харківський національний університет радіоелектроніки

Ярута Віктор Олексійович

УДК 615.471+612.014.42+62-503.55 (043.5)

біотехнічна система нормалізації функціонального стану людини

Спеціальність 05.11.17 – біологічні та медичні прилади і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа:

Захист відбудеться “    квітня   2006 р. о  00  годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.05 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “    березня   2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради М.П. Мустецов

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Відомо, що людина вимушена постійно адаптуватися до безперервних змін зовнішнього середовища. Особливістю такої адаптації, яка відрізняє людину від інших біо-логічних об’єктів, є її властивість не змінюватися під впливом цього середовища, а за допомогою різних технічних засобів створювати умови, що забезпечують збереження гомеокінезу на всіх системно-структурних рівнях її організму. Таким чином, людина створює різноманітні біотехнічні системи (БТС), які складаються з її організму та технічних засобів життєзабезпечення. Серед різ-них типів БТС важливе місце посідають БТС медичного призначення (БТС М). Це зумовлено особливістю їх цільової функції: підтримка стану здоров’я людини, що входить до складу БТС М.

Еволюційний аналіз БТС М свідчить, що серед трьох основних їх компонентів: пацієнт, лікар та медичні технічні засоби (МТЗ) – найбільше змінюються МТЗ. Але традиційна їх побудова у ви-гляді спеціалізованих блоків призвела до великого їх різноманіття, ускладнила їх використання лі-карем та обслуговування малим за чисельністю технічним персоналом. До того ж діагностика й терапевтичний вплив не завжди точні, адекватні й своєчасні.

Ефективність використання МТЗ можна підвищувати завдяки універсалізації вимірювань біоелектричних параметрів створенням БТС М нормалізації функціонального стану людини (БТС Н), які в принципі дозволяють через дискретизацію вимірюваних величин та керуючих впливів здійснювати автоматизовану діагностику та управління станом пацієнта в спокої або русі в режимі розділення реального часу. Таким чином, задача створення БТС Н є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження виконано згідно з науковим напрямом “Моделювання процесів діагностики, лікування і життє-забезпечення людини” Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ), є частиною планових робіт кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем ХНУРЕ за комплексною держбюджетною НДР №128 – (№ ДР U001946).

Метою є розробка методологічних основ побудови біотехнічної системи нормалізації функціонального стану людини. Для досягнення мети вирішуються такі завдання.

1.

2.

3.

4.

Об’єкт дослідження. Процес нормалізації стану функціональних систем організму людини в реальному часі в різних умовах.

Предмет дослідження. Біотехнічна система нормалізації функціонального стану людини.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням біофізичних і математичних моделей, а також положень теорії електричних кіл та теорії рішення неоднорідних диференційних рівнянь при розробці моделі живих тканин, аналізі перехідних процесів у живих тканинах та аналізі еквівалентної схеми вхідного кола підсилювача біопотенціалів. Застосовано методи найменших квадратів та простих ітерацій при розробці способу вимірювання електричних параметрів живих тканин. Експериментальні дослідження проведено методами чисельного експе-рименту та клінічних випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

