ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

КРУК ОЛЕГ ЯРОСЛАВОВИЧ |

УДК 615.471:004.93

УДОСКОНАЛЕННЯ ЕЛЕКТРОФІЗІОЛОГІЧНОГО МЕТОДУ ТА ЗАСОБІВ ДИФЕРЕНЦІЙНОЇ ДІАГНОСТИКИ

ШЛУНКОВО-КИШКОВОГО ТРАКТУ ЛЮДИНИ

Спеціальність 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Семенець Валерій Васильович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

1-й проректор.

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Лагутін Михайло Федорович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

професор кафедри охорони праці.

кандидат технічних наук, доцент

Кіпенський Андрій Володимирович,

Національний технічний університет “ХПІ”,

професор кафедри промислової та біомедичної електроніки.

Захист відбудеться “06” листопада 2007р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.05 Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ) за адресою: 61166, м.Харків, проспект Леніна, 14.

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

Автореферат розісланий “05” жовтня 2007 р.

Учений секретар

Спеціалізованої вченої ради | Мустецов М.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження та діагностика тракту травлення дитячого організму через електрогастрографічні сигнали, які виникають при роботі шлунково-кишкового тракту (ШКТ), є надзвичайно актуальними завданнями. Поширеність захворювань ШКТ, особливо у дітей, дуже велика й продовжує щорічно збільшуватися. Так, хронічний гастрит зустрічається в 65-70% дітей, хронічний гастродуоденіт ? в 25-30%, гастроезофагальна рефлюксна хвороба ? в 20-40%, хронічна дуоденальна непрохідність ? в 3-17%. Однією з найбільш актуальних. проблем дитячої гастроентерології є функціональна патологія. Аналіз даних Центру патології органів травлення НДІПДХ МОЗ України виявив, що в 30% пацієнтів біль у ділянці живота не супроводжується органічними змінами.

Як функціональні, так й органічні захворювання шлунково-кишкового тракту супроводжуються порушеннями його моторно-евакуаторної функції. При цьому характер змін моторики ШКТ у більшості випадків визначає процес лікування хворих. У свою чергу, для виявлення типу порушень моторики ШКТ необхідне проведення широкого спектру досліджень, більшість із яких є інвазивними. Саме тому особливої актуальності сьогодні набувають неінвазивні та нетравмуючі методи діагностики, до яких належить електрогастрографія. У травному каналі людини формується електрогастрографічний сигнал, що визначає умови скорочувальної діяльності різних відділів ШКТ. Мова йде про деякі сумарні потенціали, що генеруються гладком’язовими клітинами.

Вивчення електрофізіології шлунково-кишкового тракту проводяться з початку минулого століття, однак дотепер відсутні відпрацьовані технічні рішення й уніфіковані методики реєстрації і аналізу біоелектричної активності органів ШКТ. В електрогастрографії, на відміну від електрокардіографії, неоднозначно трактується зв'язок між електричною активністю органа та його скороченнями, що зумовлюється мінливою конфігурацією та амплітудою електрогастрограм, залежністю від функціонального стану ШКТ, способу реєстрації, конструкції електродів, їх фіксації, орієнтації щодо проекції органу, що досліджується, та інше.

Існуючі варіанти вирішення проблеми неінвазивної діагностики органів ШКТ не відповідають, повною мірою, вимогам практичної медицини. Це пояснюється специфічною електричною активністю різних органів ШКТ, які впливають на тонкі процеси регуляції й координації в травному тракті. Тому за пануючою точкою зору, електрична активність органів є важливим діагностичним і дослідницьким інструментом. Незважаючи на схожість електричних сигналів, різні органи мають істотні відмінності у формі, спектральному складі, місці реєстрації, що визначає особливість електрографічних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася в рамках НДР “Створення сучасних моделей процесів діагностики, лікування й забезпечення життя людини” (№ДР 0104V004065) в умовах реальної розробки завдань наукової й практичної медицини 19-ї міської дитячої лікарні м.Харкова на підставі договору про співробітництво кафедри гастроентерології Харківської медичної академії післядипломної освіти (ХМАПО) і кафедри біомедичних електронних пристроїв, апаратів і систем (БМЕ) Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ).

У дисертаційній роботі враховано результати виконання гранту Держдепартаменту США #S-ECAAS-02-GR-230 (JY) Національного центру мікроелектроніки США. “Партнерство в освітніх і технічних сферах” у питанні розроблення мікроконтролерних систем медичного, освітнього й науково-технічного напрямків.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є удосконалення електрофізіологічного методу та засобів диференціальної діагностики ШКТ людини, а також розробка біотехнічної системи (БТС) для гастроентерографічних досліджень пацієнтів дитячого віку.

У роботі вирішуються такі основні завдання:

- удосконалення математичної моделі формування та реєстрації біопотенціалів ШКТ на кожному покрові;

- удосконалення методу діагностики органів ШКТ людини та розробка і впровадження програмних засобів обробки гастроентерологічних сигналів;

- синтез вимірювальної системи для реєстрації електрофізіологічних сигналів;

- обгрунтування та розробка біотехнічної системи обробки інформації у електрогастроентерографії (ЕГГ);

- створення системи давачів для реєстрації біопотенціалів (БП) просторово-розподіленими чутливими зонами;

- розробка підсилювачів біопотенціалів (ПБП) з мультиплікативним послабленням синфазної складової;

- створення методик і пристроїв для здійснення програмного контролю рівня гастроентерологічних сигналів;

- створення програмного забезпечення, орієнтованого на медперсонал, для керування комп'ютерною системою опрацювання інформації в ЕГГ;

- проведення випробувань системи.

