Державний університет " Львівська політехніка "

Сторчун Євген Володимирович

УДК 615.47

БIОТЕХНIЧНI СИСТЕМИ

В МЕХАНОКАРДIОМЕТРIЇ ТА КАРДIОТОКОМЕТРIЇ:

ТЕХНIЧНI ЗАСОБИ ФОРМУВАННЯ СИГНАЛIВ

05.11.17 - Медичні прилади та системи

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті“Львівська політех-ні--ка” Міністерства освіти України та Держав-но--му на-уково–виробничому підприємстві по ра-діо--елек-тронній медичній апаратурі Мініс-терс-тва про-ми-сло-вої політики України

Науковий консультант д.т.н., професор Смердов Андрій Андрі-йо-вич, Державний університет “Львівська політехніка”, зав. кафедри

Офіційні опоненти: д.т.н., професор Дідковський Віталій Семе-но-вич, НТУУ “ Київський політехнічний інсти-тут ”, зав. кафедри

д.т.н., доцент Злепко Сергій Макарович,

Вінницький державний технічний університет,

зав. кафедри

д.т.н., професор Стахів Петро Григорович,

Державний університет “Львівська політехніка”,

зав. кафедри

Провідна установа Харківський державний технічний університет ра-діо-елект-ро--ні--ки, кафедра “Біоелектронні ме-дич-ні при-строї та системи”, Міністерство освіти Укра-ї-ни.

Захист відбудеться 16 червня 1999р. о 12 год. на засіданні спе-ціалізо-ва-ної вченої ради Д 35.052.10 Державного університету “Львів-ська політехніка” (290646, Львів, вул. Ст.Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитись у Науковій бібліотеці Дер-жав-но-го університету “Львівська політехніка”( вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий 29 квітня 1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ______________ Романишин Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема здоров`я населення набула в Україні соціаль-ної гостроти. Най-більш загрозливими для здоров`я виявилися і в найближчому майбутньому за-ли-шаться захворювання серцево – судинної системи організму людини. Не мен-ше за-непокоєння викликає зростання дитячої смертності.

Вирішення зазначених проблем практичної медицини тісно пов`язано з роз-витком методології біомеханічної діагностики (БМД) за механічними і акус-тични-ми сигналами (МАС) серцево – судинної системи біооб`єкта (на біомеха-нічні явища у системі кровообігу припадає близько 90 %, а біоакустичні – 10% вібраційної енергії скорочення серця людини).

Природа біологічних об`єктів вимагає використання в їх діагностиці різно-манітної, отриманої одночасно інформації. Багатопараметрична діагностика грун-тується на застосуванні інструментальних методів, які постійно поповню-ють-ся новітніми досягненнями науки і техніки.

Незважаючи на досягнення радіоелектроніки, методологічний рівень БМД, що існував, не забезпечував використання інформаційного вмісту сигналів, від-по-відного складності об`єктів дослідження. Однією серед головних причин цьо-го була невідповідність методології БМД ( технічного інструментарію та мето-дів йо-го застосування ) діагностуванню стану організму людини. У структурі медичних приладів названих методів контакт з біооб`єктом забезпечують технічні засоби формування сигналів (медич-ні перетво-рю-вачі, пристрої), ступінь функціональної сумісності з об`єктом яких визначає даний по-казник для ді-агностичних приладів і систем у цілому.

У розвитку технічних засобів формування сигналів для методів БМД за внут-рішніми МАС системи кровообігу увага приділялася отриманню мак-си-мального сигна-лу і не враховувся вплив сенсорів на біооб`єкт, що спричиняло опо-середко-ва-ність ре-зуль-татів біомеханічних обстежень властивостями медич-них перетво-рю-вачів та технології їх застосування. Для практичної медицини це означало втрату єдності результатів обстеження пацієнтів.

В різних методах діагностики за внутрішніми біомеханічними явищами сис-теми кровообігу людини проблема єдності результатів має свої особливості. У но-вому методі багатозональної пульсометрії, де відбува-ється реєстрація пуль-сових сигналів в 6 зонах променевих артерій, необхідна єдність результатів у об`єктно-му вимірі. В однозональних методах діагностики вимага-єть-ся від-тво-рюваність ре-зультатів за різних, фізіологічно припустимих, умов об-стеження: опе-ратор (ме-то-дика сприйняття і передачі сигналів), час то-що.

Відсутність єдності результатів принципово обмежувала потенціальні мож-ливості методів БМД, перевага яких полягає у системній інформативності, мож-ливостях широкого та багаторазового застосування у діагностично–лікуваль-но--му процесі. Саме такі методи медичної діагностики важливі для практичної ме-дици-ни у боротьбі з поширеними захворюваннями, на чому було наголо-ше-но, зокре-ма, в “Комплексній програмі розвитку медичної, ветеринарної та мікро-біологіч-ної промисловості, поліпшення забезпечення населення і потреб тва-ринництва лі-карськими засобами, медичною і ветеринарною технікою на 1992 – 1996 р.”, яка була започаткована постановою Кабінету Міністрів Укра-їни за № 573 від 08.10.92 р. У даній програмі быльше 44 % завдань при-па-дає на ство--рення нової медичної техніки кардіологічного та акушерсь-ко-го при-зна-чення.

Ряд нових медичних перетворювачів, що становили об`єкт дослідження в да-ній роботі, було створено за завданнями зазначеної програми.

Історію розвитку методів БМД відрізняла недостатня розвину-тість модель-них уявлень щодо біооб`єкта, відсутність моделей, що кількісно описують процес взаємодії медичних сенсорів з біооб`єктом та системного біотехнічного під-ходу до створення відпо-відних технічних засобів сприйняття і передачі сигналів орга-нізму людини – ме-дич-них перетворювачів та пристроїв.