Практичне значення отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

5.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно [1, 2, 6 – 8]. В працях, які написано у співавторстві [3 – 5, 9 – 12], здобувачеві належать такі наукові результати. В [3] – синтез структурної схеми універсального датчика; розрахунок необхідних значень модулів вхідних імпедансів ПБП. В [4] – аналітичний огляд сучасної апаратури для світлотерапії; спосіб дозування кольоропунктурного впливу; кількісна оцінка дози електричної енергії, яку поглинула БАТ, при одиничному вимірі асиметрії її опору; співвідношення для кількіс-ної оцінки режиму розділення реального часу процесів діагностики та впливу. В [5] – синтез схеми універсального пристрою; синтез структурної схеми БТС Н; спосіб застосування універсального пристрою в складі БТС Н; опис функціонування БТС Н. В [9] – аналіз ефективності використання апаратури в лікувально-профілактичних закладах; модифікація апаратури та системи відведень з ме-тою їх ширшого використання при проведенні досліджень та впливу в режимі розділення реального часу в різних умовах. В [10] – методика об’єктивізації контролю лазерної рефлексотерапії, аналіз отриманих результатів. В [11] – спосіб вибору кількісних параметрів рекомендованого сеансу світлопунктури. В [12] – методика розрахунку та аналіз отриманих співвідношень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень доповідалися й обговорювалися на 5-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіо-електроніка і молодь у XXI сторіччі” (Харків, 2001 р.); на XV та XVII міжнародних науково-практичних конференціях “Використання лазерів у медицині та біології” (Харків, 2001, 2002 рр.); на науково-практичній конференції “Нові технології оздоровлення природними та преформованими факторами” (фізіотерапія, озонотерапія, курортологія) (Харків, 2002 р.); на другій міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми інформатики та моделювання” (Харків, 2002 р.); а також на 2-му Міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспек-тиви розвитку” МРФ – 2005 (Харків, 2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 12 наукових роботах, серед них: 4 статті в збірниках наукових праць, включених до переліку ВАК України, 2 деклараційних патенти України, 6 матеріалів та тез доповідей конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел та додатків. Основний матеріал викладено на 135 сторінках, список викорис-таних джерел подається на 17 сторінках і містить 172 найменування. Робота має 37 ілюстрацій, 2 таблиці та 9 додатків. Загальний обсяг дисертації з додатками складає 197 сторінок.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, визначено мету і завдання дослідження, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про особистий внесок автора, апробації та публікації.

У першому розділі проаналізовано сучасні БТС М різних типів. Наведено їх структурно-функціональний опис. Визначено, що при створенні діагностичних БТС М перш за все необхідно вирішувати проблему вибору методів дослідження, при створенні терапевтичних БТС М – забезпе-чення дозування впливу адекватно поточному функціональному стану пацієнта, при створенні теле-метричних БТС М – забезпечення мобільного конструктивного виконання блоку отримання, пере-творення та передачі (БОПП) медико-біологічної інформації (МБІ), який постійно носить пацієнт.

Узагальнений якісний та кількісний аналіз комплексної ефективності функціонування сучас-них БТС М різних типів довів, що вони є недостатньо ефективними при рішенні задач комп-лексної діагностики та терапії в різних умовах. Так, традиційно методики дослідження орієнто-вані на вимірювання фізіологічних параметрів у спеціальних умовах. При цьому апаратура, зазвичай, реалізує окремі методи послідовно в часі зі значними проміжками між ними. Отже, отримані результати характеризують різні функціональні стани пацієнта, не природні для нього. Терапевтичні процедури, зазвичай, призначають курсами. Оцінку їх терапевтичного ефекту та ко-рекцію роблять з часовим проміжком близько тижня, інколи місяця. Але відомо, що організм лю-дини реагує на зовнішній вплив з латентним періодом від секунд до декількох хвилин. Отже дозу-вання, контроль та корекція терапевтичного впливу не є адекватними процесам, що відбуваються в організмі людини. Кількісну оцінку ефективності використання МТЗ запропоновано робити за допомогою такого показника ефективності (Rтз, %):

,

дерс – кількість біомедичної апаратури в робочому стані, N – загальна кількість апаратури, tср – середній час використання апаратури, tрд – тривалість робочого дня, Opt  – оптимальне зна-чення (tрд встановлюється законодавчими та нормативними актами). Обчислення Rтз показало, що ефективність використання МТЗ у лікувальних закладах м. Харкова у зв’язку з тим, що Nрс та tсррд, становить близько 10%.

