ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПАВЛОВ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 615.471.03:616.073
НЕІНВАЗИВНІ ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ ТА СИСТЕМИ ДІАГНОСТИКИ МІКРОЦИРКУЛЯЦІЇ ПЕРИФЕРІЙНОГО КРОВООБІГУ
Спеціальність 05.11.17 – Біологічні та медичні прилади і системи
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Вінниця – 2008
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Кожем’яко Володимир Прокопович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Тимчик Григорій Семенович Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри виробництва приладів;
доктор фізико-математичних наук, професор Бих Анатолій Іванович,Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем;
доктор технічних наук, професорХаїмзон Ігор Ізєвич,Вінницький національний медичний університет ім. М.І. Пирогова, завідувач кафедри біофізики, інформатики та медичної апаратури
Захист відбудеться “30” травня 2008 р. о 930 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, 210 ГУК.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.
Автореферат розіслано “ 25 ” квітня 2008 р.
В.о. вченого секретаря
спеціалізованої вченої ради Злепко С.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Поширення серцево-судинних захворювань обумовлює створення сучасних приладів діагностики і моніторингу, що спрямовані на підвищення ефективності методів реєстрації та оброблення біомедичних показників, а також розвиток медичних засобів діагностики.
Особливості пошуку оптимальних рішень у медичній галузі пов'язано, насамперед, із забезпеченням доступності і масовості під час загального регулярного діагностування широких прошарків населення для раннього прогнозування і визначення профілактичних заходів підтримки на належному рівні стану здоров’я населення і, за необхідністю, проведення комплексного лікування та терапії хворого комфортними програмно-апаратними засобами. У такій ситуації найважливішими задачами на будь-якому етапі проведення медичної допомоги є оцінювання загального стану організму пацієнта, визначення глибини патологічного процесу та проведення оперативного контролю за ефективністю лікування з метою своєчасної її корекції.
Інтенсивні дослідження у галузях оптоелектроніки і нанотехнологій дозволяють зробити висновок про появу у найближчому майбутньому нових не інвазивних діагностичних приладів та систем з універсальними оптичними сенсорами. Головна перевага оптичного методу - можливість вимірювання гемодинамічних показників практично у будь-якій точці поверхні тіла, що дозволяє використовувати різні модифікації оптоелектронних приладів для розв’язання цілого ряду спеціальних задач, пов'язаних із дослідженням показників локального кровотоку.
Сьогодні значна кількість провідних науково-дослідних і промислових організацій (фірм) займаються розробленням та виробництвом медичної техніки в даному напрямку. Найвідоміші з|із| них: Philips, MEDIC (Medizinische Messtechnik GmbH), Nonin, Cas Medical System, Radiometer, Micromed, Criticare, Ютас (Україна) та інші.
Народженню та розвитку наукового напрямку оптичних методів діагностики та вимірювання неоднорідних біологічних середовищ, зокрема, створення оптико-електронних систем діагностики біологічних об’єктів, потрібно завдячити, насамперед, видатним науковцям, які залишили світові неоціненний скарб своїх наукових розробок і праць. Це відомі вітчизняні та зарубіжні школи: П. Бугера, Г.В. Розенберга, А.П. Іванова, С. Чандарасекара, Ж.Ж. Стокса, В.А. Амбарцумяна, В.П. Рвачова, А.Х. Тейлора, С.О. Майорова, В.П. Кожем’яка, М.М. Гуревича, В.В. Тучина, М.Ю. Сахновського, а також П.П. Орнатського, М.П. Цапенка, Ю.М.Туза, Є.Т. Володарського, В.Д. Ціделка, З.Ю. Готри, В.Г. Петрука, Г.С. Тимчика, А.І. Биха, С.М. Злепка,В.В. Кухарчука, І.І. Хаїмзона, А.Я. Хайрулліної, С.П. Власової та ін.
До неінвазивних оптичних методів діагностування периферійного кровообігу відноситься фотоплетизмографічний (ФПГ) метод. Саме ФПГ метод дозволяє підвищити достовірність контролю і діагностики стану локального периферійного кровообігу при діагностиці ранніх форм атеросклерозу, тромбофлебіту, облітеруючого ендоартеріїту, порушень мікроциркуляції у хребетно-рухомих сегментах при вертебродіагностиці, стану мікроциркуляції при захворюванні на системний червоний вовчак (СЧВ), оцінювання стану периферійних судин у щелепно-лицьовій ділянці при запалювальних процесах, визначення гемодинамічних показників кровотоку при пульсодіагностиці та ін. Крім того, ФПГ має допоміжне діагностичне і прогностичне значення при вивченні багатьох судинних і нервових захворювань, що є зараз найчастішою причиною смерті і інвалідності у молодому віці. Підгрунтям для виконання досліджень стали роботи, які проводяться з середини вісімдесятих років на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки ВНТУ, по створенню образного комп’ютера око-процесорного типу під керівництвом проф. В.П. Кожем’яка.