Об'єктом дослідження є процеси реєстрації та обробки електрогастрографічних сигналів.

Предметом дослідження є методи оцінювання моторної функції органів травного тракту та засоби, які дозволяють реєструвати скорочувальну активність органів ШКТ.

Методи дослідження. Методами дослідження є електричне та фізичне моделювання біофізичних процесів у ШКТ, методи аналізу та синтезу електронних кіл, методи аналізу цифрових систем, а також методи статистичної обробки даних, отриманих експериментальним шляхом.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Модифіковано біофізичну модель формування сигналів різних органів ШКТ із багатополюсним розподіленням на шкірній поверхні потенціалів, що дозволило розробити методику реєстрації моторики органів ШКТ методом сканування просторово-розподілених чутливих зон активними давачами [8,9].

2. Запропоновано математичну модель, на основі якої уперше розроблено метод диференціальної діагностики, який дозволяє неінвазивно реєструвати патології моторики органів ШКТ та розширити можливості потенціалографії за рахунок вибору базових ділянок і зон максимальної інформативності [1,3,5].

3. Розроблено методику побудови ПБП на основі модифікованого інструментального підсилювача, у якому реалізовано принцип узгодження перетворювачів, а також запропоновано принцип керування коефіцієнтом підсилення активної схеми ПБП при повторному послабленні синфазної складової, інваріантному застосуванні операційних підсилювачів і при лінійному забезпеченні коефіцієнта підсилення [2,4,6,7].

Практичне значення отриманих здобувачем результатів.

У дисертаційній роботі створена біотехнічна мікроконтролерна система (БТС) для гастроентерологічних досліджень, яка запатентована (патент №77724, МПК А61В 5/04) і використовується в лікувальному процесі дитячої міської лікарні №19 на кафедрі дитячої гастроентерології для діагностики широкого спектра захворювань органів ШКТ (акт впровадження від 10.03.2003);

- розроблене апаратне забезпечення (патент №79652, МПК G09В 23/18) використовується в навчальному процесі для вивчення принципів програмування мікроконтролерів, схем радіоелектронного призначення, може бути впроваджена для спеціальностей, пов'язаних із цифровою електронікою, моделюванням цифрових систем і програмуванням мікроконтролерної техніки (акт впровадження від 14.11.2006).

- розроблена БТС може застосовуватися в інших сферах медицини й техніки, наприклад, у кардіології і в електроніці, для багатоканальної реєстрації електричних сигналів.

Особистий внесок здобувача.

Усі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. Найбільш вагомими з них є удосконалення інструментальної частини медичної апаратури та створення діагностичної системи, розробленої на базі як відомих медико-технічних засобів, так і з використанням сучасних та запропонованих рішень, що дозволяють підвищити показники надійності та достовірності у процесі діагностики ШКТ. У публікаціях, надрукованих у співавторстві, особисто здобувачем отримано: у роботі [1] проведено аналіз та систематизація засобів комп’ютерної електроміографії; у роботі [3] у результаті статистичної обробки даних запропоновано використовувати індивідуальну анатомічну корекцію параметрів у процесі діагностики ШКТ; у роботі [4] запропонована мікроконтролерна система керування БТС; у роботі [5] розроблена і запропонована БТС, проаналізовані та систематизовані отримані результати при практичному застосуванні БТС; у роботі [6] розроблено мікроконтролерний комплекс для керування основними функціями БТС; у роботі [7] розроблено схеми на операційних підсилювачах для ПБП, розроблено та обгрунтовано інваріантні схеми підсилення; у роботі [9] вказано принципові можливості та методи застосування розробленої БТС у медичній практиці.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень, розглянутих у дисертації, обговорювались на семінарах у межах виконаного договору про співробітництво між кафедрою гастроентерології ХМАПО та кафедрою БМЕ ХНУРЕ, нарадах із завідувачами кафедр ХНУРЕ з питань комп'ютеризації навчального процесу. Результати теоретичних та експериментальних досліджень доповідались на VII – X Міжнародних молодіжних форумах “Радіоелектроніка та молодь у XXI столітті” (Харків, 2004, 2005, 2006); 16-тій Міжнародній конференції “СВЧ - техніка та телекомунікаційні технології” (Крим, 2006).

Публікації. Основні результати дисертації оприлюднені в 9-и наукових роботах, серед них: 6 статей у збірниках наукових праць, внесених до переліку ВАК України, 3 патенти України, 3 матеріали і тези доповідей на конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація містить: вступ, чотири розділи, у яких викладено основні результати роботи, висновки, перелік посилань, додатки. Робота містить 145 сторінок машинописного тексту, 11 таблиць та 64 рисунки, список літератури зі 112 джерел.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, обумовлено мету і завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено дані про особистий внесок автора в опрацювання вказаної теми, про апробації та публікації.

У першому розділі з урахуванням особливостей існуючих методик, які використовуються сьогодні у медичній практиці, було розроблено метод диференціальної діагностики моторики органів ШКТ, що враховує особливості дитячого організму.

Розглянуто питання технічної реалізації електрофізіологічного методу та докладно вивчена електрофізіологічна апаратура реєстрації активності ШКТ, діагностики захворювань стравоходу.

