НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Пастух Олег Анатолійович

УДК 681.518.3+617.7-07

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА

ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ТОВЩИНИ ШКІРИ ЛЮДИНИ

05.11.16 – Інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі Комп'ютерних наук Тернопільського державного технічного університету Івана Пулюя МОН України.

Науковий керівник - | доктор фізико-математичних наук, професор

Марченко Борис Григорович,

Інститут електродинаміки НАН України,

провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Ніженський Анатолій Данилович,

Інститут електродинаміки НАН України,

провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент

Ткачук Роман Андрійович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, доцент кафедри біотехнічних систем.

Провідна установа - | Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

(кафедра інформаційно-вимірювальної техніки)

Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “_22_” ___04_____ 2003р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.02 при Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м.Київ-57, проспект Перемоги, 56. Тел. 446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56.

Автореферат розіслано “__20” __03_____ 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Тесик Ю.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Знання про товщину шкіри людини є актуально-необхідною інформацією для успішного проведення пластичних та косметичних операцій. Отримання такого роду відомості можуть бути шляхом створення як фізичних так і математичних методів вимірювання, а також інформаційно-вимірювальних систем і установок.

Відомо, що шкіра людини є складним біооб’єктом дослідження, який характеризується низкою фізичних параметрів: пружністю, деформацією, електричними потенціалами, вологістю, електричним опором, рельєфом поверхні, температурою, коліром, товщиною, електричною провідністю, ряд із них відносять до випадкових. Серед перелічених параметрів найбільшого використання отримали електрична провідність і електричний опір. По-перше, їм приділена значна увага в літературних джерелах; по-друге, оцінювати значення багатьох фізичних параметрів шкіри (вологість, товщину і т.д.) можна вимірюючи електричну провідність або опір; по-третє, завдяки відомим значенням електричних параметрів шкіри, можна проводити діагностику і контроль процесу реабілітації як різних захворювань, наприклад: щитовидної залози, териотоксикозу, виразки шлунку, різноманітних дерматозів так і всього організму. Це дає підставу для дослідження товщини шкіри використовувати саме електрофізичні методи.

Піонерами в дослідженні природи електричних явищ у живих організмах вважають Луїджі Гальвані та Алессандро Вольта, їх дослідження припадають на 1786 рік. Перші кроки по дослідженню електричних параметрів шкіри були зроблені ще в 1848 році Дюбуа-Реймоном (Du Bois Reymond) та пізніше на прикінці ХІХ століття двома дослідниками - російським І.Р.Тархановим і французьким Фере у 1888 році.

На сьогодні, в нашій державі, у клінічній практиці майже не використовуються серійні прилади та інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) для визначення товщини шкіри людини. Для визначення фізичних параметрів шкіри людини в ряді випадків застосовують прилади власноручного виготовлення, модулі інших приладів, інтерпретацію результатів вимірювання яких важко проводити. Має місце також використання виготовлених промисловістю приладів ’’ДЕРМОДИАГНОСТ ДД-1’’, ’’СКИФ-1’’ для вимірювання електричних параметрів шкіри людини - електричного опору, електричної провідності, а також для цих же цілей застосовують мостові схеми: міст змінного струму Р5010, міст Уітстона, міст Кольрауша.

У зв’язку з цим, для розв’язку актуальних практичних задач клінічної хірургії - проведення операцій автодермопластики, відновлення шкірних покровів, важливим і своєчасним є розробка та обгрунтування фізичних і математичних методів вимірювання та створення на їх основі інформаційно-вимірювальних систем.