Таким чином, очевидно, що одним із перспективних напрямків реєстрації фізiологічних параметрів є використання неінвазивних методів діагностування стану периферійного кровообігу, серед яких поширення набули оптико-електронні методи реєстрації та перетворення біомедичної інформації.
Наукова проблема, що вирішується у дисертаційній роботі, полягає у створенні нового класу інтелектуальних біооко-процесорних оптико-електронних систем та приладів діагностування периферійного кровонаповнення, що дозволить підвищити достовірність порівняно з традиційними методами діагностування (реоплетизмографічними, ультразвуковими та інш.), а також функціональні можливості біомедичних приладів та систем при експрес-діагностуванні стану периферійного кровообігу.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Проблема, вирішенню якої присвячена дисертація, випливає із задач у сфері науки та техніки, сформульованих відповідно до Закону України № 2623-III від 11 липня 2001 року „Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки на 2002-2006 рр”. Науковою базою дисертації стали результати, отримані в процесі виконання науково-дослідних робіт, що здійснювалися за планами наукових досліджень Вінницького національного технічного університету та Міністерства освіти і науки України за фаховими напрямками «Новітні біотехнології:діагностика і методи лікування найпоширеніших захворювань» та „Нові комп’ютерні засоби та технології інформатизації суспільства” у 1996 – 2007 роках.
Основні результати дисертаційної роботи отримані у ході виконання таких держбюджетних тем:
· "Створення оптоелектронних технологій аналізу стану серцево-судинної системи" (№ держ. реєстрації 0197U012663);
· "Ефективні методи і алгоритми високопродуктивної обробки і розпізнавання зображень в оптоелектронних паралельних процесорах" (НДР № 9-4);
· “Розробка оптико-електронних перетворювачів для формування статичних та динамічних еталонів-образів патології мікроциркуляції в щелепно-лицьовій області” (№ держ. реєстрації 0100U002933);
· “Лазерні та оптико-електронні технології в діагностиці, терапії та прогнозуванні стану серцево-судинної системи” (№ держ. реєстрації 0102U002272);
· „Створенняоптоелектронних та лазерних технологій для нетрадиційних методівдіагностикиітерапії серцево-судинноїсистемилюдини”(№ держ. реєстрації 0205U006580);
· “Образний відео-комп’ютер око-процесорного типу” (№ держ. реєстрації 0102U002261);
· „Розробка нових принципів діагностики стану нормальних і патологічних біотканин за спектрами дифузного відбивання (теоретичні і експериментальні дослідження)” (№ держ. реєстрації 0105U008426);
· Розробка інтерактивних оптичних засобів для діагностики біотканини та гуморальних середовищ на основіспектрофотометрії таполяриметрії (№ держ. реєстрації 0107U008337)
· Оптико-електронний квантово-розмірний образний комп’ютер око-процесорного типу: концепції, методологія, база знань (№ держ. реєстрації 0105U002434).
· „Створення автоматизованих діагностичних систем для оцінювання функціонального стану людини” (№ держ. реєстрації 0105U002421).
Мета і завдання дослідження
Мету роботи спрямовано на підвищення достовірності неінвазивної діагностики периферійного кровонаповнення шляхом створення теоретичних основ побудови неінвазивних інтелектуальних біопроцесорних оптико-електронних приладів та систем для реалізації методик визначення основних гемодинамічних показників периферійного кровообігу.
Відповідно до цієї мети треба розв’язати такі основні завдання :
• Дослідити та розробити теоретичні засади створення біооко-процесорних оптико-електронних систем та приладів дослідження центральної та периферійної гемодинаміки;
• Розробити коригуючі моделі розповсюдження оптичного випромінювання у біооб’єктах із всебічним урахуванням ефектів розсіювання та уніфіковані оптико-електронні технічні системи, призначені для досліджень та експрес-діагностики стану периферійних судин;
• Розробити нові алгоритми та методики реєстрації розсіюваного оптичного випромінювання, оброблення та визначення основних гемодинамічних показників периферійного кровообігу;
• Створити новий клас проблемно-орієнтованих інтелектуальних біомедичних систем діагностування, оброблення і збереження інформації для формування діагнозів, а також практично застосовувати основні результати у медичній практиці (вертебрологія, щелепно-лицьова хірургія, судинні порушення при захворюваннях на системний червоний вовчак, фіброміалгію, хірургія передньої черевної стінки);
• Створити оптико-електронні біооко-процесорні діагностичні системи для оцінювання центральної та периферійної гемодинаміки на основі інтелектуального інтерфейсу та сучасних ПК;
• Дослідити медико-технічні характеристики та апробувати розроблені структури оптико-електронних систем та приладів діагностуванняунапрямку практичної медицини.