Проблема полягала у розробці основ теорії складних біотехнічних систем (БТС) біооб`єкт – медичний перетворювач формування МАС системи крово-обігу на поверхні тіла біооб`єк-та; обгрунтуванні методоло-гічних аспектів за-стосування; створенні і впровадженні у серійне ви-робництво та медичну прак-тику нових, функ--ціонально сумісних з біооб`єк-том, стійких до дії завад техніч-них засобів, які забезпечують відтворюваність та єдність сприйняття і передачі зазна-чених сигна-лів.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертаційній роботі результати були отримані автором під час виконання до-сліджень:–

"Создать и освоить в серийном производстве комплект преобразователей для кардиологии". Названа ДКР виконувалася за завданням 01.09.017 галузево-го плану Міністерства медичної промисловості СРСР (1980 – 1983 р.р.); –

"Исследование возможности разработки совмещенных датчиков для кар-диологии на основе колебательных систем с двумя степенями свободы". Зазна-чена НДР виконувалася відповідно до угоди № 258 від 12.09.89 р. з Міністер-ством медичної промисловості СРСР;

– "Создать и освоить в серийном производстве мониторный комплекс ММП – 01 для контроля состояния матери и плода по показателям ЭКГ и сер-деч--ных со-кращений". Названа робота виконувалася за завданням 01.03 про-блеми 0.18.05 (“ Создать и освоить в производстве высокосовершенную ди-аг-ности-ческую и терапевтическую медицинскую технику " ) розділу 045 ( "Диаг-ностика и лечение основных заболеваний человека " ) загальносоюзної науко-–во – тех-ніч-ної програми на 1986 – 1990 р.р.;

"Розробка і організація серійного виробництва монітора для контролю плоду МКП – 02". Робота здійснювалася у відповідності до " Комплексної прог-рами роз-витку медичної, ветеринарної та мікробіологічної промисловості, по-ліпшення забезпечення населення і потреб тваринництва лікарськими засобами, медичною і ветеринарною технікою на 1992 – 1996 р.р. ", яка була затверджена Постановою Кабінету міністрів України за № 573 від 08.10.92 р.; –

"Розробка кардіополіграфа " – ДКР виконувалася за угодою з Міні-стер-с-твом машинобудування, військово – промислового комплексу і конверсії Украї-ни за № 332 – 1056 / 07 від 07.92 р.;–

За тематикою кафедри, яка виконувалася у відповідності з Програмою 05 “Розробка наукових основ побудови, проектування та впровадження систем ав-томатизації дослідних та проектних технологій”, що входить до комплексної нау-ково – технічної програми Міносвіти України “Розробка теоретичних основ побу-до-ви багаторівневих інтегральних схем з включенням складових керуючих та об-числювальних комплексів, роботів та робототехнічних систем, систем інформа-ції”.

Мета дослідження полягала у розробці основ теорії складних біотехнічних систем біооб`єкт – медичний перетворювач формування МАС системи крово-обі-гу на поверхні тіла біооб`єк-та; обгрунтуванні методоло-гічних аспектів за-стосу-вання; синтезі і моделюванні структур; проек-туванні та впровадженні у серійне вироб-ництво і медичну практику нових, функ-ціонально сумісних з біо-об`єктом, взаємо-замінних та стійких до дії завад, пов`яза-них з організмом лю-дини і довкіл-лям, технічних засобів, які за-безпе-чу-ють єдність і відтворю-ваність сприй-няття і пе-редачі зазначених сигналів у об`єктно-му вимі-рі та за різних, фізіологічно при-пу-стимих, умов обстеження пацієнтів (оператор, час, міс-це і т.ін.).

Задачі дослідження. Під час досліджень розв`язувалися наступні основні за-дачі:–

розробка основ теорії БТС формуван-ня МАС системи кровообігу на по-верхні тіла біооб`єкта, що утворені : внут-ріш-ні-ми джерелами сигналів різної біо-фізичної природи, передавальним сере-довищем м`яких тканин організму людини та медичними перетворювачами ;–

дослідження взаємодії медичних сенсорів з біооб`єктом та:–

обгрунтування умов реєстрації сигналів і вимог до технічних засобів їх сприйняття і передачі , що забезпе-чують відтворюваність та єдність от-римуваних результатів у од-но– та багатозо-наль-них методах меха-но-кар-діо-метрії і кардіотокомет-рії;–

синтез структур нових технічних засобів формування сигналів системи кровообігу на поверхні тіла людини; –

розробка математичних моделей і оптимізація синтезованих струк-тур;–

розробка методик розрахунку метрологічних характеристик і антропо-мет--рич-них показників механокардіометричних та кардіотокометричних пере-творю-вачів як елементів відповідних БТС формування сигналів;–

аналіз і обгрунтування конструкторсько–технологічних особливостей про-ектування, а також розробка методик метрологічного забезпечення серійно-го ви-робництва та експлуатації нових сенсорів у медичній практиці;–

проведення технічних та медичних (у складі діагностичних систем ме-ха-но--кардіометрії та кардіотокометрії) досліджень но-вих технічних засобів фор-му-ван--ня сигналів.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше розроблено основи теорії БТС формування МАС від внутрішніх джерел на поверхні тіла біооб`єкта, де розглянуто у сукупності :–

джерела внутрішніх МАС біооб`єкта як коливальні системи із зосередже-ними і розподіленими, змінними у зонах накладання медичних перетво-рювачів параметрами;–

передавальне середовище м`яких тканин організму людини як нелінійне реологічне середовище із зосередженими і змінними в зонах знімання сиг-налів параметрами;–

медичні перетворювачі як комбінації коливальних систем різної фізичної природи.

2. Запропоновано нову параметричну, послідовно – паралельну модель по-ширення внутрішніх МАС нелінійним реологічним середовищем м`яких тканин організму людини, в якій деталізовано цей процес та механізм впливу на пара-мет-ри названого середовища зовніш-ньої дії на зони реєстрації зазначених сиг-налів.

Розроблено методику визначення параметрів даної моделі за результатами вимірювання вихідного сигналу перетворювачів з різним вхідним механічним імпедансом при малих значеннях сили притискання до зони реєстрації.