Для розробки основних положень наукового підходу щодо визначення товщини шкіри людини, необхідно розв’язати наступні основні задачі: вибрати фізичний метод, який буде покладений в основу процедури вимірювання; сформулювати математичну постановку задачі вимірювання і знайти її розв’язок; розробити давач і на його основі побудувати структурно-функціональну схему та практично реалізувати дослідний зразок інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини і дослідити його метрологічні характеристики, а також здійснити практичну апробацію розробленого наукового підходу на основі натурного моделювання з допомогою електропровідного паперу; встановити критерії, які можуть бути покладені в основу перевірки правильності вибору фізичного і математичного методів для вирішення даного питання на базі порівняння теоретичних і експериментальних результатів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дисертаційного дослідження пов’язаний із загальним напрямом наукової роботи кафедри комп’ютерних наук та кафедри біотехнічних систем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, відділу опікової травми і пластичної хірургії Тернопільської міської клінічної лікарні швидкої допомоги, де виконано дослідження, а також з науковими держбюджетними темами:

- ДІ 85-2000 ’’Математична модель стохастично періодичних навантажень енергосистем і розробка на її основі методів статистичного аналізу графіків навантажень’’, номер ДР 0100U000784.

- ДІ 94-02 ’’Інформаційні технології статистичного аналізу і прогнозу ритмічних сигналів і їх застосування для оптимізації управління енергонавантаженнями’’, номер ДР 0102U002297.

Роль дисертанта у виконанні вказаних науково-дослідних робіт, а також технічного завдання на розробку інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини по замовленню відділу опікової травми і пластичної хірургії Тернопільської міської клінічної лікарні швидкої допомоги, полягає в тому, що модель лінійного випадкового процесу, в тому числі і лінійного періодичного випадкового процесу, методика моделювання на ЕОМ, програмне забезпечення, розроблені дисертантом і використані в розробці основних положень вибраного методу вимірювання та створення дослідного зразка ІВС для визначення товщини шкіри людини.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка основних положень наукового підходу по вимірюванню товщини шкіри людини і створення сучасної інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини.

Для досягнення мети необхідно розв’язати наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Об’єкт дослідження: товщина шкіри людини.

Предмет дослідження: метод вимірювання товщини шкіри людини на основі викликаної різниці потенціалів, яка виникає внаслідок зондування струмом верхніх тканин тіла людини і залежить від товщини шкіри, ІВС для визначення товщини шкіри людини.

Методи дослідження: Теоретичні дослідження ґрунтувались на використанні методів математичної фізики, теорії випадкових функцій, математичної статистики. Експериментальні дослідження - методів геофізики, метрології, теорії інформаційно-вимірювальних систем та математичного планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена інформаційно-вимірювальна система для визначення товщини шкіри людини призначена для отримання апріорної інформації в пластичній хірургії з метою успішного проведення операцій по пересадці шкіри людини. Дана ІВС може бути початком науково-дослідницького напрямку біотехніки по дослідженю біофізичних параметрів шкіри людини.

Результати дисертаційної роботи – інформаційно-вимірювальна система для визначення товщини шкіри людини впроваджено у клінічну практику відділу опікової травми і пластичної хірургії Тернопільської міської клінічної лікарні швидкої допомоги для отримання апріорної інформації про значення товщини шкіри людини при проведені операцій автодермопластики, відновлення шкірних покровів.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, які становлять основний зміст дисертації, автор отримав особисто. В наукових працях, опублікованих із співавторами, автору дисертації належить: в [1] – вибір методу електричного зондування та розв’язок задачі методом дзеркальних відображень; в [3] – класифікація циклічних процесів; в [5] – результати натурного моделювання, в тому числі інтерполяція поліномами Лагранжа дискретних функцій оцінок математичного сподівання викликаної різниці потенціалів від товщини одного із шарів плоского двошарового півпростору, а також порівняння результатів експериментально-натурного моделювання із результатами комп’ютерно-імітаційного моделювання.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження доповідались на четвертій науково-технічній конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя ’’Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні’’ (Тернопіль 2000р.), п’ятій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль 2001р.), наукових семінарах кафедри комп’ютерних наук, кафедри біотехнічиих систем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Результати, отримані в дисертації, опубліковано в семи роботах. П’ять з них - статті у фахових наукових журналах (дві без співавторів) та дві тези науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 138 сторінок, у тому числі основного тексту 121 сторінка, 35 рисунків, 10 таблиць, список використаної літератури із 78 найменувань та 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, відзначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну отриманих результатів, їх практичне значення, а також розкрито питання апробації результатів дисертації та їх висвітлення у друкованих працях.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено огляд матеріалів першоджерел по дослідженню фізичних параметрів шкіри, а також огляд сучасного стану наукових досліджень стосовно визначення фізичних параметрів шкіри. Встановлено, що існуючі на сьогодні прилади є застарілими і знятими з виробництва. Питання стосовно їх метрологічних характеристик та інтерпритації результатів вимірювання на основі їхнього використання у даній галузі біотехніки в значній мірі потребують більш глибоких досліджень.