Збільшувати Rтз можна завдяки створенню та використанню багатофункціональних БТС Н, які дозволяють вирішувати суперечні вимоги забезпечення максимально повної діагностики, моні-торингу, скринінгу та корекції функціонального стану пацієнта за декількома методами в режимі розділення реального часу в умовах його природної життєдіяльності. При побудові такої БТС Н перш за все необхідно розробити методики та засоби діагностики, методики та засоби об’єктивізації процесу корекції функціонального стану людини, структуру й алгоритм роботи БТС Н, а також на-дати основні рекомендації щодо медико-технічних вимог до розробки її технічної підсистеми (ТП).

У другому розділі зроблено вибір методів дослідження й корекції функціонального стану організму людини, які використовуються в запропонованій БТС Н, та наведено їх опис.

Системний аналіз організму людини, як об’єкта дослідження, дозволив з’ясувати, що фак-тично всі його структурно-функціональні утворення тією чи іншою мірою є чутливими до різноманітних впливів зовнішнього середовища. При цьому найфатальнішими виявилися порушення системи кровообігу. Крім того, згідно з теорією стресу, реакція організму на вплив описується ступінчастим зниженням його адаптованості через послідовне проходження станів: задовільної адаптації, спеціалізованої адаптації, функціонального напруження, незадовільної адаптації, виснаження адаптації та зриву адаптації – з можливістю зворотного розвитку процесу до стану норми при знятті стресорного впливу. Таким чином, доцільно проводити діагностику та корекцію якомога більшої кількості структурних та функціональних станів людини, зокрема стресорних, при детальнішому дослідженні серцево-судинної системи. Відомо, що найбільші діагностичні можливості мають методи рефлексодіагностики, а найбільші терапевтичні – методи рефлексотерапії. Водночас унікальними за своєю діагностичною цінністю є методи, що базуються на аналізові електрокардіосигналу (ЕКС). Так, методи математичного аналізу ритму серця дозволяють оцінювати стресорні реакції, а методи електрокардіології – провідну систему серця та деякі параметри метаболізму клітин цілісного організму людини. Таким чином, у БТС Н доцільно використовувати методи електрокардіології разом з методами математичного аналізу ритму серця та методи рефлексодіагностики й рефлексотерапії.

Запропоновано використовувати метод дистанційної крупномасштабної ортогональної електро-кардіографії (Д КМ О ЕКГ), тобто проведення діагностики функціонального стану серця за виміряним ЕКС з підвищеним коефіцієнтом підсилення за трьома ортогональними відведеннями від людини в русі або спокої.

Рекомендується використовувати методи рефлексодіагностики Накатані та Гойденка в їх мо-дифікації, пристосованій для багаторазового вимірювання електричних параметрів БАТ за добу.

У процесі вимірювання за електропунктурними методами на БАТ здійснюється вплив, величина якого лімітується методичними вказівками. Запропоновано забезпечувати багаторазові вимірювання стану БАТ завдяки зменшенню енергії одиничних вимірів. У такому разі їх загальна кількість (nв) за деякий проміжок часу становить: (фігурна дужка означає округлення в меншу сторону, Wдоп – максимальна енергія, яку допускається підводити до живих тканин за час виміру їх електричних параметрів, Wсрпогл – середня енергія, яку поглинають живі тканини за один вимір). Оцінка можливостей моніторингу функціонального стану БАТ за методом Накатані показує, що при використанні імпульсів стабілізованого струму величиною 40 мкА середньою тривалістю 75 мс (при максимальному падінні напруги на БАТ 12 В) можна проводити 50 – вимірювань за добу.

