся адаптацией к изменениям в биологических объектах, что позволяет повысить эффективность процесса лечения.
Диагностика живых тканей - весьма сложная и специфичная задача. Все операции, проводимые на живом организме, не должны вредить его здоровью. Проводимое лечение должно быть максимально эффективными и приводить организм к желаемому физиологическому состоянию. Данная задача относится к классу сложных и трудноформализуемых задач, решение которых связано с применением как формальных, так и эвристических подходов к разработке моделей, адекватно описывающих биологические процессы живых организмов, а также с проектированием специальных программно-аппаратных комплексов.
Объектом исследования в диссертационной работе являются методы анализа и синтеза элементов и устройств микропроцессорной вычислительной техники и систем управления воздействием стимулирующих импульсов на биоткани организма человека.
Методологическую основу работы составляет концепция системности, суть которой - представление и исследование процессов электростимуляции организма человека электрическими импульсами в системном аспекте. Объекты рассматриваются одновременно, как одно целое (система) и функционирующие, как самостоятельные объекты, но в тесном информационном взаимодействии" друг с другом и внешней средой. В экспериментальных исследованиях применялось моделирование на ЭВМ.
Диссертация посвящена разработке методов моделирования импеданса
кожного покрова организма человека, синтезу математической модели и
проектированию микроконтроллерных систем управления параметрами
электростимулирующих импульсов, отличающихся адаптацией к изменениям в
иологических объектах, что позволяет повысить эффективность процессов
лектролечения. Это определяет и подтверждает актуальность
иссертационной работы.
Степень разработанности темы. Значительный вклад в развитие электролечения внесли такие известные ученые, как С.А. Бруштейн, А.Е.Щербак, Е.А.Нильсен, Э.Д.Тыкочинская, А.В.Рахманов, Н.Н.Богданов, B.C. Улащик, Г.Е. Григоря, Л.Д. Кисловский и многие другие.
В области системного анализа и системотехники работали и работают такие ученые, как Л. Берталанфи, С.А Валуев., Е.С. Венцель, В.Н. Волкова, Е.Г. Голыптейн, Э. Квейд, М. Месарович, B.C. Михалевич, Н.Н. Моисеев, С. Оптнер, Ф.И. Перегудов, Л.Г. Раскин, В.Н. Садовский, И. Такахара, А.И. Уемов, А. Таха Хемди, А. Холл, Д.В. Юдин, С. Янг и многие другие.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов исследования и моделирования изменений в биотканях при воздействии стимулирующими импульсами, а также синтеза специализированных микропроцессорных вычислительных устройств управления параметрами стимулирующих импульсов.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
- разработка моделей замещения кожного импеданса;
-разработка метода параметрической идентификации моделей замещения биологических объектов во временной области;
-формализация процесса получения математической модели выходного блока электростимулятора с включенной нагрузкой в виде эквивалентных схем замещения кожного импеданса;
-формализация процессов, протекающих в выходном контуре электростимулятора при стимуляции биообъекта;
- формализация источников биологической обратной связи;
-задача применения микропроцессорных контроллеров для синтеза измерительных устройств параметров биообъектов;
-разработка алгоритмов функционирования микроконтроллеров вычислительных и измерительных устройств идентификации параметров биологических объектов;
- разработка устройства для электростимуляции с возможностью управления
процессом электростимуляции с учетом сигналов биологической обратной
связи.
Методы проведения исследования. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, методы функционального анализа, теория электрических цепей, методы биомедицинских применений источников электрического тока, принципы конструирования систем и приборов медицинского назначения.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: -метод формализации процесса электростимуляции, отличающийся рассмотрением его, как процесса функционирования сложной системы управления биологическим объектом с обратной связью, что позволяет учесть адаптационные свойства живых тканей к воздействию на них электрического тока, а так же отследить изменения внутренних, не доступных без
хирургического вмешательства, биологических систем объекта;
метод параметрической идентификации электрических моделей замещения биологических объектов во временной области, отличающийся от других методов низкой степенью воздействия на исследуемый биообъект, простотой аппаратных решений и несложным математическим аппаратом, что предусматривает возможность его реализации на простых интерфейсных микроконтроллерах;
метод оптимизации процесса электролечения по биологической обратной связи с применением микроконтроллерных устройств вычисления параметров электрических моделей биологических объектов для разрабатываемых приборов электролечения и модернизации уже существующих устройств электростимуляции.
Практическая ценность состоит в применении полученных результатов для создания специальных программно-аппаратных медицинских систем, а также моделей принятия решений для применения новых информационных технологий в медицинской практике.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформуліфованньїх в диссертации, подтверждается результатами экспериментов на электрических моделях замещения биологических объектов, логическими выводами, публикациями работы на региональных и внутривузовских научно-технических конференциях.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в ЗАО ОКБ «РИТМ», а также использованы при выполнении госбюджетной НИР «Разработка методов моделирования и проектирования программно-аппаратных средств распределенных информационно-управляющих систем», выполняемой Технологическим институтом Южного федерального университета в г. Таганроге. Кроме того, результаты работы использованы в учебном процессе кафедры систем автоматического управления Технологического института Южного федерального университета.
Апробация результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, изложены в двенадцати печатных работах, использованы при подготовке и чтении лекций, постановке лабораторных работ, а также получено положительное заключение о выдачи патента на изобретение.
Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии», (Таганрог, 2005), III Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление», (Таганрог, 2005), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», (Москва, 2007), Международной научной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» (ПРС-2007), XX <~ сероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и пециалистов «Биомедсистемы-2007», (Рязань, 2007), Международной научной онференции «Проектирование новой реальности», (Таганрог, 2007), IX
Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", (Таганрог, 2008).
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано двенадцать печатных работ, из них одиннадцать в соавторстве. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично. В совместных научных публикациях имеет место неделимое соавторство.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 168 страниц машинописного текста, включая введение, 4 раздела, заключение, приложение содержит 10 страниц, список источников из ПО наименований, 62 рисунка, 5 таблиц.