Показано, що на даний час, напрям біотехніки - медична техніка, яка займається питаннями розробки нового технічного устаткування для медицини, зокрема для пластичної і косметичної хірургій, потребує створення нової техніки для розв’язку задачі визначення товщини шкіри людини.

У другому розділі розроблені основні положення наукового підходу щодо методу розв’язування задачі визначення товщини шкіри людини.

Зокрема, показано, що задача визначення товщини шкіри людини є подібною до оберненої задачі математичної фізики - задачі електророзвідки. По методу традукції, в даній дисертаційній роботі використано один із поширених методів електророзвідки - електричне зондування. Застосування даного методу і його специфіки в науковій задачі дисертаційної роботи дало можливість побудувати фізичну модель досліджуваного середовища - верхніх тканин тіла людини (на ділянках: живота, спини, бедр, сідниць, де hш<<hж) у вигляді двошарового півпростору шкіра-жир (рис.1). Ідея електричного зондування полягає в тому, що двома живлячими електродами a і b, які розміщені на віддалі L, інжектується генератором струму зондуючий струм I в середовище верхніх тканин (шкіра-жир) тіла людини, а двома іншими електродами m і n, які підключені до вимірювального пристрою, вимірюється викликана різниця потенціалів UMN.

Рис.1. Схематичне зображення вимірювального експерименту:

ГС- генератор струму;

ВП- вимірювальний пристрій для вимірювання викликаної різниці потенціалів ;

a,b- інжектуючі електроди;

m,n- вимірювальні електроди;

L- віддаль між інжектуючими електродами;

l- віддаль між вимірювальними електродами;

I- зондуючий струм;

hш- товщина тканини шкіри;

hж- товщина жирової тканини;

x,y,z- просторові координати;

p- довжина електродів;

- площина перерізу.

Виходячи з того, що природа поля питомого електричного опору тканини шкіри і жирової клітковини є випадковою, в розділі обгрунтовано використання усередненого значення поля питомого електричного опору шкіри при розрахунках.

Сформульовано математичну постановку задачі визначення товщини шкіри людини у вигляді стохастичної змішаної краєвої задачі на основі використаня фізики електричного поля постійного струму в провідних середовищах з рівнянням Лапласа в точках, які не містять зондуючих електродів.

U(,x,y,z)=0,

де - оператор Лапласа;

;

- елементарна випадкова подія.

Граничними умовами на границі розділу середовищ шкіра-жир:

,

де Uш(,x,y,z) - випадкове потенціальне поле в середовищі тканини шкіри;

Uж(,x,y,z) - випадкове потенціальне поле в середовищі жирової клітковини.

,

ш(x,y,z)- усереднене значення поля питомого електричного опору тканини шкіри;

ж(,x,y,z)- випадкове поле питомого електричного опору жирової клітковини.

А також на поверхні шкіри

,

де

=I/p,

- густина струму;

p- довжина електродів.

Виходячи з ізотропності полів ш(x,y,z) та ж(,x,y,z), автором отримано розв’язок прямої стохастичної змішаної краєвої задачі з якого встановлено аналітичну залежність між викликаною різницею потенціалів UMN і товщиною тканини шкіри hш, яка має наступний вид

, (1)

де I- зондуючий струм;

ш- усереднений питомий електричний опір тканини шкіри;

l- віддаль між вимірювальними електродами m і n;

L- віддаль між інжектуючими електродами a і b;

kшж=(ж-ш)/(ж+ш)- коефіцієнт відбивання;

Iш- нормовані.