Аналіз відомих еквівалентних схем живих тканин дозволив запропонувати для проведення короткочасних вимірювань на імпульсних струмах та напругах однієї полярності, що не перевищують фізіологічної норми, схему (рис. , а) [1]. Тут , , , , , , , – опір та ємність шкіри при використанні вимірювального струму позитивної (індексабо негативної (індекс –) полярності зі сторони одного (індекс ) та іншого (індекс ) електродів; Rтк – опір внутрішніх тканин. Ця схема відрізняється від відомих тим, що асиметрія імпедансу шкіри для струмів (напруг) різної полярності врахована за допомогою чотирьох діодів, опір яких при прямому включенні нескінченно малий, а при зворотному – нескінченно великий. Якщо використовувати електроди з площами, які значно відрізняються одна від одної, ця схема спрощується (рис. , б) [2], тут , , , – опір та ємність шкіри при використанні вимірювального струму позитивної та негативної полярності зі сторони електрода з меншою площею (активного).

При пропусканні крізь живі тканини стрибкоподібного струму однієї полярності виду

, (1)

де I – константа, t – час; у колі живих тканин виникає перехідний процес за напругою

, (2)

де – стала часу перехідного процесу, що протікає в шкірі (Rш, Сш – опір та ємність шкіри, значення яких інтерпретуються в залежності від знаку вимірювального струму).

При проведенні реальних вимірювань на стабілізованому імпульсному струмі з реєстрацією перехідного процесу по напрузі в дискретні моменти часу tn(, N – номер останнього відліку, Т – період дискретизації) отримують ряд значень напруги U[nT]. Знаходити коефіцієнти співвідношення (2) запропоновано за допомогою методу двокритерійної апроксимації експериментальних даних [1, 2, 6, 8], який, у даному випадку, полягає в такому. Ряд U[nT] розбивають на дві різні частини та встановлюють перше наближене значення сталої часу перехідного процесу ((фш)1). Потім послідовно уточнюють значення фш з наперед заданою похибкою (в) за формулою:

, (3)

де m – номер ітерації, а значення коефіцієнтів p та f обчислюються за співвідношеннями [6]:

,

,

де значення коефіцієнтів ks, bs, hs, gs, ls, qs визначаються за формулами:

де Ns – кількість вимірів у s-й () частині ряду U[nT]; As, Bs – номери початкового та кінце-вого відліків s-ї частини ряду U[nT], причому Ass.

Ітераційний процес завершують, коли виконується умова:

. (4)

Далі обчислюють опір внутрішніх тканин, а також опір та ємність шкіри:

, , . (5)

Аналіз існуючих методів рефлексотерапії показав, що в БТС Н доцільно використовувати ме-тоди електропунктури та кольоропунктури, тому що енергія, яка подається до БАТ, просто дозу-ється. Це дозволяє реалізувати принцип індивідуалізації лікування. До того ж можливе їх сумісне використання [5].

Запропоновано під час проведення кольоропунктури контролювати результати впливу світлом за методом Гойденка в режимі розділення реального часу процесів впливу та діагностики за спів-відношенням [4]:

, (6)

де tв– тривалість однократного впливу на БАТ, при якій виконується умова переважання погли-неної енергії світла над поглиненою електричною енергією в е раз (tв не може перевищувати мак-симальний час терапевтичного впливу за сеанс); W – сумарна електрична енергія, поглинена БАТ за одне вимірювання асиметрії її імпедансу; – середня потужність потоку світла, поглинена БАТ за один період впливу (Dпог(tв) – доза енергії світла, яку поглинула БАТ).

Запропоновано для опромінення БАТ використовувати напівпровідникові світлодіоди, тому що:

-

-

-

-

-

При опроміненні БАТ серією стабілізованих за амплітудою імпульсів тривалістю фo та пері-одом To загальна кількість імпульсів (no), поданих упродовж одноразового опромінення стано-вить: noв/To] (квадратна дужка означає округлення в більшу сторону). У такому разі енергетична доза світла, поглинена тканинами, випромінена світлодіодом, працюючим в імпульсному режимі на лінійній ділянці характеристики яскравості, становить

,

де б – коефіцієнт поглинення енергії світла БАТ; So – поверхня, що опромінюється впродовж часу tв; k1,0 – коефіцієнти, які визначаються при знаходженні характеристики яскравості конкретного світлодіода; Ii – амплітуда i-го імпульсу струму, який протікає крізь світлодіод. Таким чином, при зміні амплітуди імпульсів струму, їх тривалості або кількості, змінюється кількість енергії світла, яку поглинає БАТ. При цьому, послідовно багаторазово змінюючи процеси впливу світлом на БАТ та діагностики її стану (6), дозують вплив у залежності від стану БАТ, а, отже, визначають оптимальну терапевтичну дозу в кожному конкретному випадку.