На базі аналізу існуючих методів діагностики зроблено висновки щодо їхньої ефективності. Виявлено, що описані способи проведення електрографічних досліджень мають ряд істотних недоліків, серед яких:

- відсутність методики діагностики активності ШКТ у пацієнтів дитячого віку, оскільки не були враховані антропометричні показники пацієнтів дитячого віку;

- існуючі апаратні комплекси для діагностики й реєстрації активності ШКТ, у більшості випадків, є недоступними для лікувальних установ України, характеризуються високою вартістю й низьким рівнем універсальності в застосуванні.

Таким чином, виникла необхідність вирішення таких завдань:

1. Розгляд просторової дипольної моделі взаємодії електричних сигналів, тканин, органів та відділів ШКТ при скануванні біопотенціалів на поверхні шкіри пацієнтів для визначення їх рівня, що забезпечило б організацію базових точок підключення та реєстрацію найбільш достовірних зон.

2. Обгрунтування, розроблення та реалізація біотехнічної системи обробки інформації в електрогастроентерографії у цілому, а також її функціональних програмних та апаратних складових.

3. Розробка шляхів підвищення універсальності застосування розробленої системи для діагностики порушень моторної функції ШКТ й інших органів людини в медичній практиці та інших галузях.

З урахуванням розглянутих недоліків існуючих методик реєстрації моторики ШКТ, необхідно створити біотехнічну систему, яка забезпечує опрацювання інформації під час встановлення діагнозу.

Для реєстрації інформативних сигналів від пацієнта необхідно використовувати відповідні чутливі елементи, у ролі яких доцільно задіяти активні давачі.

Вимоги до біологічної та технічної підсистем включають: розробку універсальної системи відведень, що реалізує вибір зон достовірної реєстрації; урахування особливостей дитячого організму при обов'язковому неінвазивному методі діагностики ШКТ; забезпечення медичного персоналу можливістю адаптувати процес діагностування в реальних умовах обстеження пацієнта; фільтрацію сигналів на частотах нижчими за 1 Гц; забезпечити послаблення синфазної складової на рівні мінус 120 ? 140 дБ; нормоване, кероване підсилення ПБП, що становить 103 ? 104 із програмним способом регулювання з дискретністю 0,5 дБ; аналого-цифрове перетворення сигналів з розрядністю не менше за 18 значущих розрядів; інтерфейси зв'язку з ЕОМ із пропускною здатністю не менше за 1Мбіт/сек.

У другому розділі розглянута й досліджена математична модель формування електрогастрографічних потенціалів, обгрунтований вибір базової точки реєстрації, умови розтікання струмів на шкірній поверхні, запропонований й описаний параметр інформаційного узгодження.

На основі електрофізіології м'язових тканин і тканин органів ШКТ виявлено, що будь-який прояв електричних явищ у вигляді потенціалу, різниці потенціалів або струму, що протікає, можна еквівалентно уявити сукупністю електричних пристроїв: джерел ЕРС (СРС) і резисторів.

На базі розгляду класичних положень біофизики визначені очевидні протиріччя існуючої потенціалографії: велика кількість специфічних процесів в організмі реєструється при одиничній зоні контролю; реально існуюча база l відліку вимірюваного потенціалу перебуває усередині організму з невизначеною ділянкою локалізації; вибір стандартних відведень і базових ділянок при різних діагностичних методиках, обмежений технологічними й технічними можливостями.

Це викликало необхідність вивчення механізму виникнення біопотенціалів, що характеризуються електрограмами органів і тканин.

Прийнятим у роботі варіантом опису є застосування еквівалентного електричного генератора, що є модельною фізичною системою для вивчення динаміки різних органів. У цій системі електричну активність органів зводять до дії певної сукупності струмових електричних генераторів, що перебувають в об'ємному електропровідному середовищі при елементарному дипольному, квадрупольному, октупольному (G) описі, які подані у порядку врахування додатків, позначених у співвідношенні (1).

. (1)

Рис. 1. Дія елементарного диполя i-органа в Qi-площині для досліджень ентерограм

Виходя чи із класичного виразу (1) формування і-их потенціалів позначених на рис.1.в, виконано опис потенціалів ?l й ?h, точок, зміщених від В-вихідної відповідно, на L у сагітальному та на h у вертикальному напрямках, як показано на рис.2.

а) | б) | в)

Рис. 2. Вивчення процесу формування потенціалів:

а) класичний варіант; б) зсув на L у точку D; в) зсув на h у точку C

Відповідно до (1), виконано моделювання процесу формування потенціалів на поверхні та здійснено дослідження просторового їх розподілу. Визначивши для формули (1), перший додаток рівняння приведено до вигляду , у якому: м; В. Тоді типове значення А складає: В·м2 .

Проведено моделювання поширення потенціалу в напрямку проекції органу, що досліджується при забезпеченні максимального формування сигналу зі зазначеними вище зсувами (рис.2). На рис.3 та на рис.4 подані результати розподілу потенціалів для різних умов дослідження, виконані відповідно до наведених аналітичних залежностей й об'єктивних графічних побудов.

У роботі розглянуті детальні зміни й співвідношення потенціалів, які формуються, основні з яких зводяться до таких висновків.