3. Обгрунтовано нову параметричну модель пульсових коливань нелі-ній-ної за пружними властивостями ділянки ар-терії, зміна характеристик якої в зо-нах впливу медичних перетворювачів мо-делю-валася зміною тонусу арте-рі-аль-ної стін-ки та площі перетину.

4. Вперше встановлено за результатами моде-лю-вання та експеримен-таль-них досліджень кількісні закономірності взаємодії кон-тактних перетворювачів фізич-них величин внутрішніх МАС з біооб`єктом, а також особливості, які спричиня-ють втрату єдності результатів обстеження паці-єнтів та недостатню захищеність від дії імпульсної біомеханічної завади (артефактів) в методах механокардіо-мет-рії та кардіотокометрії.

Зокрема, за умови зміни сили зовнішнього тиску на зони реєстрації сиг-на-лів у діапазоні значень (0 – 2) Н:–

модуль передавальної функції м`яких тканин організму людини в області променевих артерій становить (50 – 600) Н/м;–

діапазон значень коефіцієнта розподілу зазначеної сили між елементами біотех-нічної системи формування сигналів у випадку променевих артерій люди-ни становить (0,25 – 0,6).

5. Встановлено: індивідуалізована методика багатозональної пульсометрії за канонами східної медицини грунтується на спектральній селекції пульсових сиг-на-лів, що класифікує її як методику з жорстко визначеними умовами об-сте-ження пацієнтів і створює передумови подальшого розвитку методів обробки та аналізу названих сигналів, а також підвищення ефективності діагностики.

6. Вперше обгрунтовано вимоги щодо умов реєстрації та характеристик пе-ретворювачів і пристрою для багатозональної пульсометрії, які забезпечують єд-ність отримуваних результатів у об`єктному вимі-рі.

Критеріями обгрунтування вимог були рівновеликий вплив на джерело сиг-налу в різних зонах та інформаційно – енергетичний показник перетворення від-по-відних біофізичних величин.

7. Обгрунтовано вимоги до метрологічних характеристик і антропо-мет-рич--них по-казників перетворювачів сили однозональних внутрішніх МАС на поверхні тіла біооб`єкта, які забезпечують функціональну сумісність з орга-нізмом люди-ни, відтворюваність передачі інформації за фізіологічно при-пус-тимих умов об-стежен-ня пацієнтів і стійкість до дії артефактів.

Критеріями обгрунтування вимог були рівновеликий вплив на зону реєст-рації сигналу за зазначених умов обстеження та інформаційно – енергетичний по--казник перетворення відповідних біофізичних величин.

8. Синтезовано нові струк-ту-ри, розроблено і досліджено математичні мо-делі:–

перетворювачів для однозональних методів біомеханічної діагностики, ме-ханічна сторона яких представляє коливальну систему, закріплену на фільтрі інфра-низьких частот;–

пристрою для багатозональної пульсометрії, що представляє систему 3 пе-ретворювачів з елементами регулювання та контролю зовнішнього тиску на зони реєстрації сигналів.

9. Вперше розроблено методики розрахунку метрологічних характеристик та ант-ропометричних показників взаємозамінних, функціонально сумісних з біо-об`єк-том механокардіометричних та кардіотокометричних перетворювачів сили, де названі сенсори розглянуті як елементи відповідних БТС діагностики.

10.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної ро-бо-ти було реалізовано у новому пристрою для багатозональної пульсометрії, а та-кож перетворювачах типу ППВ – 02, ПСА – 02, ПАК – 02, ПС – 02, ППУ – 02, ПФ – 01. Шифри перетворювачів наведено за каталогом Укрмедприладу ”Каталог изделий медицинской техники, производимых в Украи-не” (1994 р.).

Для методів механокардіометрії :–

багатозональної пульсометрії –”Пристрій для знімання багатозо-нального пульсового сигналу”, який використовують в автоматизо-ваному пуль-со-діагностично-му комплексі тібетської медицини, Бурятський ін-ститут природ-ни-чих наук Си-бірського відділення РАН, м. Улан – Уде ;–

об`ємної пульсометрії – ППВ – 02, ТУ 64 – 1 – 3635 – 82 (10.3.008);–

пульсометрії– ПСА – 02, ТУ 64 – 1 – 3635 – 82 (10.3.007);–

апекскардіометрії– ПАК – 02, ТУ 64 – 1 – 3635 – 82 (10.3.009),

які використовують в приладах типового ряду поліграфів П4Ч – 02, П6Ч – 02 та П8Ч – 02 (ТУ 64–1–3414–80), Львівський завод радіоелектронної медичної апа-ра--тури; в приладі “ Фонокард – 01”, Науково–виробниче підприємство “Мете-кол”, м. Ні-жин; в автоматизованому пульсодіагностичному комплексі тібетсь-кої ме-дицини, Бурятський інститут природничих наук Сибірського відділення РАН, м. Улан–Уде;–

фонокардіометрії – ПФ – 01,

що входить до складу “Кардіополіграфа КП–01” (ТУ УЗ.46–14308434–018–96), який за результатами Державних приймальних та клінічних випробовувань ре-комен-довано до серійного виробництва та застосування у медичній практиці (прилад розроблено у Державному науково – виробничому підприємстві по ра-діоелект-рон-ній медич-ній апаратурі, м.Львів).

Для кардіотокометрії:–

токометрії – ПС – 02 (10.3.004);–

ультразвукової локації серця плоду – ППУ – 02 (10.3.032),

які використовують в акушерських моніторах типу МКП–02 ( ТУ 25–2001.016 ), що виготовляються Бориславським заводом радіоелектронної медичної апара-тури.

Впровадження у навчальний процес. Результати дисертаційної роботи впро-вад-жено у навчальний процес Дер-жав-ного університету “Львівська політех-ні-ка”. З використанням матеріалів ро-боти видано навчальний посібник “Біоме-дичні вимірювальні перетворювачі” для сту-дентів спеціальності 7.091002 “Біо-тех-нічні та медичні апарати і системи” напрям-ку 6.0910 “Електронні апарати”, який затверджено Інститутом систем-них дослід-жень освіти Міносвіти України.