Запропоновано [11] для пацієнтів з початковим функціональним станом p використовувати як рекомендовані параметри курсу кольоропунктури: середні значення дози опромінення БАТ за сеанс (Dp), тривалості сеансу (tp), а також загальної кількості сеансів (Np), проведених протягом терапевтичного курсу в пацієнтів з позитивним ефектом при однакових умовах опромінення (спектральній щільності потоку світла, способі його модуляції, геометричних розмірах плями світла):

, , ,

де – кількість пацієнтів; Ni– кількість сеансів, проведених для нормалізації функціонального стану i-го пацієнта; tij– тривалість j-го терапевтичного сеансу, проведеного i-му пацієнтові.

У третьому розділі наведено опис структурно-функціональної схеми БТС Н, основних рекомендацій щодо медико-технічних вимог до розробки її ТП, а також універсальної системи відведень та засобів первинного отримання медико-біологічної інформації, які розроблено для використання в БТС Н.

БТС Н (рис. ) складається з таких основних елементів: пацієнт, лікар та технічна підсистема (ТП) БТС Н. Для дослідження та корекції функціонального стану пацієнта лікар застосовує як ТП БТС Н, так і засоби діагностики (ЗД) та впливу (ЗВ). ТП БТС Н складається з блоку отримання, перетворення та передачі (БОПП) медико-біологічної інформації (МБІ), каналу зв’язку та блоку кінцевої обробки (БКО) МБІ. БОПП МБІ містить набір універсальних пристроїв для вимірювання біоелектричних параметрів (УП), формувач відведень, блок вимірювання імпедансу, блок впливу світлом, блок вимірювання ЕКС, пристрій керування каналами вимірювання та впливу (ПК КВВ), засіб прийому передавання (ЗПП) МБІ та ЕОМ, яка містить схеми спряження (СС), а також пристрої вводу (ПВ) та індикації (ПІ). БКО МБІ складається з ЗПП МБІ та ПЕОМ.

Така будова БТС Н дозволяє виконувати метод Д КМ О ЕКГ, методи математичного аналізу ритму серця, модифіковані методи Накатані та Гойденка, а також методи електропунктури та кольоропунктури як по одинці, так і в довільному їх поєднанні в автоматизованому режимі розділення реального часу в умовах природної життєдіяльності людини.

Зазначимо, що можливості методів, які реалізуються за допомогою ТП БТС Н, обмежені, тому ТП БТС Н не завжди створює замкнений контур управління функціональним станом пацієнта. Тобто можливі ситуації, коли ТП БТС Н застосовується лікарем лише з діагностичною або з терапевтич-ною метою з використанням окремих методів. У таких випадках контур управління функ-ціональним станом пацієнта замикається лікарем через використання інших ЗД або ЗВ, що дозволяє повністю використати можливості методів, отже, досягти максимальної ефективності функціонування БТС Н. При цьому зменшується NУ завдяки тому, що в БТС Н використовуються, по-перше, електрофізіологічні методи дослідження та терапевтичні методи, керуючі впливи яких змінюються за допомогою електричного струму та, по-друге, режим розділення реального часу процесів діагностики та впливу, яким керує ЕОМ, що дозволяє універсалізувати системи відведень й апаратуру каналів вимірювання МБІ та терапевтичного впливу. Крім того, завдяки можливості сумісного використання методів у їх модифікації, пристосованій до умов руху пацієнта, збільшується tср порівнянно з традиційним використанням тих же методів. До того ж загальна кількість апаратури (NУ) дорівнює кількості біомедичної апаратури в робочому стані (Nрс), оскільки в разі несправності одного з каналів слід вважати БТС Н у цілому не придатною до застосування. Таким чином, Rтз БТС Н вищий, ніж у інших БТС М.