1. З аналізу залежностей (рис.4) виявлено, що урахування квадрупольної та октупольної складових (квадр, G) можна виконувати, власне, для досліджуваного органу. Тому доцільно обмежитись дією дипольної складової потенціалів (дип.) на поверхні.

2. Осцилюючий диполь, модельований косинусоїдною залежністю з фазовою швидкістю поширення ?(r) в обсязі, характеризується загасанням для потенціалу вихідної точки В (В), при цьому зсув на L у сагітальному напрямку приводить до затримки формованого потенціалу L за фазою, а зсув на h по висоті приводить до зменшення амплітуди h потенціалу при збереженні фази сигналу.

3. Основний висновок полягає в тому, що розглянуті й аналітично обгрунтовані потенціали L й h щодо вихідного базового потенціалу B, формують напруги UC та Uh, як різниці відповідних потенціалів, що діють на шкірній поверхні (рис.4).

Рис. 3. Просторовий розподіл потенціалів

Рис. 4. Підсумкові розрахункові залежності розподілу потенціалів і напруг для фіксованого та осцилюючого диполя

4. Аналітична та графічна демонстрація напруг на рис.4 переконують у необхідності вивчення просторового розподілу біопотенціалів, оскільки між зонами їхнього розміщення реально існує опір шкірного покриву, отже, існують струми розтікання.

5. Усереднення потенціалів по замкнутому контуру у зоні контролю приводить до нульового значення сагітальних складових результуючого сигналу, що визначає можливість застосування такої зони потенціалометричних досліджень у ролі базової.

6. Важливим висновком при моделюванні є необхідність застосування методу еквівалентного генератора на новому рівні абстракції, що враховує зовнішній вплив і дію біопотенціалів, утворених досліджуваними органами на шкірній поверхні людини.

Вплив диполів різних органів, що зводиться до урахування різних осциляцій від роботи відповідних органів, продемонстровано на рис. 5.

Як витікає з проведених досліджень класичної моделі, на шкірній поверхні дійсно утворюються потенціали від струмових диполів конкретних органів, які дозволяють неінвазивно відстежувати тонкі процеси, що перебігають у них. Частину таких потенціалів на поверхні вибирають як базові (індиферентні, загальні), інші використовуються в ролі сигнальних, при цьому апріорно невідомі ділянки найбільшої інформативності сигналів для конкретного органа.

а) | б)

Рис. 5. Загальний випадок формування потенціалів від різних органів:

а) формування потенціалів одним органом; б) загальний випадок

У роботі на підставі прийняття розподілу біопотенціалів в ідеальному варіанті (рис.6), один з яких - обраний базовим, а інші – ?аi є сигнальними, розглянуто загальну картину розподілу біопотенціалів на поверхні шкіри щодо бази N (рис.7) зі застосуванням математичної моделі еквівалентного електричного генератора.

Подальший аналіз еквівалентних схем виконано з використанням методу вузлових потенціалів (МВП).

Рис. 6. Модель класична | Рис. 7. Загальне подання моделі

дії біопотенціалів різних органів

Це дозволило реально оцінити й описати процеси, що перебігають при вимірі сукупності потенціалів у матричній формі при застосування закону Ома для добутку матриці провідності розмірності n, або ? у канонічній формі: |

…

…

Матрична форма | Канонічна форма

Застосування (МВП) дозволило описати класичний випадок реєстрації біопотенціалу ?а від n-джерел сигналів внутрішніх n-органів у зоні замикаючого електрода 1 на поверхні шкіри 2 відносно бази 3 (рис.8).

Рис. 8. Розгляд класичного випадку реєстрації потенціалу

Виявлено, що при цьому має місце усереднення по множині n - джерел, для якого потенціал а, щодо вузла базового потенціалу 0, складе:

Отже, класичний спосіб реєстрації потенціалу за допомогою замикаючого електрода призводить до усереднення потенціалу і, відповідно, до втрати корисної інформації. Наприклад, моделюючи спільну дію електрокардіографічного (ЕКГ) та електрогастрографічного (ЕГГ) сигналів, реєструють істотно спотворений сигнал.

Однією з задач потенціалографії є також вибір базової точки. в роботі виявлено, що вираз при n? набуває нульового значення для різних джерел . Практична цінність цього висновку полягає в тому, що для формування базового вузла досить використати усереднену сукупність великої кількості точок контролю, як показано на рис.9.

а) б)

Рис. 9. Формування базового вузла:

а) класичним методом; б) через усереднення

Вибір як базової точки N ділянки на нижній кінцівці в традиційному уявленні призводить до шкідливих наслідків, пов'язаних з виникненням синфазної складової напруги зовнішнього впливу. Розміщення електрода N як віртуальної бази для виміру можна виконати коаксіально, або зі зсувом від зони реєстрації потенціалу аi на зворотній проекції досліджуваного органа, або з використанням кільцевих електродів манжетного типу, як показано на рис.10.

а) б) в)

Рис. 10. Варіанти розташування системи давачів:

а)коаксіальний; б) зі зсувом від зони реєстрації потенціалу аi;

в) з використанням кільцевих електродів манжетного типу

Проведене моделювання формування просторового розподілу потенціалів та вплив зсуву точок реєстрації в сагітальному напрямку дозволило додатково обгрунтувати формування базової точки за допомогою кільцевого замикаючого електрода. Поряд з вибором базової точки, запропоновано виконувати вимір біопотенціалів в обмежених зонах для запобігання взаємодії сигналів. Ці обставини викликали необхідність сканування зон, пошук найбільш інформативних з них, виконання амплітудно-частотного аналізу сигналів в умовах перешкод, розроблення нових типів підсилювачів біопотенціалів для низьких рівнів корисного сигналу, використання системи керування процесом за допомогою контролерних пристроїв. Виявлена наявність розподілених потенціалів на поверхні шкіри й опору шкірного покриву викликає розтікання струмів (рис.11).