Крім того, показано, що коли використовувати для віддалі L між живлячими електродами a і b числові значення, які перевищують суму hш+hж - товщини тканини шкіри і жирової клітковини, то на числові значення викликаної різниці потенціалів будуть впливати тканини, які знаходяться більш глибоко відносно поверхні тіла людини, наприклад, м’язева тканина, питомий електричний опір якої значно залежить від її кровонаповнення, що циклічно змінюється із роботою серця.

Показано, що в такому разі, для математичного опису викликаної різниці потенціалів, який би враховував стохастичність, можна використати математичну модель у вигляді лінійного випадкового процесу, зокрема, як частинний випадок, лінійний періодичний випадковий процес.

,

де (t,) - детермінована функція, яка належить L2(-),

()- породжуючий випадковий процес з незалежними (інколи періодичними) приростами.

Якщо процес () є гільбертовим стохастично неперервним процесом, а також однорідним стохастично неперервним випадковим процесом з незалежними приростами, то логарифм одновимірної характеристичної функції у формі Колмогорова визначається виразом

,

де параметри m і K(x) знаходяться з виразів

та

.

Функція K(x) називається пуассонівським спектром стрибків у формі Колмогорова, при цьому вважається, що K(-)=0.

У третьому розділі проведено кількісні дослідження з метою підтвердження вибраних раніше основних положень наукового підходу до розв’язування задачі визначення товщини шкіри людини на основі натурного моделювання з використанням електропровідного паперу та імітаційного моделювання на ЕОМ.

Для цього обгрунтовано перехід від просторової задачі (рис.1) до плоскої в площині перерізу (рис.2а) на основі того, що потенціальне поле є однорідним вздовж вісі на ділянках віддалених від країв електродів. Цей принцип покладено в основу натурного моделювання на плоских двосмужкових зразках виготовлених з електропровідного паперу (рис.2б) у яких довжина першої та другої смужки c>>L - віддалі між інжектуючими електродами і , а також ширина другої смужки d>>h - ширини першої смужки.

а) Переріз площиною | б) Натурна модель

середовища шкіра-жир | з електропровідного паперу

Рис.2. Натурна модель перерізу площиною (рис.1) півпростору шкіра-жир, яка виготовлена з електропровідного паперу:

1- верхня смужка електропровідного паперу з поверхневим питомим електричним опором і шириною h;

2- нижня смужка електропровідного паперу з поверхневим питомим електричним опором ;

- віддаль між живлячими електродами і ;

- віддаль між вимірювальними електродами і .

Для них встановлено аналітичну залежність викликаної різниці потенціалів UMN від ширини h верхньої смужки, яка має вид

,

де - поверхневий питомий електричний опір верхньої смужки;

- зондуючий струм;

- віддаль між вимірювальними електродами і ;

- віддаль між живлячими електродами і ;

h- ширина верхньої смужки;

k12= - коефіцієнт відбивання.

покладена в основу імітаційного моделювання на ЕОМ.

В результаті проведеного імітаційного моделювання на ЕОМ отримано параметричне сімейство залежностей ширини h верхньої смужки електропровідного паперу, при фіксованій віддалі , i= між інжектуючими електродами і , від викликаної різниці потенціалів UMN=. Елементи такого параметричного сімейства називаються градуювальними кривими h(), i= (числові значення для задані в метрах і подані в табл.1).

Таблиця 1

Дискретні значення відстані , i= між інжектуючими електродами і

i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5

0.01 | 0.015 | 0.02 | 0.025 | 0.03

Аналогічно цьому в результаті натурного моделювання, також отримано параметричне сімейство градуювальних кривих h(), i=, які відображають залежності ширини h верхньої смужки електропровідного паперу, при фіксованій віддалі , i= між інжектуючими електродами і , від викликаної різниці потенціалів .