У дисертаційній роботі наведено опис запропонованої універсальної системи відведень, яка дозволяє реалізувати обрані методи у складі БТС Н.

Виходячи з аналізу фізико-хімічних процесів, які виникають на межі контакту “шкіра – електрод”, та перехідних процесів, які протікають у колі “електрод – тіло людини”, при довготривалому вимірюванні електричних параметрів живих тканин, особливо в умовах руху людини, з метою підвищення завадостійкості каналів вимірювання доведено доцільність застосування ємнісних електродів.

Розрахунок еквівалентної схеми вхідного кола ПБП разом з еквівалентною схемою джерела ЕКС та електродів дозволив отримати співвідношення для знаходження мінімально допустимих величин вхідного імпедансу ПБП протифазному (Zp) та синфазному (Zф) сигналам для умов: () та (або) при зміні імпедансів живих тканин людини та контакту “шкіра – електрод” від Z1 та ДZ1 до Z2 та ДZ2 [3, 12]. Вони мають вигляд:

, ,

де Zбо, С, Д Zбо, ДC – еквівалентні імпеданси живих тканин та ємність контакту електрода з тілом людини, а також їх можливі асиметричні зміни відповідно; jщ – комплексна колова частота; H – коефіцієнт режекції вхідного кола ПБП; – відносна зміна коефіцієнта передачі протифазного сиг-налу (А) вхідного кола ПБП. Оцінку необхідних величин Zф та Zр зробимо на прикладі ЕКГ від-ведення Z, тому що воно має найбільшу асиметрію імпедансу “живі тканини – електрод”. Ємність контакту “шкіра – електрод” титанового електрода з діелектричною плівкою товщиною 0,210-6 м та площею контактної частини 1 см2 становить приблизно 0,1 мкФ. Відомо, що модуль імпедансу шкіри під таким електродом становить 10 ч 1000 кОм. Для спрощення подальших обчислень вважатимемо імпеданс шкіри активним та рівним 1 МОм. Припустимо, опір живих тканин під електродом у процесі вимірювання змінився від 10 до 1000 кОм та, в результаті зміщення електроду, ємність контакту “шкіра – електрод” зменшилася на 30від 0,1 до 0,07 мкФ. У такому разі при умові забезпечення співвідношення сигнал-завада на вході ПБП, рівного 50, що відповідає відносній зміні коефіцієнта передачі протифазного сигналу дA=0,02, а також при Н=500, що можливо в разі використання кола активної нейтралізації синфазної завади з коефіцієнтом підсилення 1000, значення величин вхідних імпедансів ПБП повинні бути не менше ніж:

Ом, Ом.

Такі значення вхідних імпедансів ПБП можна забезпечити при використанні буферних каскадів, розташованих у корпусі електрода. В такому разі, наприклад, при використанні операційного підсилювача ОРА655 або інструментального підсилювача INA 110 (Burr-Brown, США) вдається виконати наведені вище вимоги в частотному діапазоні 0,001 ?  Гц (рис. ).

УП (рис. 4) складається з екранованого корпусу 1, ємнісного електрода 2, виготовленого з титану, покритого окисною плівкою 3, електронної схеми 5 та кабелю 6, всередину якого введено світловод 4.