Рис. 11. Урахування явища розтікання струмів

У роботі подано аналіз співвідношень за кількістю зон локалізації біопотенціалів, щільності їх розміщення, на базі цього обгрунтовано використання системи давачів із просторово-розподіленими чутливими зонами. Виявлено, що інформативний потенціал ?аi слід визначати з урахуванням опору шляху розповсюдження потенціалу, для якого запропонована еквівалентна схема.

У третьому розділі проаналізовані і розроблені технічні засоби біотехнічної контролерної системи. Показано, що без системного підходу до урахування особливостей процесу формування корисного сигналу одержання достовірних результатів неможливо. Високу ефективність діагностики досягнуто за допомогою БТС зі структурно-функціональною схемою, яка наведена на рис.12 (виділена частина схеми та система давачів складають сутність розробки).

Рис.12. Структурно-функціональна схема БТС

В запропонованій системі точність підвищується за рахунок застосування 24-розрядного АЦП і складає 1,6777·10-7, що наближається до нанорівня і за цим параметром характеризує рівень технічних рішень, використаних у розробці. Інформативність підвищується за рахунок відповідної організації програмного забезпечення.

Особливістю схеми є застосування кореляційних програмних фільтрів, що дозволяє оптимально й швидко налаштовувати пристрій під конкретно досліджуваний орган або окремий його відділ з урахуванням особливостей організму дитини. Керування пристроєм повністю здійснюється за допомогою програмного забезпечення застосованих мікроконтролерів.

Для досягнення високих метрологічних характеристик на основі аналізу існуючих ПБП наведена класифікація підсилювачів біопотенціалів. Аналіз ПБП показав, що класичні схеми (рис.13) не вирішують завдання реєстрації біопотенціалів, тому що прості схеми мають високу похибку перетворення, а схемам інструментальних підсилювачів властива істотна залежність напруги на виході в залежності не тільки від співвідношення параметрів резисторів, а й від величини напруг посилення та несиметричного режиму роботи. Зазначені недоліки може усунути запропонована схема (рис.14), виконана з інваріантним застосуванням входів операційних підсилювачів.

Рис. 13. Вихідна схема Рис. 14. Запропонована схема

Аналітично доведені й експериментально перевірені основні показники вхідної частини ПБП.

Використання запропонованої схеми (рис.15, рис.16) дозволило реалізувати ПБП з мультиплікативним послабленням синфазної складової. Синфазна складова сигналу послабляється у два етапи, тому загальний коефіцієнт послаблення складе ? 120…140 дБ.

Рис. 15. Вигляд конструктивного виконання системи давача

Рис. 16. Запропонована активна схема виділення абсолютних значень потенціалів із послабленням синфазної складової

Подальше вдосконалювання схем давачів дозволило розробити схеми на операційних підсилювачах для ПБП (рис.17).

Рис. 17. Схеми універсальних підсилювачів з лінійним формуванням коефіцієнта підсилення

Запропоновані схеми мають загальний аналітичний опис.

;

Загальний К коефіцієнт підсилення поданий виразом:

При забезпеченні чисельної рівності R1=КОУ маємо коефіцієнт підсилення; похибка ?= . Переваги запропонованих ПБП, показані в табл.2, стали можливими завдяки застосованому інваріантному залученню ОП в ПБП.

Таблиця 2. Порівняння параметрів класичних і запропонованих схем

Параметр | Класичний

Варіант | Запропонован.

Варіант | Результат порівняння

Похибка | . | ?запроп << ?клас.

Коеф. підсилення підсилювача, що інвертує | К інв визначається номіналом

R2 | Забезпечення лінійної залежності коефіцієнта підсиления

та прецизійний підсилювач різниці однією схемою

Коеф. підсилення

підсилювача, що не інвертує | К неінв визначається номіналом

R2

Додаткові можливості

підсилення- | ? | Uвих=К(U1-U2);

Uвих=К(U2-U1)

Вхідний опір при рівному підсиленні | Вхідний опір не залежить від посилення схеми

Послаблення синфазної складової | 60дБ<<160дБ

Додаткові характеристики | У принципі, несиметрична

схема | Повністю

симетрична схема | Переваги симетричності схеми

Висновок: | Параметри запропонованого класу підсилювачів

недосяжні класичними схемами

Отже, запропоновані в роботі пристрої ПБП мають істотні переваги перед існуючими схемами, що дозволяють досягти високої точності перетворення, лінійності коефіцієнта підсилення, більших функціональних можливостей і найвищих показників у послабленні синфазної складової, що може бути основою при побудові прецизійних підсилювачів.

Запропоновано програмне керування системою давачів, вибір найбільш інформативного з них та подальшими процесами фіксації, оцифровки, фільтрації й передавання корисної інформації із внутрішнього інтерфейсу.