Як кількісний критерій порівняння між відповідними градуювальними кривими сімейств h() і h() i= використано метрики метричних функціональних просторів реалізацій l1 і l2.

На рис.3а наведено залежність віддалі 1 в просторі l1, а на рис.3б залежність віддалі 2 в просторі l2 між градуювальними кривими отриманими внаслідок імітаційного моделювання в залежності від - відстані між інжектуючими електродами і , i=.

Віддаль 1 обчислено по формулі

i=, (2)

а віддаль 2 обчислено по формулі

i=, (3)

значення для меж інтегралу наведено в табл.2.

Таблиця 2

i | a1 | a2

1 | 0.0243 | 0.0275

2 | 0.0084 | 0.0122

3 | 0.0037 | 0.0056

4 | 0.0019 | 0.0036

5 | 0.0007 | 0.0027

Оскільки, в формулах (2) та (3) змінні і мають одинаковий фізичний зміст (напруги), то під знаком диференціала в інтегралах використання змінної є еквівалентним використанню змінної .

а) б)

Рис.3. а) віддаль в метричному функціональному просторі l1 між градуювальними кривими отриманими внаслідок натурного моделювання та відповідними їм градуювальними кривими отриманими внаслідок імітаційного моделювання;

б) віддаль в метричному функціональному просторі l2 між градуювальними кривими отриманими внаслідок натурного моделювання та відповідними їм градуювальними кривими отриманими внаслідок імітаційного моделювання

З порівняння даних рис.3 видно, що різниці кривих в зазначених метриках мають порядок і мало залежать від метрики цих просторів.

У четвертому розділі запропонована конструкція давача (рис.4), який складається з десяти електродів (п’яти пар), які по своїй формі є лінійними і паралельними між собою. В якості електродів вибрані леза (для гоління). Ізольовані електроди один від одного електроізоляційним картоном. Вимірювальними електродами M і N є пара, утворена 5-им і 6-им лезами. Інжектуючими електродами A, B є пари, утворені наступними лезами: 4-им і 7-им; 3-ім і 8-им; 2-им і 9-им; 1-им і 10-им. Фіксування між собою електродів відбувається за допомогою двох зажимних пластин (які виготовлені з органічного скла), що стягуються двома зажимними (ебонітовими) болтами і гайками. До кожного електрода підведений вивід. Показано, що при роботі з дослідним зразком ІВС під час вимірювання товщини шкіри людини ефективно використовувати пару інжектуючих електродів, що складається з 3-го і 8-го леза, оскільки, пара інжектуючих електродів (утворена 4-им і 7-им лезами) для всього інтервалу вимірювання товщини шкіри [1мм;3мм] не дає можливості здійснювати оцінювання математичного сподівання викликаної різниці потенціалів з довірчою ймовірністю P>0,99, а використання пар інжектуючих електродів (утворених 2-им і 9-им; 1-им і 10-им лезами) дає малий динамічний діапазон значень викликаної різниці потенціалів, що потребує додаткових фінансових витрат на використання низькошумових диференційних підсилювачів, яке є не доцільним, оскільки всі ці питання зникають при використанні пари інжектуючих електродів утвореної 3-ім і 8-им лезами, які використані при роботі з системою.

Розроблений давач є основним елементом інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини. На основі нього побудовано структурно-функціональну схему ІВС (рис.5), яка використана при розробці дослідного зразка ІВС для визначення товщини шкіри людини.

Рис.4. Ілюстрація конструкції давача

Розглянуто вузли дослідного зразка інформаційно-вимірювальної системи і досліджено їх метрологічні характеристики, числові значення яких наведено в табл.3.

Рис.5. Структурно-функціональна схема інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини:

1- генератор напруги;

2- перетворювач напруга-струм;

3- комутатор;

4- інжектуючі електроди;

5- вимірювальні електроди;

6- біооб’єкт дослідження;

7- диференційний підсилювач;

8- смуговий фільтр;

9- вимірювальний пристрій;

10- електронно-обчислювальна машина (ЕОМ).