Екранований корпус є каркасом, який захищає електронну схему від зовнішніх електромагнітних полів та на якому кріп-ляться всі інші складові УП. Крім того, він є нейтралізуючим електродом при реєстрації ЕКС. Для цього його виготовляють таким чи-ном, що при накладанні УП на поверхню тіла людини екранований корпус електрично контактує зі шкірою. При цьому він, з одного боку, ізольований від ємнісного електрода, а, з іншого, має електричний контакт з екраном кабелю, який підключається до виходу нейтралізуючого підсилювача кола актив-ної нейтралізації синфазної завади. Ємнісний електрод є чутливим елементом при вимірюванні ЕКС, при реалізації модифікованих методів Накатані та Гойденка, крім того, він використовується при електропунктурному впливі на БАТ. Світловод слугує для здійснення впливу світлом на БАТ за методом кольоропунктури завдяки підключенню до його кінця, розташованого за межами УП, світлодіодів різних кольорів. Електронна схема організує канали вимірювання ЕКС та імпедансу живих тканин, а також здійснює вплив на БАТ під ємнісним електродом. Вона через кабель з’єднується з БТС Н, керуючим елементом якої є ЕОМ. У залежності від команд, отриманих з ЕОМ, електронна схема передає до ТП БТС Н знятий з ємнісного електрода ЕКС або подає на ємнісний електрод струм заданої тривалості, величини та полярності для вимірювання складових імпедансу живих тканин або для впливу на БАТ, а також передає в ТП БТС Н сигнали, пропорційні часовим залежностям струму, що протікає крізь ємнісний електрод, та напруги, яка падає на ньому.

Конструкція УП обмежує можливості застосування БТС Н у русі. Наприклад, коли людина хо-дить або біжить, неможливо надійно закріпити УП на ногах. Тому умови застосування БТС Н у русі слід розуміти, як умови, при яких імовірність механічного зміщення УП з їх місць закріплення мала.

Зважаючи на вищевикладене, у дисертаційній роботі сформульовано основні рекомендації щодо медико-технічних вимог до розробки ТП БТС Н.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень можливостей макетів блоків вимірювання імпедансу та впливу світлом БТС Н.

Обчислення пасивних електричних параметрів еквівалентної схеми (рис. ) запропоновано здійснювати за отриманим у роботі алгоритмом, який складається з таких кроків.

1.

2.

3.

4.

.

Зазначимо: оскільки величина ємності електрода відома заздалегідь, то по її обчисленому значенню можна, по-перше, дійти висновків щодо правильності отриманих величин Rш, Cш, Rтк, а, по-друге, контролювати цілісність діелектричної плівки електрода.

Можливості програмної реалізації цього алгоритму досліджено (при умові: Cе ,1 мкФ, Rш  кОм, Cш ,15 мкФ, Rтк  Ом, I  мкА) на предмет пошуку умов вибору tc, а також способу розбиття U[nT] на інтервали апроксимації, оптимальні з точки зору мінімізації помилки обчислення шуканих величин. Вихідні дані зашумовувалися синусоїдальною та випадковою завадою різних амплітуд або ж їх комбінацією. Для порівняння точності обчислення Rш, Cш та Cе використовувався критерій у:

,

де i – номер реалізації зашумленої послідовності U[nT] (, Q – загальна кількість реалізацій); Rш, Cш i, Cе – знайдені програмою значення опору та ємності шкіри, а також ємності електрода, виходячи з i-ї реалізації U[nT]. Значення крайніх точок інтервалів апроксимації були такими: t2 /5 tc; t3 = /5 tc; t2 /5 tc, t3 /5 tc; t2 =2 /2 tc, причому завжди t1 , а t4 tc (тут t1, t2, t3, t4 – час початку та кінця першого та другого інтервалів апроксимації, відповідно).