Удосконалено схеми й програмні алгоритми цифрової фільтрації. У розробленій БТС реалізовано блок цифрової фільтрації, параметри якого змінюються програмно. Настроювання цифрового фільтра зводиться до програмного впливу на коефіцієнти перерахування компонент ядра. Побудова реального фільтра БТС із заданими параметрами реалізована математичним блоком програмного забезпечення, що входить до складу БТС, крім цього, враховані й реалізовані вимоги безпеки, які є одними з головних при проектуванні діагностичної апаратури.

Обгрунтовано й обраний тип контролерної системи, а також характеристики й вимоги програмного забезпечення, розроблено керуючий алгоритм взаємодії елементів для пристрою перетворення біопотенціалів у комп'ютерній системі.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень, проведені методом диференціальної діагностики на основі розробленої біотехнічної системи (рис.18).

Рис. 18 Конструктивний вигляд блоку технічної підсистеми БТС

Для оцінювання рухової активності товстої кишки був використаний розроблений метод диференціальної діагностики (патент №5099 А61В5/05) моторної функції товстої кишки пацієнтів дитячого віку.

В отриманому за допомогою розробленої біотехнічної системи графічному зображенні біоелектрична активність ШКТ визначається за допомогою таких параметрів, як середня величина потенціалу, кількість максимумів, активний час. Оцінювалася базальна біоелектрична активність (ББА) товстої кишки до й після харчової стимуляції. За характером приросту показників ББА виявлявся тип порушення моторики товстої кишки. Статистичне опрацювання даних проводилося параметричними методами.

Під спостереженням перебували 353 дитини із захворюваннями кишечнику, серед яких були діти із хронічними колітами, синдромом подразненого кишечнику, вродженою аномалією товстої кишки та інші, госпіталізовані у гастроентерологічному відділенні міської клінічної лікарні №19 м. Харкова.

Усім дітям було проведено обстеження рухової активності товстої кишки за допомогою розробленої БТС та ЕГС-4М. Визначені порушення моторної функції товстої кишки наведені в табл.3.

Таблиця 3. Визначені порушення моторної функції товстої кишки

Тип порушення моторної функції товстої кішки | ЕГС-4М | БТС

Абсолютна кількість | % | Абсолютна

кількість | %

1. Гіпокінетичний тип моторики | 197 | 55,8 | 201 | 56,9

2. Гіперкінетичний тип моторики | 78 | 22,1 | 85 | 24,17

3. Нормокінетичний тип моторики | 53 | 15 | 63 | 17,8

4. Невиявлений тип моторики | 25 | 7,1 | 4 | 1,13

Усього: | 353 | 100 | 353 | 100

Аналіз отриманих результатів (табл.3) показує, що значних розбіжностей у визначенні типів порушення моторики товстої кишки за допомогою зазначених засобів не спостерігається, що свідчить про достовірність запропонованого методу реєстрації біопотенціалів з поверхні тіла дитини. Застосування розробленої БТС дозволяє у достовірно більшої кількості дітей встановити тип порушення моторної функції товстої кишки ніж при застосуванні класичного ЕГС-4М. Також у розробленій БТС є можливість враховувати конституціональні особливості дитини, індивідуальні особливості біофізичних властивостей органів і тканин організму. За допомогою розробленого програмного забезпечення медичний персонал має можливість аналізувати щонайменщі елементи графічного зображення, що підвищує інформативність розробленого методу, у порівнянні з аналізом графічного зображення з паперового носія.

Важливою особливістю БТС є можливість оперативної зміни параметрів блоку фільтрації, каскадів попереднього підсилення, програмної установки конституційних особливостей пацієнта системи для настройки на частотний спектр, який відповідає природному ритму діяльності органів ШКТ, при цьому реєстрацію біопотенціалів можна проводити з будь якого відділу травневого каналу, що робить цю систему універсальною.

Подальше вдосконалення архітектури, апаратної й програмної частин біотехнічної системи дозволило виконати й впровадити ряд пристроїв у вигляді налагоджувальних комплексів і мікроконтролерних систем різного призначення. Універсальні налагоджувальні комплекси серії МЛ призначені для створення сучасних високопродуктивних вимірювальних і керуючих систем, а також для використання в навчальному процесі для детального ознайомлення з архітектурою та принципами програмування сучасних мікроконтролерних систем. Кожний з комплексів має свої особливості та спроектований із застосуванням найновіших досягнень у сфері мікроелектроніки (рис.20).

а) б)

в) г)

Рис. 20 Загальний конструктивний вигляд комплексів серії МЛ:

а) МЛ-1; б) МЛ-2; в) МЛ-3; г) МЛ-4

Основні технічні характеристики та типи застосованих процесорів і мікросхем програмованої логіки наведено у табл.4.

Таблиця 4. Порівняльна характеристика лабораторних макетів

Назва | Тип проц. | Об’єм ОЗУ, кб | Кількість ліній вводу- виводу | Напр. живл., В | Назва проц. | Такт. частота, МГц

МЛ-1 | AVR | 16 | 48 | 3,3 | ATMEGA | 16

МЛ-2 | ПЛИС | 32 | 96 | 3,3 | EP1K100 | 50

МЛ-3 | ARM | 1024 | 48 | 3,3 | LPC-2106 | 48

МЛ-4 | DSP | 2048 | 96 | 3,3 | ADSP | 600

З огляду на універсальність програмних засобів, розроблена біотехнічна система може використовуватися в діагностиці інших захворювань, де необхідна реєстрація біопотенціалів, наприклад, при діагностиці серцево-судинної системи. Тому в дисертаційній роботі розглянуті варіанти впровадження запропонованої системи в інших сферах медицини та техніки.