Таблиця 3

Метрологічні характеристики окремих вузлів ІВС

Назва вузла ІВС | Параметр, яким характеризується

робота вузла ІВС | Відносна

похибка, %

перетворювач напруга-струм | коефіцієнт перетворення | 0.5

диференційний підсилювач | коефіцієнт підсилення | 0.4

смуговий фільтр | модуль функції передачі | 18.6

Визначено загальну похибку інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини. Зокрема, її порядок 20% з ймовірністю P>0,99. Розглянуто питання визначення питомого електричного опору шкіри на основі вимірювання викликаної різниці потенціалів при різних віддалях між інжектуючими електродами. Базуючись на розв’язку прямої задачі (1), здійснено статистичне імітаційне моделювання, в основу якого покладено генерування вибірки об’ємом s=100 гауссівської випадкової величини ж (m=0.037Ом м, =0.012Ом м) і формула

, (4)

при наступних конкретних значеннях параметрів I=100мкА - діюче значення зондуючого струму, ш=1,63Ом м - усереднений питомий електричний опір шкіри, l=2м- віддаль між вимірювальними електродами M і N, L=-м- віддаль між інжектуючими електродами A і B, kшж=(ж-ш)/(ж+ш) - коефіцієнт відбивання, hш[1мм;3мм].

По отриманій вибірці UMN(hш), k=, здійснено статистичне оцінювання параметрів: математичного сподівання – згідно

(hш)=UMN(hш)

та дисперсії – згідно

.

Довірчі ймовірності для оцінки визначено по формулі (6) для фіксованого інтервалу довіри

m(hш)-m(hш)+, (5)

де порядка .

P (6)

де Ф(x) - функція Лапласа.

На рис.6 наведено графічну залежність довірчої ймовірності P оцінки (hш) для інтервалу довіри (5), як функції від hш.

Рис.6. Графічна залежність довірчої ймовірності P оцінки математичного

сподівання (hш) викликаної різниці потенціалів для фіксованого

інтервалу довіри (5), як функція від товщини шкіри hш.

Результатом статистичного імітаційного моделювання є градуювальна крива, яка є розв’язком оберненої задачі по відношенню до прямої стохастичної змішаної краєвої задачі, що наведена на рис.7

Рис.7. Градуювальна крива

і являє собою залежність товщини шкіри від оцінки математичного сподівання викликаної різниці потенціалів.

Для застосування дослідного зразка ІВС у клінічній практиці, наведено опис проведення вимірювань товщини шкіри людини з його використанням, який являє собою сукупність операцій, що виконуються в такій послідовності:

- вмикається живлення вузлів ІВС;

- на генераторі напруги перемикач частоти встановлюється у положення 1кГц, а перемикач діючого значення напруги у положення 1В;

- давач стороною електродів прикладається до досліджуваної ділянки тіла і закріплюється ремнем тонометра, який накачується до тих пір, поки стрілка тонометра не досягне поділки 60;

- комутатор встановлюється у положення підключення пари інжектуючих електродів утвореної 4-им і 7-им лезами;

- з індикаторного екрану вимірювального пристрою фіксується значення викликаної різниці потенціалів, і так повторюється, поки об’єм вибірки не становитеме 10 значень, які вводяться в ЕОМ;

- комутатор встановлюється у положення підключення пари інжектуючих електродів утвореної 3-ім і 8-им лезами;

- з індикаторного екрану вимірювального пристрою фіксується значення викликаної різниці потенціалів, і так повторюється, поки об’єм вибірки не становитеме 10 значень;

- дана вибірка вводиться в ЕОМ і за допомогою неї здійснюється обчислення оцінки математичного сподівання, оцінки дисперсії, довірчої ймовірності, побудова градуювальної кривої;

- по значенню оцінки математичного сподівання за допомогою градуювальної кривої визначається числове значення товщини шкіри з відносною похибкою =20% і довірчою ймовірністю P>0,99.

