close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Метод и система мониторинга вентиляционной функции легких человека на основе электроимпедансной томографии

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Кучер Артем Игоревич
МЕТОД И СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ
ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
Специальность:
05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новочеркасск – 2018
2
Работа выполнена на кафедре «Информационные и измерительные системы и
технологии» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего
образования
«Южно-Российский
государственный
политехнический
университет (НПИ) имени М.И. Платова».
Научный руководитель:
Горбатенко Николай Иванович,
доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ,
ФГБОУ ВО «ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова»,
г. Новочеркасск
Официальные оппоненты:
Манило Людмила Алексеевна,
доктор технических наук, профессор,
ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.
Ульянова (Ленина)»
г. Санкт-Петербург
Литвин Анатолий Витальевич,
кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический
университет» (ДГТУ),
г. Ростов-на-Дону
Ведущая организация:
ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский
политехнический университет»,
г. Томск
Защита диссертации состоится 22.11.2018 г. в 1400 на заседании диссертационного
совета Д212.208.23 в ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет» по адресу:
Ростовская область, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного
федерального университета по адресу 344090 г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге 21-ж и на сайте
http:/hub.sfedu.ru/diss.
Отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью организации и оформленный
согласно «Положению о порядке присуждения ученых степеней» (п.28), с указанием ФИО
(полностью) лица, представившего отзыв, почтовым адресом, наименованием
организации, его должности в этой организации, телефона и адреса электронной почты
просим направлять в ЮФУ по адресу: 347922, Россия, Ростовская обл., г. Таганрог, ул.
Шевченко, 2, корпус «Е», лаб. 112, ученому секретарю совета Д212.208.23 Исаевой А.С.
Автореферат разослан « __» _____ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д212.208.23
Исаева А.С.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Согласно статистике Минздрава России, самые распространенные
заболевания взрослого населения связаны с болезнями органов дыхания (БОД).
По данным, опубликованным Всемирной Организацией Здравоохранения в 2015
г., из 56,4 млн. случаев смерти во всем мире 9,5 млн. (16,8%) были вызваны БОД,
что делает их одной из частых причин смерти в мире.
При выявлении и лечении БОД прибегают к функциональной диагностике и
исследованию структуры легких с применением методов медицинской
визуализации.
Широко используемым методом функциональной диагностики легких
является спирометрия, позволяющая на основании регистрации изменения
легочных объемов определить различные параметры вентиляционной функции
(ВФ) легких. Однако спирометрия позволяет оценить интегральную ВФ легких
без возможности выявить особенности регионарной вентиляции (РВ) легких.
Кроме того, использование прямых методов контроля параметров дыхания
невозможно при длительном мониторинге из-за развивающегося чувства
дискомфорта, вызванного влиянием средств измерения на функционирование
дыхательной системы человека.
Наиболее распространенными методами медицинской визуализации
структуры легких являются рентгенологические методы (флюорография,
рентгенография, рентгеновская компьютерная томография), которые получили
широкое распространение при диспансеризации, а также при мониторинге
процесса восстановления тканей легких после хирургического вмешательства.
Однако данные методы связаны с воздействием ионизирующего излучения на
пациента и медицинский персонал и не позволяют реализовать оперативный
мониторинг. Методы магнитно-резонансной томографии и ультразвуковой
визуализации не получили широкого распространения при исследованиях
структуры легких. Для реализации методов медицинской визуализации требуются
сложные массивные аппараты, что делает невозможным прикроватный
мониторинг.
Оценка вентиляционной функции легких является одним из важных
информативных показателей функционирования респираторной системы
человека. Оценка ВФ легких позволяет выявлять обструктивные, рестриктивные и
смешанные вентиляционные нарушения легких, в том числе на ранних стадиях.
Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка
новых методов и систем мониторинга ВФ легких человека, обеспечивающих:
оперативный мониторинг; помехоустойчивость; отсутствие ионизирующих
4
излучений; возможность неинвазивной количественной и визуальной оценки ВФ
легких человека; возможность оценки регионарной вентиляции легких человека;
мобильность аппаратных средств.
Объектом исследования является система мониторинга вентиляционной
функции легких человека.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы определения
вентиляционной функции и регионарной вентиляции легких человека.
Цель исследования: разработка и исследование метода и системы
мониторинга вентиляционной функции легких человека, позволяющих оперативно
получать количественную и визуальную информацию о вентиляционной (в том
числе регионарной) функции легких человека.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы
необходимо решить следующие задачи:
- разработать метод мониторинга вентиляционной функции легких человека,
позволяющий оперативно получать количественную и визуальную информацию о
вентиляционной (в том числе регионарной) функции легких человека,
отличающийся повышенной помехоустойчивостью;
- разработать математическую модель грудной полости человека,
позволяющую исследовать влияние вентиляции лёгких человека на результат
мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом
электроимпедансной томографии (ЭИТ);
- разработать и исследовать методику оценки интегральной ВФ легких,
позволяющую определить интегральную ВФ легких до реконструкции поля
изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ;
- разработать и исследовать методику оценки РВ легких на основании
результатов мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом
ЭИТ;
- разработать аппаратно-программную реализацию системы мониторинга ВФ
легких человека, реализующую разработанный метод;
- провести экспериментальную апробацию в клинических условиях
разработанных метода и системы мониторинга ВФ легких.
Научная новизна работы:
1. Разработан метод мониторинга вентиляционной функции легких
человека, основанный на определении интегрального изменения проводимости
легких методом электроимпедансной томографии, отличающийся учетом
коэффициентов
регионарной
вентиляции,
что
позволяет
повысить
помехоустойчивость метода.