Особистий внесок здобувача

1.

1.1. Детерміновану, стаціонарну, скалярну, параметричну модель пульсо-вих коливань ділянки артерії як нелінійної гідродинамічної системи з розпо-ді-ле-ними і змінними у зоні накладання медичного перетворювача параметрами (то-нус, пло-ща перетину).

1.2. Детерміновану, стаціонарну, скалярну, параметричну, послідовно–па-ра-лельну модель нелінійного реологічного середовища м`яких тканин орга-ніз-му людини як системи із зосередженими і змінними у зоні знімання сигналу парамет-рами, де враховано розподіл методично необхідної сили притискання медичного перетворювача до границі між елементами цього середовища та його залежність від величини зазначеної сили.

1.3. Детерміновані, стаціонарні, скалярні, параметричні моделі БТС сприй-няття і передачі внутрішніх МАС з поверхні тіла біооб`єкта для наступних ме-тодів медичної діагностики:–

багатозональної пульсометрії;–

фонокардіометрії;–

кардіотокометрії.

2. Розроблено методику визначення параметрів нової послідовно–пара-лель-ної моделі середовища м`яких тканин організму людини.

3. Встановлено за результатами моделюван-ня та експериментальних до-слід-жень кількісні оцінки характеристик БТС формування пульсових сигналів (вхід про-меневої артерії – м‘які тканини – перетворювач) за різних граничних умов на поверхні тіла людини:–

діапазону значень модуля передавальної функції м‘яких тканин організму лю-дини;–

частки сили притискання перетворювача до поверхні тіла людини, що при-падає на ар-те-рію;–

діапазону значень коефіцієнта розподілу зазначеної сили між елементами БТС формування сигналів та його залежності від величини названої сили;–

змін спектра пульсових сигналів, сформованих за різних умов обстеження па-цієнтів.

4. Обгрунтовано методики (правила застосування і ха-рак-те-ристики пере-творювачів та пристрою) реєстрації одно– та багатозональних внут-рішніх біо-ме--ха-нічних сигналів на поверхні тіла біооб`єкта, які у випадку однозо-нальних сигналів забезпечують, за фізіологічно припустимих умов обсте-ження, од-на-ко-ву зовнішню дію на зону реєстрації, а у випадку багатозональних – рівно-вели-ку дію на джерело сигналу в різних зонах.

5. Синтезовано нові струк-ту-ри, розроблено і досліджено математичні мо-делі, встановлено співвідношення між характеристиками перетворювачів та па-раметрами елементів конструкцій сенсорів для фонокардіометрії, токометрії, ультразвукової локації серця плоду та пристрою для багатозональної пульсо-метрії.

6. Розроблено методики розрахунку характеристик ряду перетворювачів для механокардіометричних методів медичної діагностики та кардіотокометрії.

7. Оптимізовано конструкції та технологію виготовлення нових перетворю-вачів та пристрою для розглянутих методів діагностики з метою забезпечення мак-си-мальної чутли-вості за умов єдності та відтво-рюваності сприйняття і пе-ре-дачі сигналів, прий-нятної для медицини дії на біооб`єкт під час обсте-жен-ня та антро-пометричних показників сенсорів.

Під керівництвом та за безпосередньою участю здобувача було спроек-то-ва--но і впроваджено у серійне виробництво та медичну практику ряд нових ме-дич-них перетворювачів для методів механокардіометрії і кардіотокометрії ти-пу: ППВ – 02, ПС – 02, ПСА – 02, ПАК – 02, ППУ – 02 , ПФ – 01 та пристрою для багато-зо-нальної пульсометрії.

За участю здобувача (технічне забезпечення, обробка результатів) було про-ведено медичні дослідження єдності та від-тво-рюваності результатів об-сте-ження пацієнтів за допомогою технічних засобів меха-нокардіометрії та кардіо-токометрії з новими технічними засобами форму-вання сигналів.

У навчальному посібнику [1] здобувачем написані розділи 2 і 3, а у спів-автор-ст-ві розділ 1 (підрозділи 1.3, 1.4, 1.5) та розділ 4 (підрозділи 4.3, 4.5, 4.8, 4.9).

У статтях та тезах доповідей: [2] – розроблено математичну модель та про-ведено експериментальні дос-лід-ження; [3] – розроблено методику та проведено технічні дослідження пристроїв знімання пульсових сигналів; [ 8, 9,17] – роз-роб-ле-но математичні моделі; [12, 15] – розроблено методику вимірювань; [13] – здо-бува-чеві належать результати, що стосуються технології виготовлення п`єзо-електрич-них перетворювачів; [14] – розроблено математичну модель та мето-ди-ку визна-чення параметрів перетворювача; [21] – здобува-чеві належать матеріа-ли, що сто-суються біотехнічних систем діагностичного та терапевтичного при-значення.

У наступних авторських свідоцтвах здобувачеві належить розробка ідей ви-находів, а також: [23] – обгрунтовано антропометричні показники та основні еле-менти формоутворення; [24] – обгрунтовано виконання механічної сторони сенсора у вигляді комбінованої коливальної системи та масу інфранизькочас-тотної коли-вальної системи; [25] – обгрунтовано співвідношення між розмірами пелота та акустичного елемента конструкції, а також жорсткостями перетво-рю-вача і пруж-ної мембрани; [27] – обгрунтовано використання трансформатора сили.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися і об-говорювалися на наступних кон-ференціях та семінарах :–

Семінарах "Физика и радиоэлектроника в медицине" ( м.Горький, 1984р., 1985р., 1987р.) ;–

Загальносоюзній науково – технічній конференції "Вопросы разработки и внед-ре-ния радиоэлектронных средств при диагностике сердечно – сосудис-тых забо-ле-ваний"(м.Свердловськ, 1984р.);–