А також в даному розділі здійснено порівняння числових значень товщини шкіри людини визначених за допомогою дослідного зразка розробленої ІВС з їх дійсними числовими значеннями, що дало можливість підтвердити достовірність результатів вимірювання розробленою інформаційно-вимірювальною системою.

Таким чином, в результаті проведеної роботи створено ІВС для визначення товщини шкіри людини, яка працює в діапазоні вимірювання товщини шкіри людини 1мм-3мм з відносною похибкою 20%, довірчою ймовірністю P>0,99.

ВИСНОВКИ

1. Вперше обгрунтовано метод вимірювання товщини шкіри людини на основі викликаної різниці потенціалів, яка виникає внаслідок зондування струмом верхніх тканин тіла людини і залежить від товщини шкіри людини.

2. Сформульовано математичну постановку задачі визначення товщини шкіри людини у вигляді стохастичної змішаної краєвої задачі математичної фізики і отримано її розв’язок, що дало можливість проводити кількісні дослідження товщини шкіри людини.

3. Одним із основних результатів розв’язуваної стохастичної краєвої задачі для практичних вимірювань товщини шкіри людини є встановлення математичної залежності між товщиною шкіри і оцінкою математичного сподівання викликаної різниці потенціалів у вигляді градуювальної кривої.

4. На базі розробленого давача, який реалізує метод електричного зондування обгрунтовано структурно-функціональну схему інформаційно-вимірювальної системи, яка дала можливість розробити дослідний зразок ІВС, що працює в діапазоні вимірювання товщини шкіри людини 1мм-3мм з відносною похибкою 20%, довірчою ймовірністю P>0,99, що відповідає вимогам медичної техніки.

5. Порівняльний аналіз результатів імітаційного моделювання і вимірювання реальних зразків шкіри з використанням дослідного зразка ІВС підтвердили ефективність запропонованих фізичних і математичних методів вимірювання товщини шкіри людини, а також метрологічні характеристики розрахункові і практичні.

6. Основні положення наукового підходу до визначення товщини шкіри людини і результати проведених досліджень, які впроваджені в клінічну практику, можна рекомендувати для більш широкого використання в області біотехніки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

АНОТАЦІЇ

Пастух О.А. Інформаційно-вимірювальна система для визначення товщини шкіри людини.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно вимірювальні системи.- Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена розробці інформаційно-вимірювальної системи для визначення товщини шкіри людини з метою використання її для отримання апріорної інформації при проведені операцій в галузі пластичної і косметичної хірургії. У дисертації сформульовано та обгрунтовано актуальність і постановку задачі визначення товщини шкіри людини. Вперше запропоновано використати і покладено в основу роботи розробленої ІВС, метод електророзвідки - електричне зондування. Сформульовано математичну постановку задачі визначення товщини шкіри людини у вигляді стохастичної змішаної краєвої задачі ІІІ-го роду на основі використання фізики електричного поля постійного струму в провідних середовищах і знайдено її розв’язок. На базі створеного наукового підходу щодо задачі визначення товщини шкіри людини розроблено дослідний зразок ІВС та досліджено його метрологічні характеристики.

Ключові слова: товщина шкіри людини, викликана різниця потенціалів, інформаційно-вимірювальна система.

Pastukh O.A. Information-measuring system for determination of the human skin thickness.- Manuscript.

The thesis submitted for the scientific degree of Candidate of Sciences (Engineering) in speciality 05.11.16 - Information-measuring systems. Institute of electrodynamics of Ukraine NAS, Kyiv, 2003.

The thesis deals with the development of information-measuring system for determination of the human skin thickness for its application in obtaining the latest information for making operations in the field of plastic and cosmetic surgery. The actuality and the statement of the task for determination of the human skin thickness is stated and reasoned. The method of the electic search-electric probing, was developed for the first time and was suggested to be used as the basis of the developed information-measuring system. The mathematic task for finking the human skin thickness in the form of the stochastic mixed boundary-value problem of the 3-d level, basing on the application of the direct current electric field phisics in the conductin medium, was stated, and its solving was found. Basing on the created scientific approach as to the task for determination of the human skin thickness, the speciman of the information-measuring system, was developed, and its metrological characteristics were investigated.