5
2. Разработана математическая модель грудной полости человека,
позволяющая исследовать влияние вентиляции лёгких человека на результат
мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом
электроимпедансной томографии, отличающаяся учетом частотной зависимости
параметров тканей грудной полости человека и возможностью исследования
нарушений вентиляции левого и правого легкого.
3. Разработана методика оценки интегральной вентиляционной функции
легких на основании результатов электроимпедансной томографии, отличающаяся
тем, что оценка интегральной вентиляционной функции легких производится до
реконструкции поля изменения проводимости грудной полости на основании
результатов измерения разностей потенциалов на поверхности грудной полости.
4. Разработана методика оценки регионарной вентиляции легких,
заключающаяся в оценке распределения воздухонаполнения легких, основанная
на расчете коэффициентов линейной регрессии между изменением проводимости
каждого конечного элемента модели грудной полости и интегральной
вентиляционной функцией легких человека.
Практическая ценность результатов работы заключается в аппаратнопрограммной реализации системы мониторинга ВФ легких на основе ЭИТ,
реализующей разработанный метод. Система позволяет оперативно получать
количественную и визуальную информацию о вентиляционной (в том числе
регионарной) функции легких человека и может быть использована при
скрининговых обследованиях пациентов, а так же при пред- и послеоперационном
мониторинге состояния ВФ легких пациентов.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в
диссертации, обеспечивается применением: теории измерений, математической
статистики, математического моделирования с использованием пакетов прикладных
программ Octave, EIDORS, LabVIEW, FEMM; согласованием теоретических
положений с результатами экспериментальных исследований; корректностью
допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке
устройства; использованием метрологически аттестованного оборудования при
экспериментальных исследованиях разработанной системы; критическим
обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области
измерительной техники и торакальной хирургии.
Основные положения, выносимые на защиту:
- метод мониторинга ВФ легких человека, основанный на определении
интегрального изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ,
позволяющий оперативно получать количественную и визуальную информацию о
6
вентиляционной (в том числе регионарной) функции легких человека,
отличающийся повышенной помехоустойчивостью;
- математическая модель грудной полости человека, позволяющая
исследовать влияние вентиляции лёгких человека на результат мониторинга поля
изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ;
- методика оценки интегральной ВФ легких, позволяющая оценить
интегральную ВФ легких до реконструкции поля изменения проводимости
грудной полости методом ЭИТ;
- методика оценки РВ легких, позволяющая оценить распределение
воздухонаполнения легких;
- структура и программное обеспечение аппаратно-программной реализации
системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ.
Апробация работы.
Основные положения и научные результаты исследований докладывались и
обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
международная конференция «Electrical, Electronics, Materials and Applied Science» (г.
Телангана, Индия, 2017 г.); международная научно-техническая конференция "ПромИнжиниринг" (г. Санкт-Петербург, 2017 г.); международная научно-техническая
конференция "Динамика технических систем" ДТС-2017 (г. Ростов-на-Дону, 2017 г.);
международная научно-практическая конференция, посвященная 110-летию ЮжноРоссийского государственного политехническое ун-та (НПИ) им. М.И. Платова
«Моделирование. Теория, методы и средства» (г. Новочеркасск, 2016 г.); ежегодная
конференция компании National Instruments NIDays (г. Москва, 2015-2016 гг.);
Вьетнамо-Российская международная научная конференция (г. Ханой, Вьетнам, 2015
г.); международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства
измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2015 г.); научно-техническая
конференция и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и
научными организациями ЮФО в рамках участия в реализации федеральных
целевых программ и внепрограммных мероприятий, заказчиком которых является
Минобрнауки (г. Новочеркасск, 2014 г.), а так же на научных семинарах кафедры
«Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ) (г.
Новочеркасск, 2014-2018 гг.).
Реализация и внедрение результатов работы.
Основные результаты работы получены в рамках следующих НИОКР:
- проект № 14.574.21.0029 «Разработка аппаратно-программного комплекса
электроимпедансной томографии биологических объектов», выполненный в
рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по
7
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014—2020 годы»,
- грант РФФИ № 18-38-00786 «Разработка методологии и алгоритмических
средств интеллектуальной идентификации внутренних структур биологических
объектов в системах электроимпедансной томографии»,
- грант Президента РФ № 14.Z56.15-4856-МК «Разработка новых методов и
алгоритмов электроимпедансной томографии для создания технических средств
визуализации внутренних структур биообъекта».
Практические и теоретические результаты работы внедрены:
- ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский онкологический институт»
Минздрава России;
- в учебном процессе на кафедре «Информационные и измерительные
системы и технологии» ФГБОУ ВО «ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова».
Публикации.
По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 3 статьи
в научных журналах, входящих в перечень ВАК, 12 статей в изданиях, входящих в
базу цитирований Scopus, 3 статьи в изданиях, входящих в базу цитирований Web
of Science, 1 патент на полезную модель и 5 свидетельств о государственной
регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в
диссертационном исследовании, состоит в анализе проблемы мониторинга ВФ
легких человека, разработке и исследовании метода мониторинга ВФ легких
человека на основе ЭИТ, разработке математической модели грудной полости для
исследования влияние вентиляции лёгких человека на результат мониторинга поля
изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ, разработке и
исследовании методики определения интегральной ВФ легких, разработке и и
исследовании методика определения РВ легких, аппаратно-программной
реализации системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ, участии в
экспериментальной апробации в клинических условиях разработанной системы и
обработке результатов апробации.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
литературы, включающего 130 наименований и 6 приложений. Работа изложена на
167 страницах, в том числе: 129 страниц текста с 65 рисунками, 14 страниц списка
литературы, 24 страницы приложений.