Застосування в лабораторних макетах серії МЛ зовнішніх давачів та сенсорів дозволяє створювати системи забезпечення життєдіяльності людини, системи автоматизації й керування, системи контролю параметрів й якості на виробництві. Це зумовлено наведеними вище характеристиками та можливостями сучасних мікроконтролерних засобів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконане наукове дослідження, у результаті якого отримане вирішення актуальної науково-прикладної задачі з неінвазивної та безпечної діагностики органів ШКТ за рахунок модифікованої біофізичної моделі формування сигналів різних органів ШКТ із багатополюсним розподіленням на шкірній поверхні потенціалів, при цьому:

1. Проаналізовані та класифіковані існуючі методи та апаратні засоби діагностики органів ШКТ.

2. Доведено, що просторово-розподілені потенціали є інформативним параметром у проекції досліджуваного органа.

3. Доведено, що застосування замикаючого електрода знижує інформативність реєстрованого сигналу, однак з'являється можливість ефективного визначення базової точки, також доведено, що просторово-розподілені потенціали є інформативним параметром у проекції досліджуваного органа.

4. Розроблено, запатентовано і впроваджено метод диференціальної діагностики моторики ШКТ.

5. Розроблена та впроваджена біотехнічна система обробки інформації в електрогастроентерографії.

6. Запропонована і розроблена система давачів, які дозволили сканувати просторово-розподілені чутливі зони, указані варіанти кращого розміщення розробленої системи давачів для процесу реєстрації.

7. Розроблено схеми мультиплікативного послаблення синфазної складової, запропоновано нові способи керування коефіцієнтом підсилення в ПБП, вирішено питання підвищення лінійності, пропорційності й точності перетворення сигналів підсилювачами.

8. Отримано стійкий діагностичний ефект в умовах лікувальної установи.

9. Розроблено перспективні рішення БТС для інших сфер медицини й техніки.

Запропоноване вирішення поставленої актуальної задачі потребує мінімальних витрат економічних ресурсів, що особливо актуально для створення медичних діагностичних систем на території України й узгоджується із загальними світовими тенденціями удосконалення медичних засобів неінвазивної діагностики внутрішніх органів людини.

ПЕРЕЛІК ПРАЦЬ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Белоусова О.Ю., Зимницкая Т.В., Крук О.Я. Компьютерная электромиография в детской гастроэнтерологии // Актуальные проблемы медицины и биологии. - 2004. - №1, -С.146-149.

2. Крук О.Я. Совершенствование схем усилителей биопотенциалов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2004. - №6, -С.149-155.

3. Пат. № 5099, Україна, МПК А61В5/05. Спосіб диференційної діагностики моторної функції товстої кишки у дітей / Бєлоусова О.Ю., Зімницька Т.В., Семенець В.В., Крук О.Я.; Харківська медична академія післядипломної освіти – 20040705352; Заявл. 05.07.2004; Опубл.: Промислова власність. Офіційний бюлетень. 2005. -№2.

4. Семенец В.В., Крук О.Я. Лабораторные отладочные комплексы серии МЛ // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии. - 2006. - №1, С.45-48.

5. Пат. № 77724, Україна, МПК А61В5/04. Система обробки інформації в електрогастроентерографії / Семенець В.В., Крук О.Я., Бєлоусова О.Ю., Зімницька Т.В.; Харківський національний університет радіоелектроніки – 20040605163; Заявл. 29.06.2004; Опубл.: Промислова власність. Офіційний бюлетень. 2006. -№1.

6. Пат. № 79652, Україна, МПК G09В23/18. Лабораторний стенд для практичного освоєння мікропроцесорних систем керування / Крук О.Я., Аврунін О.Г., Семенець В.В.; Харківський національний університет радіоелектроніки – а 2005 05408; Заявл. 06.06.2005; Опубл.: Промислова власність. Офіційний бюлетень. 2006. -№12..

7. Семенец В.В., Федотов Д.А., Крук О.Я. Принцип управления коэффициентом усиления активных схем для ПБП при мультипликативном подавлении синфазной составляющей и инвариантном включении операционных усилителей // Системы обработки информации. - 2007. - №1(59), -С.97-102.

8. Крук О.Я. Новое представление процесса формирования и регистрации биопотенциалов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2007. - №1, -С.9-12.

9. Семенец В.В., Федотов Д.А., Крук О.Я. Биотехническая микроконтроллерная система для гастроэнтерологических исследований // Прикладная радиоэлектроника. - 2007. - №1, -С.72-77.

АНОТАЦІЯ

Крук О.Я. Удосконалення електрофізіологічного методу та засобів диференційної діагностики шлунково-кишкового тракту людини.? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.11.17 – Біологічні та медичні прилади та системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.

У дисертаційній роботі проведені теоретичні та експериментальні дослідження, пов’язані з вивченням просторового розподілення біопотенціалів, їх реєстрації, перетворення та обробки з метою діагностики травного тракту людини.

Модифіковано біофізичну модель формування сигналів різноманітних органів шлунково-кишкового тракту (ШКТ) з багатополюсним поданням розподілених на поверхні шкіри потенціалів, що дозволяє розробити методику реєстрації моторики органів ШКТ шляхом сканування просторово-розподілених чуттєвих зон активного давача. Доведено, що просторово-розподілені потенціали є інформативним параметром у проекції органа, що досліджується. Установлено та аналітично доведено, зниження інформативності досліджуваного сигналу у разі використання замикаючого класичного електроду.