8 Загальносоюзній конференції " Измерения в медицине и их метрологичес-кое обеспечение " (м.Москва, 1986 р.) ; –

Загальносоюзних конференціях " Методы и средства измерения механичес-ких параметров в системах контроля и управления" (м.Пенза, 1987р.,1989р.);–

Науково–технічних конференціях "Досвід розробки і застосування приладо-тех-нологічних САПР в мікроелектроніці"(м.Львів, 1993 р., 1995р., 1997 р.);–

"Российской научно–технической конференции по дифракции и распро-стра-не--нию радиоволн" (м.Улан–Уде, 1996 р.).–

Міжнародній науково–технічній конференції “Сучасні проблеми засобів те-ле-ко-мунікацій, комп`ютерної інженерії та підготовки спеціалістів” (м.Львів, 1998р.)–

Міжнародній науково–технічній конференції “Проблемы физической и био-ме--дицинской электроники” (м. Київ, 1998 р.)

Публікації. Результати проведених досліджень опубліковано у 28 роботах, серед яких 1 навчальний посібник, статей у наукових журналах – 9 , статей у збір-никах науко-вих праць – 9, матеріалів і тез конференцій – 3, авторських сві-доцтв – 4, патен-тів – 1, де-понована 1 робота.

Об`єм і структура дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків та 3 до-дат-ків. Вона має обсяг 308 сторінок, серед яких 49 рисунків займають 22 сто-рінки (6 рисунків займають повністю площу сторінки), 23 таблиці – 14 сторінок (4 таблиці займають повністю площу сто-рін-ки), а додатки 21 сторінку. Список використаних літературних джерел складає 214 найменувань, він займає 20 сторінок тексту ро-боти.

ЗМIСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, показана значущість і актуальність її вирішення для практичної охорони здоров`я України та медич-ного приладобудування, а також представлено загальну характеристику робо-ти.

Перший розділ присвячено аналізу проблем методології БМД за проявами на поверхні тіла внутрішніх МАС організму людини.

Функціонування системи кровообігу біооб`єкта, як вже зазначалося, в значній мірі виявляє себе у формі біомеханічного руху. Дана обставина визна-чає діагностичну цінність ряду методів діагностики, об`єднаних терміном меха-нокардіометрія, які грунтуються на дослідженні цих сигналів. Найбільш діагно-стично ефективні методи механокардіометрії пов`язані з реєстрацією та оброб-кою, зокрема, пульсових та фонокардіо – сигналів.

Джерелом пульсових сигналів є коливання тиску крові в артеріях організму людини. Існує кілька видів пульсометрії: пульсометрія, об`ємна пульсометрія та багатозональна пульсометрія за східною медициною. Частотний спектр цих сигналів складає (0,5 – 40) Гц, а пікове значення сили на поверхні тіла людини в зонах реєстрації пульсових сигналів променевих артерій знаходиться у діапазо-ні (0,01 – 0,1) Н. За локалізацією сигнал об`ємної пульсометрії належить до не-ло--кальних, інші – до локальних біомеханічних сигналів.

Фонокардіо – сигнал пов`язаний з акустичними явищами в серці людини та прилеглих до нього великих судинах. Його частотний спектр становить (20 – 800) Гц, пікові значення сили, наприклад, в точці Боткіна, утвореної то-нами сер-ця, може досягати сотих часток ньютона. Зони реєстрації фонокардіо–сигналу об-межені ребрами грудної клітки, тому його відносять до локальних біоакустич-них сигналів.

Ефективним методом діагностики стану плоду виявився аналіз частоти скорочень його серця в умовах нестресових тестів – спонтанних скорочень мат-ки роділлі. Сигнали, які пов`язані зі скороченнями матки роділлі (токо–сигнал) та ультразвуковий сигнал, що містить інформацію щодо частоти скорочень сер-ця плоду, складають основу методу кардіотокометрії.

Перейми в різні періоди вагітності жінок тривають (10 – 60) с, а шпарува-тість цього сигналу може змінюватися в діапазоні (2 – 120). Значення ви-кли-ка-ної переймами сили на поверхні живота роділлі можуть досягати 2 Н, а швид-кість руху структур серця плоду, яка визначає Допплерівську зміну частоти відбито-го випромінювання, наприкінці вагітності – 0,1 м/с. Нормальне зна-чен-ня часто-ти скорочень серця плоду наприкінці вагітности становить близько 150 хв–1. За розмірами зони реєстрації сигнали кардіотокометрії відносять до нелокальних.

Природа розглянутих сигналів, наявність у всіх розглянутих випадках між джерелом сигналу і медичним перетворювачем реологічного середовища м`я-ких тканин організму людини обумовлюють методологічну спорідненість задач ре-єстрації цих сигналів.

Сучасний рівень розвитку радіоелектроніки, набутий лікарський досвід відкривають нові можливості для біомеханічної діагностики за внутрішніми МАС системи кровообігу, що пов`язані з більш повним використанням інфор-маційного вмісту відповідних сигналів, переходом до кількісних оцінок показ-ників функціо-нування серцево – судинної системи біооб`єкта. Але на перешкоді тривалий час була відсутність єдності результатів обстеження пацієнтів – отри-му-вані дані бу-ли опосередковані характеристиками технічного інструментарію та особливос-тями його застосуван-ня.

За результатами проведеного аналізу, спотворення отримуваної інформації мето-да-ми механокардіометрії та кардіотокометрії відбувалося на стику живого і не-живо-го: біооб`єкт – медичний перетворювач. Причиною було недостатньо гли-боке ро-зуміння біофізичних процесів у відповідних біотехнічних системах формування сигналів (біооб`єкт – медичний сенсор). Саме ступінь функціо-наль-ної адекват-ності медичних перетворювачів та методів їх застосування задачам діагностики визна-чає рівень єдності отримуваних результатів за допомогою відповідних ме-дичних приладів і систем кардіологічного та акушерського призначення.