8
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи
диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность, положения,
выносимые на защиту, приведено краткое содержание глав диссертации.
Первая глава посвящена анализу проблемы мониторинга вентиляционной
функции легких. Приведено описание физиологии процесса дыхания. Проведен
анализ существующих методов регистрации показателей ВФ и РВ легких
человека, обозначены основные проблемы, препятствующие реализации
мониторинга ВФ и РВ легких человека.
По результатам анализа в качестве базового метода предлагается
использовать ЭИТ, позволяющую реализовать мониторинг поля изменения
проводимости грудной полости, на основании которого можно судить о РВ и ВФ
легких. Обозначены основные проблемы реализации мониторинга в ЭИТ и
основные недостатки существующих подходов определения РВ легких на основе
ЭИТ. На основе анализа обозначенных проблем сформулирована цель
исследования и определены основные задачи, подлежащие решению.
Вторая глава посвящена разработке метода мониторинга ВФ легких
человека на основе ЭИТ.
Предлагается метод мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ, блоксхема алгоритма для реализации которого представлена на рисунке 1. На грудную
полость пациента в области 5-6 межреберного промежутка крепится пояс
электродов ПЭ, который содержит N электродов Эn, n∈1..N. ПЭ подключается к
устройству сбора и передачи данных для ЭИТ, позволяющему вести длительный
оперативный мониторинг изменения проводимости грудной полости ΔΩ(t)
человека методом ЭИТ. Устройство сбора и передачи данных для ЭИТ находится
в составе системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ. В ходе
мониторинга за время tизм=Δt формируется вектор измерительной информации
ΔФ(ti) длиной L=M×N (где M – число измерительных конфигураций, N – число
конфигураций инжектирования), на основании которого формируется массив
ΔФ(t), t∈t0..ti. По мере наращивания массива ΔФ(t) при каждом добавлении
измерительной информации ΔФ(ti) оценивается интегральный параметр Ψ(ti) и
формируется массив Ψ(t). Параметр Ψ(t) обладает высокой корреляцией с
интегральной ВФ легких ΔV(t). На основании Ψ(t) определяется момент времени
tref, соответствующий максимальному уровню проводимости Ω(tref) грудной
полости, что соответствует минимальному воздухонаполнению легких. На
основании
расчета
параметра
dФ(ti)=ΔФ(ti)-ΔФ(tref)
производится
дифференциальная ЭИТ реконструкция поля изменения проводимости ΔΩ(ti)
грудной полости относительно некоторого неизвестного уровня проводимости
9
Ω(tref) грудной полости в момент времени tref. На основании информации об
изменении проводимости грудной полости человека во времени ΔΩ(t) и
интегральном параметре Ψ(t) производится оценка РВ легких человека путем
расчета коэффициентов РВ (КРВ) легких.
Начало
Подготовка системы
к работе, ts=0
Непрерывный
мониторинг РВ и ВФ
легких
Переключение
инжектирующих
электродов
Переключение
измерительных
электродов
Формирование массива
ΔФ(ti)={Δφi,j}
Оценка ВФ и РВ
легких
i=1
Расчёт Ψ(ti-1) по ΔФ(ti-1)
Подключение ИТ
согласно i-й
конфигурации
инжектирующих
электродов Эn
Определение tref Как
Ψ(tref)=min(Ψ(t)),
tts..ti-1
j=1
Реконструкция поля
изменения
проводимости ΔΩ(t) на
основании ΔФ(t) и
ΔФ(tref ), tts..ti-1
Оценка РВ на
основании Ψ(t) и ΔΩ(t),
tts..ti-1 путем расчета
RV, расчет KRV путем
бинаризации RV
Измерение Δφi,j между
j-й конфигурации
измерительных
электродов Эn, j=j+1
j>M, где М – число
конфигураций
измерительных
электродов
Во время мониторинга параллельно
выполняется два процесса –
измерение ΔФ(ti) и оценка ВФ и РВ
легких на основании ΔФ(t), tts..ti-1
Расчет ΔΩП(t)
правого и
ΔΩЛ(t)левого легкого
c учетом KRV
i=i+1
i>K, где K – число
конфигураций
инжектирующих
электродов
Преобразование
{Δφi,j} {Δφl},
l1..K×M
Оценка отношения
ΔΩП(t) к ΔΩ(t) и
ΔΩЛ(t) к ΔΩ(t),
сравнение KRV с KRVref
Мониторинг
остановлен?
Мониторинг
остановлен?
RV={rve}, e1..S, где S – Число
конечных элементов.
rve-коэффициент линейной
регрессии Δσe(t) и Ψ(t)
ΔΩ(t) – интегральное изменение
проводимости исследуемой области
грудной полости человека
KRVref – коэффициенты РВ человека
без нарушений ВФ
Стоп
Рисунок 1 – Блок-схема алгоритма реализации метода мониторинга ВФ легких на основе
ЭИТ
10
На основании результатов расчета КРВ KRV легких и результатов
реконструкции поля изменения проводимости ΔΩ(t) грудной полости человека
производится оценка интегрального изменения проводимости ∑ΔΩ(t)
исследуемой области (в частном случае правого ∑ΔΩП(t) и левого ∑ΔΩЛ(t)
легких), которое обладает высокой степенью корреляции с вентиляцией
исследуемой области.