Розроблено метод диференційної діагностики, дозволяючий неінвазивно діагностувати патології моторики органів ШКТ на основі удосконаленої математичної моделі, яка розширює можливості потенціалографії за рахунок вибору базових областей та зон максимальної інформативності. Розроблена методика побудови підсилювачів біопотенціалів (ПБП) на основі модифікованого інструментального підсилювача, запропоновано метод керування коефіцієнтом підсилення активної схеми для ПБП при мультиплікативному послабленні синфазної складової, інваріантному включенні операційних підсилювачів та лінійному забезпеченні коефіцієнта підсилення. Запропоновані нові засоби керування коефіцієнтом підсилення в ПБП. Вирішені питання підвищення лінійності, точності перетворювання підсилювачами та їх узгодження з джерелом сигналу.

Розроблено біотехнічну систему (БТС) обробки інформації у електрогастроентерографії, яка вирішує задачу неінвазивної діагностики ШКТ для пацієнтів дитячого віку. При використанні БТС отримано стійкий діагностичний ефект в умовах лікувального закладу. Розглянуті інші перспективні рішення щодо використання розробленої БТС у інших галузях медицини та техніки.

Ключові слова: шлунково-кишковий тракт, диференційна діагностика, біотехнічна система, підсилювач біопотенціалів, обробка інформації.

АННОТАЦИЯ

Крук О.Я. Усовершенствование электрофизиологического метода и средств дифференциальной диагностики желудочно-кишечного тракта человека.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 – Биологические и медицинские приборы и системы. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.

В диссертационной работе проведены теоретические и экспериментальные исследования, связанные с изучением пространственного распределения биопотенциалов, их регистрации, преобразования и обработки с целью диагностики пищеварительного тракта человека.

Модифицирована биофизическая модель формирования сигналов различных органов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) с многополюсным представлением распределенных на кожной поверхности потенциалов, что позволяет разработать методику регистрации моторики органов ЖКТ путем сканирования пространственно-распределенных чувствительных зон активного датчика. Доказано, что пространственно-распределенные потенциалы являются информативным параметром в проекции исследуемого органа. Установлено и аналитически обосновано снижение информативности регистрируемого сигнала в случае применения замыкающего классического электрода.

Разработан метод дифференциальной диагностики, позволяющий неинвазивно диагностировать патологии моторики органов ЖКТ на основе усовершенствованной математической модели, расширяющей возможности потенциалографии за счет выбора базовых областей и зон максимальной информативности. Разработана методика построения усилителей биопотенциалов (УБП) на основе модифицированного инструментального усилителя, предложен метод управления коэффициентом усиления активной схемы для УБП при мультипликативном подавлении синфазной составляющей, инвариантном включении операционных усилителей и линейном обеспечении коэффициента усиления. Предложены новые способы управления коэффициентом усиления в УБП. Решены вопросы повышения линейности, точности преобразования усилителей и их согласование с источниками сигналов. Разработана биотехническая система (БТС) обработки информации в электрогастрографии, которая решает задача неинвазивной диагностики ЖКТ для пациентов детского возраста. В результате применения БТС получен устойчивый диагностический эффект в условиях лечебного учреждения. Рассмотрены другие перспективные решения БТС для областей медицины и техники.

Ключевые слова: желудочно-кишечный тракт, дифференциальная диагностика, биотехническая система, усилитель биопотенциалов, обработка информации.

ABSTRACT

Кruк O.J. An improvement of an electrophysiological method and means of differential diagnostics of a gastric paths of people.-the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.11.17 - Biological and medical devices and systems. - Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2007.

The dissertation contains theoretical and the experimental researches connected with studying of spatial distribution of bio potentials, their registration, transformation and processing with the purpose of diagnostics of a digestive tract of the person.

The biophysical model of formation of signals of various bodies of a gastric intestinal tract (GI tract) with multipolar representation of the potentials allocated on a skin surface that allows to develop a technique of registration of a motility of bodies of GI tract by scanning the spatially-distributed sensitive zones of the active sensor is modified. It is proved, that the spatially-distributed potentials are informative parameter in a projection of researched body. Decreasing of information of a registered signal in case of using of a locking classical electrode is established and analytically proved.

The method of differential diagnostics allowing to diagnose noninvasively a pathology of a motility of bodies of GI tract on the basis of advanced mathematical model, expanding opportunity of researching of gastric intestinal tract due to a choice of base areas and zones of maximal information is developed. The technique of construction of amplifiers of bio potentials (ABP) on the basis of the modified instrumental amplifier is developed, the method of management by amplification factor of the active scheme for ABP is offered at multiplicative suppression of an inphase component, invariant inclusion of operational amplifiers and linear regulation of amplification factor. New ways of management by amplification factor in ABP are offered. Also questions of increase of linearity, accuracy of transformation of amplifiers and their coordination with sources of signals were solved. The bio technical system (BTS) processings of the information which solves a problem of noninvasive diagnostics of GI tract for patients of children's age was developed. As a result of application of BTS the steady diagnostic effect in conditions of medical establishment was received. Other perspective decisions of BTS for areas of medicine and technics were considered.

Keywords: a gastric intestinal tract,