Існуюче різноманіття підходів до реєстрації розглянутих сигналів свідчить про методологічну складність інформаційного контакту: біооб`єкт – медичний пе-ретворювач. Незважаючи на тривалий розвиток методології БМД, модельні уяв-лення щодо біооб`єкта залишалися недостатньо розвинутими і значною мі-рою ві-докремленими від моделей медичних сенсорів (Barany E., Franke E., Ta-kagi S. із співавторами, Vermarien H. із співавторами, Одинцов С.Г.). Практич-но був від-сут-ній аналіз взаємодії медичних перетворювачів розглянутого приз-начення за умови змінної за величиною сили притискання сенсорів до поверхні тіла людини із зонами реєстрації сигналів і впливу цієї взаємодії на якість отриму-ваної інфор-мації.

Подальший розвиток методології БМД без урахування властивостей біо -об`єкта та технології застосування відповідних медичних сенсорів не забезпечу-вав переходу до кількісних оцінок функціонального стану його системи крово-обігу. Визначилася проблема системного біотехнічного підходу до створення технічних засобів формування сигналів, в якому перетворювачі розглядаються як елементи складних біотехнічних систем: розташовані всередині тіла людини джерела меха-нічних і акустичних сигналів – передавальне середовище м`яких тканин організму з не-лінійними реологічними властивостями – медичні сенсори різної фізичної при-роди, а відповідні пристрої забезпечують необхідні умови сприйняття і передачі сигналів, зокрема, синхронність у випадку багато-зональ-них сигналів.

Вирішення зазначених проблем механокардіометрії та кардіотокометрії бу-ло пов`язано з розробкою основ теорії складних біотехнічних систем форму-вання МАС системи кровообігу на поверхні тіла біооб`єкта, обгрунтуван-ням методоло-гії застосування, створенням і впровадженням у серійне вироб-ництво та медичну практику нових, функціонально сумісних з біооб`єктом, стійких до дії завад ме-дичних сенсорів для одно – та пристрою для багатозональних ме-то-дів діагности-ки, які забезпечують єдність результатів сприйняття і передачі за-значених сигна-лів.

В різних методах діагностики за внутрішніми біомеханічними явищами сис--те-ми кровообігу людини проблема єдності результатів має свої особливості. У но-во-му індивідуалізованому методі багатозональної пульсометрії, де відбува-ється реєстрація пульсових сигналів у 6 зонах променевих артерій, необхідна єдність ре-зультатів у об`єктному вимірі. В однозональних методах діагностики вимагається відтворюваність результатів за різних, фізіологічно припустимих, умов обстежен-ня пацієнтів: оператор (методика сприйняття і передачі сиг-на-лів), час то-що.

У цьому розділі роботи обгрунтовано застосування контактних методів ре-єстрації внутрішніх МАС біооб`єкта у системі координат, що пов`язана з тілом пацієнта. Показано, що підгрунтям уніфікації первинних перетворювачів БТС механокардіометрії та кардіотокометрії є перетворення сили цих сигналів, а та-кож використання п`єзоелектричного принципу перетворення, за винятком по-вільнозмінного токо – сигналу.

За таких умов проблема відтворюваності результатів передачі внутрішніх біомеханічних та біоакустичних сигналів з поверхні тіла біооб`єкта особливо гостра, що зумовлено прямою взаємодією контактних перетворювачів з біо-об`єктом. Серед розглянутих найбільш загальною є задача реєстрації пульсово-го сигналу, що пов`язано з поверхневим розташуванням його джерела та енер-гетичними характеристиками останнього.

У другому розділі розроблено узагальнену математичну модель БТС фор-му--вання МАС від внутрішніх джерел на поверхні тіла біооб`єкта.

Під час обстеження пацієнтів методами БМД медичні сенсори безпосеред-ньо контактують з реологічним середовищем м`яких тканин організму людини. Останнє in–vivo має лінійні властивості у відношенні механічних за своєю при-родою корисних сигналів біооб`єкта і виявляє нелінійні властивості під впли-вом зовнішньої дії на зони їх реєстрації.

Аналіз відомих і удосконалених здобувачем моделей джерела сигналу в ме-ханокардіометрії засвідчив якісний рівень узгодження з опублікованими та от-риманими автором новими експериментальними даними дослідження впливу взаємодії біооб`єкт – перетворювач на результати реєстрації внутрішніх МАС на поверхні тіла людини.

З метою вирішення проблем єдності результатів БМД діагностики було роз-роблено нову послідовно – паралельну модель поширення механічного сиг-на--лу не-лінійним середовищем м`яких тканин біооб`єкта, схема якої пред-став-ле-на на рис.1.

Рис.1. Послідовно – паралельна модель поширення сигналу нелінійним сере-до-ви--щем м`яких тканин організму людини.

На рис.1 : Fo – джерело внутрішнього сигналу, Zo ( , tFП ), Z1 ( , tFП ), Z2 (,(1 – t) FП) – залежні від FП механічні імпеданси джерела сигналу та м`яких тканин організму людини, що мають протилежну за знаком деформацію при пере-дачі сигналу від джерела до поверхні тіла людини і під дією FП, Zd() – – вхід-ний імпеданс перетворювача, FП – сила притискання елемента введення сигналу у ме-дичний сенсор до зони реєстрації, t – коефіцієнт розподілу FП між елемента-ми мо-делі, – частота. У частотному спектрі пульсового сигналу імпеданси мо-делі ма-ють пружний характер: Zi= Ki / j, і = 0, 1, 2, d.

Нелінійні пружні властивості елементів моделювалися залежностями :

K1(FП)=K1O+t FП , K2(FП)=K2O+(1–t) FП ,

KO(FП)= KOO+(FS–t FП)2,

,

де K1O, K2O, KОO – жорсткість відповідних елементів за умови FП = 0,

, , – коефіцієнти зміни параметрів у залежності від FП ,

FS – величина сили, що створюється систолічним значенням транс--му-рального тиску крові в артерії.