Научная новизна метода заключается в:
- учете КРВ KRV легких человека при расчете ∑ΔΩ(t) исследуемой области
(в частном случае правого ∑ΔΩП(t) и левого ∑ΔΩЛ(t) легких), что повышает
помехоустойчивость метода;
- методике оценки интегральной ВФ легких;
- методике определения РВ легких.
Для моделирования влияния ВФ легких человека на результат мониторинга
поля изменения проводимости грудной полости ΔΩ(t) методом ЭИТ была
разработана математическая модель грудной полости для численного решения
прямой задачи ЭИТ с использованием метода конечных элементов.
Геометрия задачи разработана в интерактивной оболочке программном
обеспечении Femm на базе томографического изображения грудной полости
человека, полученного методом спиральной компьютерной томографии, и
представлена на рисунке 2. Геометрические размеры модели соответствуют
средним размерам взрослого человека. На внешней границе обозначены области
крепления 16 электродов Эn, которые расположены на равном удалении.
Э8
8
Э10
Э9
Э11
Э7
Э6
Э12
2
2
3
Э5
Э13
1
1
4
Э4
7
6
Э3
Э2
1 – Легочная ткань;
2 – Кровь;
3 – Миокард;
4 – Кортикальная
пластина;
5 – Губчатое вещество;
6 – Мышечная ткань;
7 – Спинной мозг;
8 – Жировая ткань;
9 – Кожа.
Э14
5
Э15
9
Э1
Э16
Рисунок 2 – Геометрия задачи в Femm
Проводимость σ и диэлектрическая проницаемость ε биологических тканей
зависят от частоты fI инжектируемого тока I. Получены значения σ и ε
используемых в модели биологических тканей в диапазоне частот от 10 Гц до
11
1МГц. Блок-схема алгоритма моделирования метода ЭИТ представлена на
рисунке 3.
Запуск
2
3
4
Загрузка для
каждой ткани σ(f) и
ε(f), ввод частоты fI И
амплитуды тока I
Переключение
инжектирующих
электродов
Решить задачу
Закрыть Femm
Запустить Femm,
загрузить файл задачи
с подготовленной
геометрией
Задать граничные
условия
Определить
потенциалы φl в точках
крепления электродов
Эn По заданному
алгоритму
Рассчитать разности
потенциалов ΔФ
Задать точность
решения, настройки
сетки конечных
элементов,
частоту fI
Создать сетку
конечных элементов
Все инжектирующие
электроды
использованы?
2
3
4
Стоп
Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма моделирования процесса получения измерительной
информации для метода ЭИТ
Блок-схема алгоритма моделирования для исследования влияния ВФ легких
на результат мониторинга поля изменения проводимости грудной полости
методом ЭИТ представлена на рисунке 4.
Запуск
1
2
Загрузка
параметров тканей
(σ(f)и ε(f)),
ВФ легких
ΔV(t), tt1..T
Преобразование
ΔV(t) в
[ΔσЛ(t,fI),ΔσП(t,fI)] и
[ΔεЛ(t,fI),ΔεП(t,fI)] с
учетом KVЛ и KVП
Моделирование
получения массива
ΔФ(ti) при
[ΔσЛ(ti),ΔσП(ti)] и
[ΔεЛ(ti),ΔεП(ti)]
Загрузка
протокола измерения,
параметров тока I,
Расчет σ(fI) и ε(fI) на
вдохе и выдохе
Моделирование
мониторинга ВФ
легких методом ЭИТ
ti>T
1
2
Стоп
Рисунок 4 – Блок-схема алгоритма моделирования для исследования влияния вентиляции
легких на результат мониторинга поля изменения проводимости грудной полости методом ЭИТ
Для моделирования неоднородности разделения интегральной ВФ легких
12
ΔV(t) между правым и левым легким введен коэффициент KVЛ, описывающий
отношение изменения объема воздуха левого ΔVЛ(t) легкого к интегральному
изменению объема лёгких ΔV(t) и коэффициент KVП, описывающий отношение
изменения объема воздуха правого ΔVП(t) легкого к интегральному изменению
объема лёгких ΔV(t).
Данные об изменении проводимости Δσ(t,fI) и диэлектрической
проницаемости Δε(t,fI) легких при дыхании получены на основе результатов
оценки ВФ легких ΔV(t) методом спирометрии. Исследования проводились на
базе ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский онкологический институт».
Исследована группа людей в возрасте от 18 лет до 31 года. При исследовании
получены данные об изменении объема легких ΔV(t), на основании сформированы
массивы ΔσЛ(t,fI), ΔσП(t,fI), ΔεЛ(t,fI) и ΔεП(t,fI). Пример графика изменения объема
легких ΔV(t) и изменения проводимости левого ΔσЛ(t) легкого представлен на
рисунке 5.
а)
б)
Рисунок 5 – Результаты спирометрии ΔV(t) (а) и изменение проводимости левого ΔσЛ(t,fI)
легкого (б)
На основании полученных данных о проводимости левого ΔσЛ(t,fI) и
правого ΔσП(t,fI) легкого и изменении диэлектрической проницаемости левого
ΔεЛ(t,fI) и правого ΔεП(t,fI) легкого произведено моделирование влияния
вентиляции легких на результат мониторинга методом ЭИТ по разработанному
алгоритму при KVЛ/KVП = [0,5/0,5; 1/0; 0,67/0,33].
Для оценки ΔV(t) предложен интегральный параметр Ψ:
L

 φ
l 1
L
l
.