Графіки залежностей у(tc) (Q ) при використанні різних способів розбиття tc та випадкового шуму різної амплітуди зображені на рис. . При дослідженні впливу синусоїдальної завади на точність обчислення інтервали апроксимації корегувалися так, щоб вони були кратними половині або чверті періоду завади (рис. ). Тут для кожного значення tc фаза змінювалася від 0o до 360o з кроком 0,5o (Q ). На цьому рисунку умовно позначені кути нахилу прямих, які ап-роксимують зашумлені дані, а також кратність точок t2 та t3 часу спостереження. На рис. зображено графіки точності обчислення шуканих величин у залежності від часу спостереження та виду шуму. При дослідженні впливу на точність обчислення синусоїдальної завади разом з випадковою (рис. ) фаза змінювалася від 0o до 360o з кроком 5o, при цьому для кожного нового зсуву за фазою обчислювалося 300 реалізацій, тобто Q .

Таким чином, найбільшої точності обчислення можна досягти при виборі tc [5фш; фш], а інтервалів апроксимації – кратними напівперіоду синусоїдальної завади та t1 0, t2  /5 tc, t3  /5 tc, t4 tc. При цьому алгоритм досить швидко збігається: кількість ітерацій не перевищувала 17. Зауважимо, що з підвищенням амплітуди шуму зменшується інтервал значень tc, при яких помилка обчислення не перевищує заданого значення. Наприклад, для у  у разі дії випадкового шуму амплітудою 0,05 В tc повинно знаходитися в діапазоні 2фш ч фш, а в разі дії випадкового шуму амплітудою 0,1 В tc повинно набувати значення 2,5фш ч фш. У всіх розглянутих випадках (випадковий шум та/або синусоїдальний шум 50 Гц) максимальна відносна помилка обчислення перевищувала 100Але в разі дії синусоїдального шуму різної частоти спостерігаються її мінімуми (до 36

У розробленому макеті блоку вимірювання імпедансу застосовано латунні електроди, які традиційно використовуються в електропунктурній діагностиці та терапії. Оцінка імпедансу контакту активного електрода з індиферентним через фізіологічний розчин при струмі 40 мкА показала, що його можна моделювати у вигляді ланцюга паралельно з’єднаних ємності, величиною 0,7 мкФ, та активного опору, величиною 3,5 кОм. Дослідження електричних параметрів живих тканин за допомогою розробленого макету на прикладі особи чоловічої статі віком 26 років дозволило встановити, що електричні параметри репрезентативних БАТ руки (за Накатані) здорової людини мають порядок (рис. ): Rш   кОм, фш   мс, Cш  0,09 мкФ. При цьому очевидно, що при вимірюванні величиною імпедансу контакту “шкіра – електрод” можна знехтувати, оскільки вона значно менша величини імпедансу живих тканин.

Макет блоку впливу світлом [7] складається з чотирьох світловипромінюючих головок та блоку живлення з двома гніздами для їх підключення. За допомогою кожного гнізда в колі світловипромінюючої головки встановлюється струм певної величини. Тому вони можуть видавати потік світла певної потужності, значення яких прокалібровані. Таким чином, цей макет дозволяє керувати дозою енергії світла через змінення тривалості впливу світлом та вибір потужності випромінювання головки. Оцінка розділення реального часу процесів впливу світлом на БАТ та діагностики її стану за методом Гойденка для випадку перевищення енергії світлового впливу над електричною енергією вимірювання в 10 разів показала, що після вимірювання імпедансу БАТ її необхідно опромінювати синьою світловипромінюючою головкою впродовж 0,01 с; зеленою, підключеною до одного гнізда– 0,57с, до іншого– 1,68с; жовтою, підключеною до одного гнізда– 1,23с, до іншого– 3,35с; червоною – 0,021с. Зазначимо, що обчислення зроблені для умов проведення вимірювань на струмі 15 мкА різної полярності при Rш  кОм, Cш ,09 мкФ, Rтк  Ом.

Ефективність застосування макетів блоків вимірювання імпедансу та впливу світлом доведе-на під час проведення клінічних випробувань, що підтверджується актом упровадження.

висновки

На підставі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено методологічні основи побудови біотехнічної системи нормалізації функціонального стану людини (БТС Н). При цьому:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.