Key words: human skin thickness, potential difference coused, information-measuring system.

Пастух О.А. Информационно-измерительная система для определения толщины кожи человека.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно-измерительные системы.- Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена разработке информационно-измерительной системы для определения толщины кожи человека с целью использования ее для получения априорной информации при проведении операций в области пластической и косметической хирургии.

В диссертации разработаны основные положения научного подхода к решению задачи определения толщины кожи человека: построена физическая модель исследуемой среды – верхних тканей человека на измеряемых участках (живот, спина, бедра, ягодицы) в виде двухслойного полупространства кожа-жировая клетчатка в котором природа удельного электрического сопротивления есть стохастической; в основу работы положен физический метод - электрическое зондирование переменным низкочастотным током; исходя из критерия квазистационарности для электрического поля вызванного протеканием зондирующего тока, сформулирована математическая постановка задачи определения толщины кожи человека в виде стохастической краевой задачи III-го рода на основании использования физики электрического поля постоянного тока в проводящих средах; получено ее решение, которое представляет функциональную зависимость вызванной разности потенциалов от толщины кожи; предложена математическая модель вызванной разности потенциалов в виде линейного случайного процесса, в частности линейного периодического случайного процесса, при исследовании нижних тканей человека (мышечной ткани и т.д.); получено решение задачи обратной по отношению к сформулированной прямой стохастической краевой задаче ІІІ-го рода, которое являет собой графическую зависимость (градуированную кривую) толщины кожи человека от оценки математического ожидания вызванной разности потенциалов.

Используя разработанную в диссертации конструкцию датчика, обосновано переход от двухслойной полупространственной задачи к полуплоской двохполосной задаче, которая имеет место при моделировании на образцах изготовленных из листов электропроводной бумаги разного поверхностного удельного электрического сопротивления. Получены результаты натурного моделирования на образцах полуплоской двухполосной среды, которое представляет собой параметрическую совокупность функциональных зависимостей ширины верхнего листа электропроводной бумаги от математического ожидания вызванной разности потенциалов при фиксированных разносах между инжектирующими электродами, а также, результаты имитационного моделирования на электронно-вычислительной машине – параметрическая совокупность функциональных зависимостей ширины верхнего листа электропроводной бумаги от вызванной разности потенциалов при тех же фиксированных значениях разноса между инжектирующими электродами. Проведено сравнение функциональных зависимостей параметрической совокупности полученной при натурном моделировании на образцах с соответствующими им функциональными зависимостями параметрической совокупности полученной при имитационном моделировании на электронно-вычислительной машине. В качестве количественного критерия использовано расстояние метрического функционального пространства l1 и l2 с областью определения равной динамическому диапазону изменения значений вызванной разности потенциалов, что дало возможность апробировать основные положения разработанного научного подхода.

На основе разработанного датчика, построена структурно-функциональная схема информационно-измерительной системы для определения толщины кожи человека, которая использована при практической реализации опытного образца ИИС. Получены результаты исследований метрологических характеристик отдельных частей информационно-измерительной системы, а также определена ее общая погрешность с соответствующей доверительной вероятностью.

Основываясь на решении стохастической краевой задачи получен результат стохастического имитационного моделирования на электронно-вычислительной машине, что представляет собой градуированною кривую – графическую зависимость толщины кожи человека от математического ожидания вызванной разности потенциалов, которая используется в ИИС при определении толщины кожи человека.

Используя опытный образец информационно-измерительной системы для определения толщины кожи человека в клинической практике отдела ожоговой травмы и пластической хирургии Тернопольской городской клинической больницы скорой помощи получены практические результаты - значения толщины кожи пациентов.

Проведена апробация работы информационно-измерительной системы для определения толщины кожи человека, которая основана на сравнении значений толщины кожи полученных в результате измерений ИИС с действительными значениями толщины кожи.

Ключевые слова: толщина кожи человека, вызванная разность потенциалов, информационно-измерительная система.