[1]
Данные об изменении объема легких ΔV(t) и результат расчета Ψ(t) для
коэффициентов KVЛ/KVП = [0,5/0,5; 1/0; 0,67/0,33] представлены на рисунке 6, из
13
которого видно, что Ψ(t) обладает высокой корреляцией с ΔV(t). Для
исследования помехоустойчивости к ΔФ(t) добавлен «белый» шум с отношением
сигнал/шум SNR = [20; 30; 40; 50] дБ. Результаты расчета линейного
коэффициента корреляции r между ΔV(t) и Ψ(t) при SNR = [20; 30; 40; 50] дБ и
при KVЛ/KVП = [0,5/0,5; 1/0; 0,67/0,33] показали, что даже при низких значения SNR
параметр Ψ(t) обладает весьма высокой (по шкале Чеддока) корреляцией с ΔV(t).
В тоже время, степень корреляции между Ψ(t) и ΔV(t) практически не изменяется
при различных KVЛ/KVП.
Рисунок 6 – Нормированные ВФ легких V(t) и интегральный параметр Ψ(t) при
KVЛ/ KVП =[0,5/0,5;1/0;0,67/0,33]
Для реконструкции поля изменения проводимости грудной полости ΔΩ(ti) в
среде Octave с применением EIDORS и Netgen Mesher была разработана геометрия
модели грудной полости.
На основании требований к быстродействию алгоритма реконструкции поля
изменения проводимости грудной полости ΔΩ(ti) для реализации оперативного
мониторинга при решении обратной задачи ЭИТ был использован алгоритм
Гаусса-Ньютона с линеаризацией обратной задачи ЭИТ и применением
регуляризации Тихонова:
(ti )   J T J   RT R  J T dФ(ti ),
1
[2]
где J – матрица Якоби (матрица чувствительности); λ – параметр
регуляризации (гиперпараметр); R – регуляризирующий оператор, dФ(ti)=ΔФ(ti)ΔФ(tref).
Интегральное изменение проводимости грудной полости ∑ΔΩ(t) обладает
высокой корреляцией с ΔV(t) и определяется по формуле:
S
 (ti )    e (ti ) .
[3]
e 1
На рисунке 7 представлен пример результатов оценки ∑ΔΩ(t) и Ψ(t) при
14
SNR = [20; 30; 40; 50] дБ при KVЛ/ KVП = [0,5/0,5], совмещенные с ΔV(t).
а)
б)
Рисунок 7 – Результаты расчета параметра ∑Ω(t) (а) и Ψ(t) (б) при SNR=[20;30;40;50],
совмещенные с интегральной ВФ легких человека ΔV(t)
Оценка коэффициента линейной корреляции r для Ψ(t) и ∑ΔΩ(t) с ΔV(t) при
SNR = [20; 30; 40; 50] дБ и KVЛ/KVП = [0,5/0,5; 1/0; 0,67/0,33] показала, что с
уменьшением SNR падает степень корреляции между ∑ΔΩ(t) и ΔV(t) с весьма
высокой до умеренной. Степень корреляции между Ψ(t) и ΔV(t) остается весьма
высокой во всем диапазоне исследованных SNR. Пример результатов оценки r при
KV=50/50 представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Результаты расчета коэффициента линейной корреляции r для Ψ(t) и ∑ΔΩ(t)
с ΔV(t) при SNR= [20; 30; 40; 50] и KVЛ/KVП=0,5/0,5 для всех пациентов
Таким образом, использование при оценке ΔV(t) параметра Ψ(t) взамен
∑ΔΩ(t) позволит повысить помехоустойчивость методики оценки РВ легких.
Тогда КРВ, полученные на основании бинаризации РВ легких, могут быть
использованы в качестве весовых коэффициентов при расчете ∑ΔΩ(t):
S
 (ti )   rve   e (ti ).
[4]
e 1
Такой подход позволяет повысить помехоустойчивость метода мониторинга
ВФ легких человека на основе ЭИТ.
15
Для оценки РВ легких человека предложена методика, заключающаяся в
оценке РВ лёгких путем оценки степени зависимости между изменением
проводимости в e-м конечном элементе Δσe(t) и Ψ(t) с помощью коэффициента
линейной регрессии. Для учета РВ легких при расчете ∑ΔΩ(t) результаты оценки
РВ легких бинаризируются по среднему:
krve
max( RV )

,
0, rve 
2

1, rv  max( RV ) .
e

2
[5]
Исследование влияния уровня SNR на результат оценки ∑ΔΩ(t), а также на
результат оценки ∑ΔΩL(t) и ∑ΔΩR(t) показало уменьшения влияния SNR на
степень корреляции результата оценки с ΔV(t) при учете РВ.
Таким образом, применение разработанного метода мониторинга ВФ легких
человека на основе ЭИТ позволяет оперативно получать количественную и
визуальную информацию о ВФ и РВ легких человека с повышенной
помехоустойчивостью.
В третьей главе представлена аппаратно-программная реализация системы
мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ. Разработаны структурная,
функциональная (рис. 9) и принципиальные электрические схемы аппаратной
части системы мониторинга и оценки ВФ легких на основе ЭИТ, которая
представляет собой устройство сбора и передачи данных для ЭИТ (патент на
полезную модель РФ 164812).
L-CARD
E502
ЦАП
ИТУН
I
БМИТ
МК
ПЭ
БО
ПК
БМИЗМ
БП
+12 В
АЦП
ПДУ
Рисунок 9 – Функциональная схема системы мониторинга ВФ легких на основе ЭИТ
16
Устройство сбора и передачи данных для ЭИТ включает в себя плату вводавывода L-CARD E502XUD (которая содержит микроконтроллер МК, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, аналогово-цифровой преобразователь АЦП,
программируемый дифференциальный усилитель ПДУ); блок мультиплексоров
измерительной цепи БМИЗМ; блок мультиплексоров цепи источника тока БМИТ;
источник тока, управляемый напряжением ИТУН; пояс электродов ПЭ; блок
питания БП; персональный компьютер ПК.