Об’єктом дослідження є динамічні процеси взаємодії та перетворення оптичного випромінювання у біотканинах, що мають місце при реєстрації і діагностики рівня периферійної мікроциркуляції, шляхом застосування оптико-електронних приладів та систем діагностики периферійного кровообігу.
Предметом дослідження є оптичні характеристики оптико-електронних біомедичних інтелектуальних приладів та систем, на основі яких визначаються гемодинамічні показники стану периферійного кровонаповнення іцентральної гемодинаміки.
Методи досліджень базуються на загальних положеннях теорії вимірювання оптичних параметрів неоднорідних біологічних середовищ шляхом аналізу процесіврозповсюдження оптичного випромінювання в біотканинах, що засновані на аналізі рівняння переносу, основних положеннях системного аналізу і теорії біомедичних приладів та систем, математичного моделювання, аналізу і синтезу, математичної статистики і комп'ютерної обробки інформації, теорії алгоритмів, оптико-електронних ланцюгів, функціональної діагностики та нечіткої логіки.
Концептуальна основа дисертаційної роботи базується на таких положеннях:
інтелектуалізація оптико-електронних „око-процесорних” діагностичних систем із застосуванням в її складі проблемно-орієнтованих експертних систем із базами знань, даних та системою логічного виведення і розвитку сучасного інтерфейсу;
автоматизація оптико-електронних „око-процесорних” біомедичних приладів та систем діагностування (контролю) периферійної мікроциркуляції, а також конструктивних вузлів самокорекції, адаптації, управління для здійснення активного та інтерактивного режимів вимірювань;
уніфікація первинних перетворювачів фотоплетизмографічних сигналів із покращенням інформативних характеристик та застосуванням у складі біооко-процесорної оптико-електронної системи длядіагностування стану периферійного кровонаповнення.
Виходячи з цих положень, сформульовано наукову новизни дисертаційної роботи.
Наукова новизна одержаних результатів
Сукупність досліджень та отриманих результатів цієї дисертаційної роботи є подальшим розвитком біомедичних приладів та систем – створення класу неінвазивних біооко-процесорних оптико-електронних систем нового покоління для діагностування рівня периферійного кровонаповнення з керованою динамікою характеристик оптичного випромінювання.
Основні результати і положення, що виносяться на захист, спрямовані на створенняінтелектуальних біомедичних оптико-електронних приладів та систем діагностування периферійного кровообігу із застосуванням теорії розповсюдження оптичного випромінювання в біологічнихнеоднорідних об’єктах та розроблення уніфікованих методик достовірного визначення основних гемодинамічних показників периферійного кровообігу із урахуванням ефектів розсіювання та метрологічних параметрів. Наукова новизна полягає в тому, що:
1. Створено новий клас інтелектуальних біооко-процесорних оптико-електронних систем, що враховує динаміку оптичного розповсюдження, обумовлену виявленими особливостями внутрішнього променерозподілу при керованих змінах параметрів. Це дозволило на основі встановлених закономірностей розширити можливості та визначити науково обґрунтовані принципи вдосконалення оптико-електронних систем у розглянутих галузяхзастосування та поширити їх для інших напрямків медичної практики.
2. Вперше отримано математичні моделі діагностування гемодинамічних показників, що враховують порушення периферійного кровообігу у хребетно-рухомих сегментахвідповідно до експертної бази даних і дозволяє діагностувати стан як периферійних судин, так і окремих органів організму людини шляхом оброблення фотоплетизмографічної інформації.
3. Вперше отримано коригуючі моделі пошарового розповсюдження оптичного випромінювання під час оцінювання рівня периферійної мікроциркуляції на заданій довжині хвилі зондуючого випроміню-вання, шляхом реєстрації відбитого світлового потоку біооко-процесорними оптико-електронними приладами та системами, що дало можливість підвищити достовірність при діагностиці стану периферійних судин. На відміну від відомих моделей, запропоновані моделі враховують, разом з осьовою силою світла та корисним кутом випромінювання, розрахунково-експериментальні та довідникові дані аналогів, а також апріорні параметри відбиваючих поверхонь, на підставі чого розроблено рекомендації щодо проектування оптико-електронних біооко-процесорних систем діагностики периферійного кровообігу.