Розроблено методику визначення параметрів моделі див. рис.1. Величина FS визначалася за результатами вимірювання показників артеріального тиску крові методом Ріва–Роччі–Короткова, а K1O, K2O, і – за вимірюваннями сили, що діє на перетворювач зі змін-ною величиною Kd для 2 значень FП. Характе-ристики KОO і було оцінено за відомими результатами дослідження пружних властивос-тей артерій організму людини.

Критерієм вірогідності послідовно–паралельної моделі було значення Feп, для якого спостерігався максимум вихідного сигналу сенсора

,

де

,

,

Розбіжність експериментальних і теоретичних значень Feп не переважала 19%, що значною мірою пов`язано з неіндивідульністю врахованих пара-мет-рів артерії та по-хибкою визначення FS .

Встановлено кількісні оцінки впливу на параметри послідовно–па-ра-лель-ної моделі поширення механічних сигналів середовищем м`яких тканин орга-ніз-му лю-дини зовнішньої (FП) дії на зони сприйняття названих сигналів на поверх-ні тіла лю-дини.

У цьому розділі представлено результати аналізу амплітудно–частотної ха-рактеристики (АЧХ) передавальної функції БТС: артерія – м`які тканини біо-об`єкта – перетворювач. Отримані дані показали залежність спектру сигналу на вході перетворювача від величини FП – за умови слабкого притискання (тиск на зону реєстрації сигналу менший за діастолічне значення тиску крові в артерії) спостерігалося виділення низькочастотних складових пульсового сигналу.

Показано, що в границях розглянутої обмеженої БТС не можна пояснити значне виділення високочастотних складових пульсового сигналу за помірних значень FП (тиск на зону реєстрації сигналу співмірний та більший за систоліч-не значення тиску крові в артерії).

Розроблено модель розширеної БТС: ділянка артерії – м`які тканини біо-об`єкта – перетворювач. Ділянка артерії моделювалася як стаціонарна, нелі-нійна гідродинамічна система з розподіленими і змінними у зоні накладання сенсора параметрами (пружність стінки, площа перетину).

Рис.2.Залежність АЧХ променевої артерії від FП.

АЧХ передавальної функ-ції ділянки артерії в зону на-кладання пе-ретворювача в за-лежності від FП, за умови заданого на її вході пульсо-вого тиску крові проілюст-ро-вана на рис.2, де FП = 0,5 Н відповідає слабкому, а FП = 2 Н – помірному при-тис-кан--ню сенсора до зони реє-стра-ції сигналу, a f /a1 – – від--ношен-ня амплітуд гар-мо-нік пульсо-вого сигналу (час-тота 1 гармоніки стано-ви-ла 1 Гц), – не-узгодже-ність хви-льового опору ді-лян-ки артерії з ди-стальною частиною системи кровообі-гу біооб`єкта.

Отримані результати імітаційного моделювання див.рис.2 засвідчують ви-ділення низькочастотних складових пульсового сигналу (FП = 0,5 Н) і цей ефект посилює аналогічне явище, яке спостерігається у процесі передачі сигналу сере-довищем м`яких тканин організму людини до медичного перетворювача, а та-кож значне виділення високочастотних складових пульсового сигналу для по-мірних значень FП (FП = 2 Н).

Встановлено особливості пальпаторної діагностики за пульсом, які пов`я-зані із частотною селекцією пульсового сигналу за рахунок зміни FП . Це ство-рює ме-тодологічну передумову подальшого розвитку методології пульсометрії.

Розроблена послідовно – паралельна модель БТС формування пульсових сиг-налів на поверхні тіла людини була покладена в основу дослідження взає-мо-дії біо-об`єкт – медичний перетворювач у зонах реєстрації сигналів механо-кар-діомет-рії та кардіотокометрії.

Третій розділ роботи присвячено дослідженню взаємодії біооб`єкт – пере-тво-рювач у методах БМД, синтезу структур медичних сенсорів та пристрою для багатозональної пульсометрії, об-грунтуванню їх параметрів та методології ре-єcтрації проявів внутрішніх МАС на поверхні тіла людини, які забезпечують єдність результатів обстеження па-цієнтів.

Як було показано у попередньому розділі, присутність у БТС багато-зо-наль---ної пульсометрії нелінійного in–vivo елементу (артерії), приводить під впли--вом ме-дичних перетворювачів (FП) до зміни спектрів пульсових сигналів. За--безпечення єд-ності результатів у об`єктному вимірі вимагає створення одна-кових умов функ-ці-онування артерії в різних зонах під час реєстрації сигналів. Це пов`язано, у за-галь-ному випадку, із визначенням за розробленою методи-кою параметрів по-слі-довно–паралельної моделі БТС сприйняття і передачі сиг-налів див.рис.1 для кож-ної із зон; урахуванням властивостей артерії; обра-хун-ком і встановленням відпо-відних індивідуальних значень FП у кожній зоні. Зо-нальна інди-відуаль-ність FП ви-значається зональними анатомічними відмін-нос-тями біо-об`єкта. Од-нак представ-ле-на методика реєстрації багатозонального пульсового сигналу внаслідок гро-міздкості не придатна для медичної практики.

Обгрунтовано критерій впливу медичного сенсора на пульсові коливання артерії, яким є величина вхідної дії на перетворювач або вихідний сигнал сенсо-ра. Дослідження було проведено за моделлю, схема якої представлена на рис.3, де FП – сила зовнішньої дії з боку медичного перетворювача на зону реєстрації пульсового сигналу.

Рис.3.Схема до визначення частки сили FП, що припадає на артерію.

Встановлення зонально індивідуальних значень FП можливо за умови плав--ного регулювання сили притискання перетворювача до поверхні тіла лю-дини.

Обгрунтовано використання пневматичної системи зміни FП, кінцевим еле-ментом якої є сильфон, що контактує рухливим торцем з поверхнею тіла біо-об`єкта, а також розташування перетворювача сили пульсового сигналу в елект-ричний сигнал всередині зазначеного сильфона.

Доведено, що виконання торця сильфона у вигляді трансформатора сили із певним співвідношенням його площ та жорсткості сильфона дозволяє контро-лювати зовнішню дію на зони сприйняття пульсових сигналів за тиском у пнев-матичній системі.

Синтезована структура пристрою для багатозональної пульсометрії скла-да--ється з трьох перетворювачів, пневматичної системи незалежного регу-лю-ван-ня сили притискання останніх до поверхні тіла людини в зонах реєстрації пуль-со-вих сигналів та механічних коливальних систем 2 порядку.

В однозональних методах БМД діагностики за локальними та нелокаль-ними проявами на поверхні тіла внутрішніх МАС біооб`єкта єдність результа-тів вима-гає, зокрема, мінімального зовнішнього впливу на зони сприйняття сигналів за довільних, фізіологічно припустимих, значень FП. Забезпечення мі-німального зов-нішнього впливу на зону сприйняття сигналу на поверхні тіла біооб`єкта, окрім іншого, передбачає редукцію дії FП на зони сприйняття сиг-на-лів за рахунок вико-ристання опорного елемента конструкції пере-тво-рювача. У випадку фонокардіо--мет--рії задача досліджува-лася за моделлю, аналогічною до зображеної на рис.3. Остання була доповнена механічним імпедансом ділянки поверхні тіла людини, що контактує з опорним елементом конструкції сенсора, який було включено у механічному сен-сі пара-лельно до навантаження джерела FП. Ступінь редукції дії FП на зону сприй-няття сигналу відрізняється зональною індивідуальністю, у фо-но-кардіомет-рії, на відмі-ну від пульсометрії та апекс-кар-діо-метрії, вона може ста-новити більше порядку величини.

Для фоносенсорів важливою вимогою є акустична завадостійкість. Синте-зо-вано нову структуру фоноперетворювача, що відрізняється високою стійкіс-тю до зов--ніш-нього акустичного сигналу, механічна сторона якого представляє комбіна-цію коливальних систем другого порядку. Частоти резонансу перемі-щення цих систем знаходяться за межами частотного спектру фонокардіо–сиг-налу. Розробле-но математичну модель нової структури сенсора.

Аналіз акустичної завадостійкості зазначеного перетворювача було прове-дено за моделлю, схема якої показана на рис.4, де Y – переміщення корпусу сен-сора, m1, K1d, m2, K2d – коливальна маса та жорсткість високочастотної (час-тота резо-нансу переміщення вища за верхню межу спектра фонокардіо–сигналу) і низько-частотної коливальних систем, відповідно, Zt – механічний імпеданс ділянки поверхні тіла людини на площі контакту з елементом введення сигналу у пере-творювач (пелотом конструкції).

Рис.4. Механічна схема моделювання дії акустичної завади на фонопере-творювач.

Результати фізичного моделювання та експериментальних досліджень в ме-дичній практиці підтвердили високу акустичну завадостійкість нової струк-тури фоносенсора, яка майже на порядок величини переважає даний показник для ві-домих фоноперетворювачів.

Методична похибка перетворення сили фонокардіо–сигналу та вплив рух-ливості корпуса сенсора на відтворюваність результатів досліджувалися за мо-деллю БТС формування сигналів у фонокардіометрії, зображеною на рис.5, де FO – джерело сигналу, ZO – внут-рішній опір джерела сигналу, mt, Rt, Kt – – ко-ли-вальна маса, опір тертя та жорст-кість ділянки поверхні тіла людини, що контак-тує з пе-лотом перетворювача, m1, R1, K1d, m2, R2, K2d – відповідні параметри високо-частотної та низькочастот-ної коливальних систем механічної сторони фо-нопере-творювача, ZКР – меха-нічний імпеданс елементів закріплення сенсора на тілі лю-дини з урахуванням імпедансу ділянки поверхні тіла, на яку опираються ці еле-мен-ти.

Рис.5. Модель БТС формування сигналів у фонокардіометрії.

Залежність похибки нової структури фоноперетворювача від частоти в спектрі частот фонокардіо – сигналу показана на рис.6, де b2 – ступінь заспоко-єння низькочастотної коливальної системи.

Рис.6. Залежність від частоти відносної похибки перетворення сили для син-тезованої структури сенсора в частотному діапазоні фонокардіо–сиг-на-лу.

Обгрунтовано вимоги до параметрів нової структури фоносенсора, його ан-тропометричних показників та елементів закріплення на тілі людини, які за-безпе-чують відтворюваність сприйняття фонокардіо – сигналу за довільних, фі-зі-ологічно припустимих, умов реєстрації.

В однозональних методах БМД діагностики за нелокальними повільно-змінними сигналами (токо–сигнал) зовнішня дія на перетворювач FП не тільки впливає на характеристики зони сприйняття сигналу, а дає також прямий вне-сок у вихідний сигнал медичного сенсора. У цьому випадку використання опор-ного елемента конструкції перетворювача дозволяє збільшити чутливість сенсо-ра до корисного сигналу.

Задача досліджувалася за моделлю БТС формування сигналу в токометрії, зображеною на рис.7, де Fo, Zo() – як і раніше, характеристики джерела сиг-налу, Z11(), Z12(), Zd(), ZКР() – механічний імпеданс тканин організму, що кон-тактують з еле-ментом введення сигналу та опорною поверхнею перетво-рювача; вхідний імпе-данс сенсора та елементів його закріплення на тілі люди-ни, відповід-но.

Рис.7. Механічна схема БТС формування нелокального біомеханічного сигналу на поверхні тіла людини.

Обгрунтовано вимоги та представлено номограми для визначення харак-те-ристик і антропометричних показників токоперетво-рювачів у залежності від ре-дукції внеску FП у вихідний сигнал сенсора та мето-дичної похибки пере-тво-рен-ня сили проявів на поверхні тіла