Программная часть системы мониторинга ВФ легких на основе ЭИТ
состоит из следующих элементов:
- графический интерфейс пользователя;
- модуль инициализации программной части системы мониторинга и оценки
ВФ легких на основе ЭИТ;
- модуль получения данных для ЭИТ;
- модуль реконструкции и визуализации поля изменения проводимости
грудной полости человека;
- модуль оценки ВФ легких человека;
- модуль оценки РВ легких человека;
- модуль взаимодействия с базой данных для хранения информации о
пациентах.
На программную часть системы мониторинга и оценки ВФ легких на основе
ЭИТ получены свидетельства о государственной регистрации ПрЭВМ: №
2017663412; № 2017611242; № 2015662672; № 2017611125.
Внешний вид аппаратно-программной реализации системы мониторинга
ВФ легких методом ЭИТ представлен на рисунке 10.
6
5
4
3
1
1 – Пояс электродов;
2 – Электроды;
3 – Кабель пациента;
4 – Персональный
компьютер;
5 – Устройство сбора и
передачи данных для
ЭИТ;
6 – Программное
обеспечение.
2
Рисунок 10 - Система мониторинга ВФ легких методом ЭИТ
17
Экспериментальное исследование выходного сопротивления Rвых ИТУН
показало, что разработанный ИТУН в диапазоне частот fI инжектируемого тока I
от 20 до 100 кГц при амплитуде инжектируемого тока I=5 мА обеспечивает
выходное сопротивления Rвых в диапазоне от 615 до 186 кОм, что позволяет
обеспечить погрешность δI амплитуды инжектируемого тока I при сопротивлении
нагрузки Rн≤2 кОм менее 1,5%.
Разработанная аппаратно-программная реализация системы мониторинга
ВФ легких человека на основе ЭИТ обладает следующими характеристиками:
число электродов в поясе – 4..16; количество поясов электродов – 1; амплитуда
инжектируемого тока – 5 мА; частота инжектируемого тока – 20..100 кГц;
межкадровая задержка – 0 мс; число изображений в секунду – 10..25.
Четвертая глава содержит результаты экспериментальной апробации в
клинических условиях аппаратно-программной реализации системы мониторинга
ВФ легких на основе ЭИТ на базе ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский
онкологический институт», которая проходила в 3 этапа (рис. 11).
а)
б)
в)
Рисунок 11 - Аппаратно-программная реализация системы мониторинга ВФ легких
методом ЭИТ во время экспериментальной апробации в клинических условиях во время
этапа №1 (а), этапа №2 (б) и этапа №3(в)
Первый этап клинической апробации посвящен проверке согласования
теоретических положений с результатами натурного эксперимента. Для этого 4
пациента сперва прошли исследование интегральной ВФ легких методом
спирометрии (которое не выявило отклонений от нормы), после чего для каждого
из 4х пациентов был проведен мониторинг интегральной ВФ легких с помощью
разработанной
системы.
Анализ
результатов
показал
повышение
18
помехоустойчивости результатов оценки ∑ΔΩ(t) при учете КРВ, что подтвердило
согласованность теоретических положений с результатами натурного
эксперимента.
На втором этапе проводилась экспериментальная апробация разработанной
системы в амбулаторных условиях. Производился мониторинг ВФ лёгких для
пациентов, прошедших спиральную компьютерную томографию (СКТ).
Обследовано 38 пациентов (28 мужчин и 10 женщин) в возрасте от 28 до 75 лет.
При мониторинге ВФ легких пациенты при возможности выполняли следующие
дыхательные маневры: минута спокойного дыхания, 4 глубоких вдоха и снова
минута спокойного дыхания. На основании результатов мониторинга ВФ легких
рассчитано отношение ∑ΔΩL(t) и ∑ΔΩR(t) легкого к ∑ΔΩ(t), отношение площади
правого и левого легкого к общей площади лёгких по результатам расчета КРВ
легких (рисунок 12). На основании результатов СКТ рассчитано отношение
площади правого и левого легкого к общей площади лёгких. Анализ результатов
подтвердил высокую степень корреляции между наличием патологий в структуре
легких и наличием патологий РВ легких, что подтверждает возможность оценки
ВФ правого и левого легкого.
На третьем этапе проводилась экспериментальная апробация разработанной
системы в условиях хирургического отделения, в ходе которой проводился
мониторинг ВФ легких перед и во время операции. Получены данные
мониторинга ВФ легких при собственном дыхании, при интубации и во время
искусственной вентиляции легких (ИВЛ) для 5 пациентов.
Третий этап клинической апробации позволил выявить недостатки в
конструкции пояса электродов, затрудняющие его использование в условиях
хирургического отделения. Анализ результатов выявил возможные нарушения
нормального для конкретного человека соотношения ВФ правого и левого легких
при использовании ИВЛ (рис. 13), что может привести к травмам легких.
Следовательно, разработанная система может быть использована для более
точной индивидуальной настройки параметров ИВЛ. Погрешность оценки
частоты дыхательных движений (ЧДД) не превышает 1%.