4. Вперше отримано зразкові шаблони-маски із застосуванням методу вейвлет-перетворення для виявлення рівня патологій периферійної мікроциркуляції, що дозволяє підвищити достовірність діагностування шляхом оброблення біомедичної інформації.
5. Вперше створено архитектуру біооко-процесорної оптико-електронної експертної системи аналізу стану мікроциркуляції кон’юнктиви ока на основі блоку обчислення локального різницевого порогу з використанням методу W-перетворення, блоку вибору еталону, що дозволило підвищити достовірність діагностики до 84 %.
6. Дістала подальшого розвитку структурна організація оптико-електронних систем „око-процесорного” типу для діагностики периферійного кровонаповнення, що, на відміну від аналогів, дозволяють підвищити достовірність діагностики периферійного кровообігу шляхомоброблення фотоплетизмографічної інформації.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі теоретичних досліджень реалізовано інтелектуальні біооко-процесорні оптико-електронні прилади та системи для достовірного визначення гемодинамічних показників, що євизначальним у біомедичній діагностиці. При цьому запропоновані оптико-електронні прилади та системи дають можливість визначати порушення мікроциркуляції у різних ділянках, зокрема, щелепно-лицьовій ділянці, у хребетно-рухомих сегментах, нижніх кінцівках, передній черевній стінці.
Практичні дослідження, які викладені в дисертації, дозволили:
· реалізувати схемотехнічнірішення реалізації оптико-електронних приладів та систем діагностики периферійного кровообігу, що реєструють, обробляють фотоплетизмографічну інформацію;
· розробити рекомендації щодо створення уніфікованих оптико-електронних перетворювачів світлових потоків для реєструванняфотоплетизмографічнихсигналів та зображень мікроциркуляції кон’юнктиви ока;
· сформулювати вимоги і привести приклади практичної реалізації неінвазивних оптико-електронних приладів та систем діагностування периферійного кровонаповнення судин;
· здійснити апаратно-програмну реалізацію процесу для оцінювання біомедичнихсигналів на основі отриманих фотоплетизмограм.
Реалізовані у роботі неінвазивні оптико-електронні прилади та системи з оптичним перетворенням біомедичної інформації для оцінювання периферійної мікроциркуляції є комфортними та орієнтовані на впровадження модифікації найефективніших сучасних програмно-апаратних засобів із використанням сучасних баз знань.
Окремі розробки дисертаційної роботи впроваджено на базі таких закладів як:
· Корпорація "Лазер та здоров’я” (м. Харків);
· Український науково-дослідний інститут реабілітації інвалідів (м.Вінниця);
· Волинський обласний санаторій матері та дитини „Пролісок”;
· Вінницький національний медичний університет ім. М.І.Пирогова (кафедри щелепно-лицьової хірургії,госпітальної хірургії, очних хвороб та мікрохірургії ока);
· Вінницький обласний центр планування сім’ї та репродукції дитини.
Теоретичні результати дисертаційної роботи також використовуються у навчальному процесі на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки ВНТУ у рамках спеціалізації "Лазерна та оптоелектронна техніка в біомедичних системах і апаратах" при викладанні таких дисциплін, як: “Лазерна медична технологія”, "Схемотехніка біомедичних оптико-електронних апаратів", "Системотехніка оптико-електроннихі лазерних систем", "Методи обробки і розпізнавання біомедичних зображень", "Обробка біомедичних зображень".
Особистий внесок здобувача. Основні ідеї і розробки, що виносяться на захист, належать авторові. У наукових працях, написаних у співавторстві, дисертантові належать: принциповий підхід, методика, математична модель [1,2,11,22,30,36,37,48,52], принцип, математична модель, методика та інтерпретація результатів [7,9,15,18,23,25,26,28,29,32,43], принцип побудови, одержання експериментальних даних та їх інтерпретація [7,8,10,12,13, 14,17,20,31,34,40,41,42,47,50,51,53,55], принциповий підхід, фізична модель, дослідження, висновки [5,6,16,24,33,39], принцип побудови та частково результати досліджень [9,19,21,27,35,38,44,45,46,49,50,54,56,57].
Апробація результатів. Основні положення та результати досліджень доповідалися та обговорювалися на таких конференціях: 13-th Biennial International Conference “Biosignal’ 96 „Analysis of Biomedical Signals and Images” (Brno-Czech Republic, 1996); 2-nd International Symposium „Microelectronics Technologies and Microsystems: Proceedings” (Lviv, 1998); IV Всеукраїнській Міжнародній конференції „Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів” (Київ, 1998);8-th International IMEKO Conference on Measurement in Clinical Medicine “Biomedical Measurement and Instrument” (Dubrovnik-Croatian, 1998); IV науково-технічній конференції „Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- та приладобудуванні” (Тернопіль, 2000); II Міжнародному Смакуловому симпозіуму “Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики” (Тернопіль, 2000);I, II, III Міжнародних науково-технічних конференціях з оптоелектронних інформаційних технологій „Photonics-ODS’2000, 2002, 2005” (Вінниця, 2000, 2002, 2005); V International Conference “New Information and Computer Technologies in Education and Science “IES-2004” (Vinnytsia, 2004); ХХV, ХХVI, ХХVII, ХХVIII Міжнародних науково-практичних конференціях “Применение лазеров в медицине и биологии” (Луцьк, 2006, Ялта, 2006,Харків, 2007,Ялта, 2007);ІІ Міжнароднійнауково-практичній конференції “Сучасні проблеми мікроелектроніки, радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПМРТП)”. – Вінниця, 2006; ІV Міжнароднійнауково-практичній конференції „Актуальні питання та організаційно-правові засади співробітництва України та КНР у сфері високих технологій” (Київ, 2007).
Наукові та практичні результати досліджень також демонструвалися на таких Міжнародних виставках та олімпіадах:
· II Всесвітній Олімпіаді винаходів „Genius-2000” (Будапешт, Угорщина, 2000) - отримано срібну та абсолютну бронзову медалі у номінації „Охорона здоров’я”;
· Виставці-презентації новітніх технологій України (Чаньчунь, КНР, 2004);
· Виставці-презентації нових технологій „Інноваційний та інвестиційний потенціал регіонів України” (Цзинань, КНР, 2004);
· Виставці-презентації “Дні Української науки і техніки в Індії” (Нью-Делі, Індія, 2004);
· Виставці-презентації високих та новітніх технологій в КНР (Шанхай, КНР, 2005);
· Виставці-презентації нових технологій „Інноваційний та інвестиційний потенціал регіонів України” (Цзинань, КНР, 2005);
· Виставці-презентації новітніх технологій України (Краків, Польща, 2006);
· Всесвітній виставці винаходів „Genius-2006” (Будапешт, Угорщина, 2006) - отримано золоту та дві срібних медалі;
· Міжнародній виставці винаходів (Ново Сад, Сербія, 2006) – отримано золоту медаль;
· Міжнародній виставці винаходів „Scientific Research and New Technologies - Inventika ” (Бухарест, Румунія, 2006) – отримано срібну та бронзову медалі;
· Міжнародній виставці винаходів ідей та новітніх технологій „ARCA 2006” (Загреб, Хорватія, 2006);
· Виставці-презентації наукових розробок і технологій України (Ханой, СРВ, 2006);
· Міжнародній виставці винаходів (Белград, Сербія, 2007) – отримано срібну медаль.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 98 наукових праць, з них 2 монографії, 32 статті у наукових фахових виданнях, 20 статей у науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, 22 тези конференцій, 22 патенти на винаходи України та Російської Федерації.
Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, сім розділів, висновок, список використаних джерел та шість додатків. Загальний обсяг дисертації − 349 сторінок, з яких основний зміст викладений на 277 сторінках і містить 94 рисунки, 30 таблиць. Список використаних джерел складається з199 найменувань. Додатки містять програми розв’язання задач на комп’ютері, рекламні матеріалитаактивпровадженнярезультатівроботи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи для практичної медицини і медичного приладобудування України та її зв’язок з науковими програмами та темами, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукову новизну тапрактичне значення отриманих результатів. Наведено дані про рівень апробації, представлення наукових та практичних результатів на різноманітних Міжнародних виставочних заходах, а також про кількість публікацій за тематикою виконаних досліджень,відомості щодо особистого внеску автора та структури дисертації.
У першому розділі
проведено аналіз літературних джерел і виявлено, що розвиток нових не інвазивних біомедичних оптико-електронних технологій, а останнім часом створювані на їх основі ефективні оптико-електронні діагностичні та фотостимуляційні технології, викликає необхідність у розробленні принципів вибору існуючих та створенні нового покоління інтелектуальних біооко-процесорних оптико-електронних систем та приладів комплексного діагностування. Вони, відповідно до новітніх медичних програм, повинні забезпечувати ефективну та комфортну діагностику та
9-09-2015, 00:20