Экспериментальная апробация в клинических условиях аппаратнопрограммной реализации системы мониторинга ВФ легких человека на основе
ЭИТ подтвердила достоверность полученных результатов и показала, что
разработанные метод и система позволяют оперативно получать количественную и
визуальную информацию о вентиляционной (в том числе регионарной) функции
легких человека, а также обладают повышенной помехоустойчивостью. Таким
образом, разработанная система может быть использована при скрининговых
обследования пациентов, а также при пред- и послеоперационном мониторинге
19
состояния ВФ легких пациентов.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
Рисунок 12 – Результаты мониторинга интегрального изменения проводимости левого
∑ΩL(t) и правого ∑ΩR(t) легкого для пациента А (а) и пациента Б (д), визуализация поля
КРВ легких до бинаризации для пациента А (б) и пациента Б (е) и после бинаризации для
пациента А (в) и пациента Б (ж), томографический срез методом СКТ области наложения
пояса электродов для пациента А (г) и пациента Б (з)
20
а)
б)
Рисунок 13 – Пример результатов мониторинга ВФ левого и правого легких до интубации
(а) и во время ИВЛ (б)
В заключении сформулированы основные результаты диссертационного
исследования.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработан и исследован метод мониторинга вентиляционной функции
легких на основе электроимпедансной томографии, позволяющий оперативно
получать количественную и визуальную информацию о вентиляционной функции
(в том числе регионарной) лёгких человека, отличающийся повышенной
помехоустойчивостью.
2. Разработана численная модель грудной полости человека, позволяющая
исследовать влияние вентиляции лёгких человека на результат мониторинга поля
изменения проводимости грудной полости методом электроимпедансной
томографии, отличающаяся учетом частотной зависимости параметров тканей
грудной полости человека и возможностью исследования нарушений вентиляции
левого и правого легкого.
3. Разработана
и
исследована
методика
оценки
интегральной
вентиляционной функции легких на основании результатов электроимпедансной
томографии, отличающаяся тем, что оценка интегральной вентиляционной
функции легких производится до реконструкции поля изменения проводимости
грудной полости на основании результатов измерения разностей потенциалов на
поверхности грудной полости.
4. Разработана и исследована методика оценки регионарной вентиляции
легких, заключающаяся в оценке распределения воздухонаполнения легких,
основанная на расчете коэффициентов линейной регрессии между изменением
проводимости каждого конечного элемента модели грудной полости и
интегральной вентиляционной функцией легких человека.
5. Разработана и исследована аппаратно-программная реализация системы
мониторинга вентиляционной функции легких методом электроимпедансной
21
томографии со следующими характеристиками: число электродов в поясе – 4..16;
количество поясов электродов – 1; амплитуда инжектируемого тока – 5 мА;
частота инжектируемого тока – 20..100 кГц; межкадровая задержка – 0 мс; число
изображений в секунду – 10..25.
6. Проведена экспериментальная апробация в клинических условиях
разработанной аппаратно-программной реализации системы мониторинга ВФ
легких человека на базе ФГБОУ «Ростовский научно-исследовательский
онкологический институт», которая подтвердила достоверность полученных
результатов и показала возможность использования разработанной системы при
скрининговых обследования пациентов, а также при пред- и послеоперационном
мониторинге состояния ВФ легких пациентов.
7. Практические и теоретические результаты работы внедрены: ФГБУ
«Ростовский научно-исследовательский онкологический институт» Минздрава
России; в учебном процессе на кафедре «Информационные и измерительные
системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ).
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в журналах, включенных в перечень ВАК РФ
1. Кучер А.И.; Алексанян Г.К. Определение алгоритма реконструкции и
параметров реконструирования для электроимпедансной томографии // Современные
проблемы науки и образования. 2015. № 12-2. 4 с.
2. Кучер А.И.; Алексанян Г.К., Кревченко Ю.Р., Нескребин Д.Г., Попов И.А.
Метод коррекции положения электродов по результатам измерения импеданса для
электроимпедансной томографии //Фундаментальные исследования. 2015. № 12-5. С.
919-923.
3. Алексанян Г.К.; Денисов П.А., Кучер А.И. Исследование применимости
натурно-модельного подхода для задач реконструкции поля проводимости при
многочастотной электроимпедансной томографии // Фундаментальные исследования.
2016. № 11-5. С. 895-899.
Публикации в изданиях, индексируемых Web of Science
4. Lozin O. I., Kucher A. I., Labadze O. E Accounting For the Object Symmetry
at Electric Impedance Tomography Data Processing // International Conference on
Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2017. 4с.
5. Aleksanyan G., Shcherbakov I., Kucher A., Priyma M. Research of the
conductivity of organic and inorganic media in multi-angle multi-frequency electrical
impedance tomography // MATEC Web of Conferences. 2017. Т. 132. №. 04008. 4 с.
22
6. Aleksanyan G., Gorbatenko N., Kucher A., Shcherbakov I. Hardware in the
loop simulation of objects internal structures inhomogeneities in multi-angle electrical
impedance tomography // MATEC Web of Conferences. 2017. Т. 132. №. 04007. 4 с.
Публикации в изданиях, индексируемых Scopus
7. Aleksanyan G.K., Shcherbakov I.D., Kucher A.I., Balushi I.A. Assessment of
the sensitivity of multi-angle electrical impedance tomography to heterogeneous
formations // AIP Conference Proceedings. 2018. T. 1952. №020114. 7 с.
8. Aleksanyan G.K., Shcherbakov I.D., Kucher A.I., Sulyz A.V. Method of lungs
regional ventilation function assessment on the basis of continuous lung monitoring
results using multi-angle electrical impedance tomography // AIP Conference
Proceedings. 2018.T. 1952. №020105. 6 с.
9. Aleksanyan G.K., Shcherbakov I.D., Kucher A.I., Sulyz A.V. Development
of the algorithm of measurement data and tomographic section reconstruction results
processing for evaluating the respiratory activity of the lungs using the multi-angle
electric impedance tomography // AIP Conference Proceedings. 2018. T. 1952.
№020102. 8 с.
10. Aleksanyan G.K., Kucher A.I., Shcherbakov I.D. Research of the MultiFrequency Electrical Impedance Tomography using Possibility for Specific
Physiological Processes monitoring Tasks // Journal of Engineering and Applied
Sciences. 2017. Т. 12. № 1. С. 4251-4258.
11. Aleksanyan G.K., Kucher A.I., Shcherbakov I.D. Experimental research the
human body impedance in the chest area depending the frequency of the injected
current // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. Т. 12. № 8. С. 21292137.
12. Aleksanyan G.K., Kucher A.I., Shcherbakov I.D. Feature Research of
Using Current Source in 2-Dimensional and 3-Dimensional Multifrequency Electrical
Impedance Tomography Devices // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017.
Т. 12. № 3. С. 587-592.
13. Aleksanyan G.K., Gorbatenko N.I., Kucher A.I., Shirokov K.M., Phong
C.N. Developing Principles and a functioning Algorithms of the Hardware-software
Complex for Electrical Impedance Tomography of Biological Objects // Biosciences
biotechnology research Asia. 2015. Т. 12. № 2. С. 709-718.
14. Aleksanyan G.K.,
Gorbatenko N.I., Kucher A.I. Development and
Production Of Multi-Layered Electrode System For Electrical Impedance Tomography
Devices // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 19. С.
40580-40584.
15. Aleksanyan G.K., Kucher A.I., Tarasov A.D., Cuong N.M., Phong C.N.
Design of software and experimental setup for reconstruction and visualization of
23
internal structures of conductive bodies// International Journal of Soft Computing. T.
10, 2015, C. 462-467.
Патенты, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ
16. Устройство сбора и передачи данных для электроимпедансной
томографии биологических объектов : Пат. 164812 Рос. Федерация : МПК A61B
5/053 / Алексанян
Г.К.
Горбатенко
Н.И.,
Кучер
А.И.,
Тарасов
А.Д. ; патентообладатель Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. заявка № 2016106620/14 ; заявл. 26.02.2016 ; опубл. 20.09.2016, бюл. № 26
17. Моделирование поля импеданса грудной полости человека в процессе
дыхания для электроимпедансной томографии (ПОмод Femm) : Свид-во о гос.
регистр. программы для ЭВМ № 2017663557 / Алексанян Г.К., Кучер А.И.,
Щербаков И.Д. . - заявка № 2017660182 ; заявл. 10.10.2017 ; Зарег. в Реестре
программ для ЭВМ 07.12.2017
18. Визуализация томографического среза для электроимпедансной
томографии (ПОвиз LV) : Свид-во о гос. регистр. программы для ЭВМ №
2017663412 / Алексанян Г.К., Кучер А.И., Щербаков И.Д. . - заявка
№ 2017660248 ; заявл. 11.10.2017 ; Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 01.12.2017
19. Программное обеспечение информационно-измерительной системы
электроимпедансной
томографии
биологических
объектов
(ПО_ИИС_ЭИТ_БО_1.0) : Свид-во о гос. регистр. программы для ЭВМ №
2017611242 / Алексанян Г.К., Кучер А.И. - заявка № 2016663156 ; заявл.
01.12.2016 ; Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 01.02.2017
20. Реконструкция внутренних структур биообъекта (ПОрек) : Свид-во о
гос. регистрации программ для ЭВМ № 2015662672 / Алексанян Г.К., Горбатенко
Н.И., Кучер А.И., Тарасов А.Д. . - заявка № 2015619695 ; заявл. 14.10.15 ; 30.11.15
21. Формирование алгоритмов измерения для ИИС ЭИТ БО
(ФАИ_ИИС_ЭИТ_БО_1.0) : Свид-во о гос. регистр. программы для ЭВМ №
2017611125 / Алексанян Г.К., Кучер А.И., - заявка № 2016663135 ; заявл.
01.12.2016 ; Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 19.01.2017
Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве:
[1] – исследованы алгоритмы решения обратной задачи ЭИТ; [2] – предложен и
исследован метод коррекции положения электродов для устройства сбора и
передачи данных для ЭИТ; [3] – подготовка и реализация численного
эксперимента; [4] – реализация численного моделирования; [5-7] – постановка и
обработка результатов эксперимента; [8] - предложен способ оценки поля КРВ
грудной полости на основании мониторинга поля изменения проводимости
грудной полости методом ЭИТ; [9] - разработан способ оценки интегральной ВФ
24
легких на основании измерительной информации для ЭИТ; [10] – разработка
модель грудной полости, реализация численного эксперимента, обработка
результатов; [11] – постановка и проведение эксперимента, обработка
результатов; [12] – моделирование источника тока; [13] – разработка принципов и
алгоритмов функционирования устройства; [14] – разработка и сборка пояса
электродов;
[15] – предложен способ реконструкции поля изменения
проводимости грудной полости; [16] – разработка устройства сбора и передачи
данных для ЭИТ, патентный поиск; [17-22] – разработка алгоритма работы
программы и его реализация на машинном языке.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
2 153 Кб
Теги
мониторинг, томография, метод, человек, система, функции, основы, легких, электроимпедансной, вентиляционных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа