Неінвазивні оптико-електронні прилади та системи діагностики мікроциркуляції периферійного кровообігу

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 Кожемяко 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, професор Хаїмзон 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 Д 05.052.02 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 повязано, 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 здоровя 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 розвязання цілого ряду спеціальних задач, повязаних 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 обєктів, 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. Кожемяка, 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 компютера око-процесорного типу під керівництвом проф. В.П. Кожемяка.

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.

Звязок 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 компютерні 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);

· „Створення оптоелектронних та лазерних технологій для нетрадиційних методів діагностики і терапії серцево-судинної системи людини” (№ держ. реєстрації 0205U006580);

· “Образний відео-компютер 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 основ іспектрофотометрії таполяриметрії (№ держ. реєстрації 0107U008337)

· Оптико-електронний квантово-розмірний образний компютер 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 не інвазивної 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 розвязати 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 біообєктах 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.

Обєктом 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 компютерної 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 обєктах 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 конюнктиви 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 результатівполягає 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 конюнктиви 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 здоровя” (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 сімї 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, дисер-тантові 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-ODS2000, 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 здоровя”;

· 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 розвязання задач на компютері, рекламні матеріали та актив провадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи для практичної медицини і медичного приладобудування України та її звязок з науковими програ-мами та темами, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне 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 осо-бистого 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 терапію зосередженими променистими потоками, що в напрямку створення фізичних та конструкторсько-технологічних основ таких випромінювачів вимагає проведення комплексу теоретичних та експериментальних досліджень.

Запропоновано функціональну класифікацію фотоплетизмографічних і мікроциркулярних досліджень (рис. 1), де показано основні класифікаційні ознаки реєстрації та оброблення фотоплетизмографічної інформації. За рахунок використання оптоелектронних сенсорів рестрацiї бiомедичних сигналiв, якi працюють в інфрачервоному та червоному діапазонах, забезпечуться абсолютно безпечне такомфортне діагностування населення різних вікових груп i фізичного стану (включаючи дуже важких хворих, наприклад, пiсля аварiї, опiкiв i т.i.), безпечні умови праці обслуговуючого персоналу та пiдвищуться якість медичного обслуговування.

Проаналізовано методи математичного опису взаємодії випромінювання із біотканиною, при цьому найчастіше пропонується рішення цієї проблеми з позицій теорії радіаційного переносу, де біотканина аналізується як випадково неоднорідне середовище, яке розсіює та поглинає.

Проведено аналіз неінвазивних оптико-електронних приладів та систем для діагностики гемодинамічних показників відповідно до узагальненого критеріального оцінювання ефективності, а також сформульовано вимоги до створення біооко-процесорних оптико-електронних систем та приладів для оцінювання кровонаповнення та вимірювань оптичних характеристик біотканин.

У другому розділі наведено результати досліджень теоретичних питань, розвинення і вдосконалення розрахунково-аналітичних методів та розвинення математичних моделей розповсюдження оптичного випромінювання у біологічних обєктах для подальшого використання при побудові біооко-процесорних оптико-електронних приладів та систем діагностики периферійного кровообігу та оцінювання стану мікроциркуляції конюнктиви ока.

Розвинено теорію шляхом побудови моделі пошарового розповсюдження оптичного випромінювання при оцінюванні рівня периферійної мікроциркуляції на заданій довжині хвилі зондуючого випромінювання. Глибина проникнення оптичного випромінювання в тканини є дуже важливою у практичному відношенні, оскільки, в залежності від неї, визначаються межі можливого використання випромінювачів.

Проаналізовано динамічні процеси взаємодії оптичного випромінювання з біообєктами з урахуванням моделі Монте-Карло. При цьому коефіцієнт поглинання може бути визначений як ймовірність фотона бути поглинений на одиницю довжини, а коефіцієнт розсіювання визначений як ймовірність фотона бути розсіяним на одиницю довжини. Використання цих ймовірностей дає випадковий зразок траєкторій фотона.

Коефіцієнти поглинання та розсіяння середовища зворотно пропорційні середньому вільному „пробігу” фотонів, які поглинаються та розсіюються і є параметрами самого обєкту. Периферійні судини вважаються обєктами, які випадково розсіюють оптичне випромінювання у біологічному середовищі. Таким чином, її можно представити як оптичну усереднюючу модель двох компонентів: тканини, яка знекровлена та крові.

З урахуванням цих процесів модель модуляції оптичного розсіяного світла пульсової хвилі кровіможе представити як (1).

де та -коефіцієнти розсіяння та поглинання знекровленої тканини; та - коефіцієнти розсіяння та поглинання крові;-коефіцієнт поглинання артеріальної крові; V_кр. - питомий обєм, в якому міститься кров; - зміна питомого обєму крові під дією пульсової хвилі.

Коефіцієнт модуляції розсіяного випромінювання залежить від коефіцієнтів поглинання артеріальної крові та зміни питомого обєму крові при проходженні пульсової хвилі і змінюється від певного значення інтенсивності та діапазону випромінювання світлового потоку (2).

Де - функція, яка є сталою,- функція, яка відображає гемодинамічні показники пульсової хвилі.

Взаємодiю оптичного випромінювання iз біотканиною зображено на рис.3.

Теоретичнi рiвняння для аналізу процесу розповсюдження світлового випромінювання в біообєкті записуютьсяу формi: (3)

де I_c+ та I_c- - колiмуючi зустрічний та зворотний потоки відповідно. I₊ та I_- - дифузiйнi потоки, K, S, k, S₁ та S₂ - коефіцієнти Кубелки-Мунки та вісь z направлена нормально до поверхнi шкiри.

Система рівнянь (2) розвязується при використаннi граничних умов. Обчислення коефіцієнта абсолютної передачі T та дифузного відбиття R визначається за формулами: (4)

де F₀- потiк падаючого світла та d₀товщина біообєкту.

На основі використання принципу різницевих зрізів запропоновано метод та алгоритм сортування та вибірки числових масивів опрацювання фотоплетизмографічних сигналів. Відмінність цього алгоритму від інших полягає у тому, що він не потребує додаткових зважених сум ознак, а виконує їх порівняння в процесі оброблення біомедичної інформації, щодозволяє розширити функціональні можливості класифікації сигналів, особливо, коли ознаки образів мають багатовимірний характер, оскільки результати сортування можуть бути використані у подальшому для кластеризації образів.

Розроблено математичну модель класифікації d-вимірних образів по L класах (рис. 4), де належність Z класу визначається за максимумом функцій у системі дискримінантних функцій вигляду, (5)

де - вагові коефіцієнти і пороги класифікатора відповідно, , .

Запропоновано структурну схема класифікатора, що містить аналізатор кодів спектра (АС), пристрій обчислення вектора ознак (ПОВО) та цифровий фільтр обчислення дискримінантних функцій, який, в свою чергу,складається з блоків вагових коефіцієнтів, суматорів зважених ознак образу і блока вибору максимуму дискримінантних функцій.

У даному випадку образи БС мають двовимірний характер, тобто , (6)

де - смуга частот; - частота максимуму спектра [8]. В результаті в АС виконується аналіз спектра дискретних частот виборок випадкового процесу , дискретизованого з періодом Т, де ,,.

У третьому розділі запропоновано принципи реалізації біооко-процесорної оптико-електронної системи для комплексного діагностування периферійного кровонаповнення. Визначено її сутність і ряд ознак.

Визначення 1. Оптико-електронна біооко-процесорна система комплексного діагностування --проблемно-орієнтована експертна система з базами знань та системою логічного виводу і розвитку сучасного інтерфейсу,що реєструє інформацію у вигляді відбитого розсіювального світлового потоку та виділяє певні ознаки біообєкту та опрацьовує виділені ознаки і визначає рішення автоматично або за участю експерта.

Визначення 2.Сукупність виділених ознак характеризують такі складові:

1. Просторові - x,y,z, де z - глибина зорової сцени.

2. Розподіл інтенсивності світлового потоку І(r,s) (7)

де rG, n - поверхневий вектор нормалi до G, S (r,s) - це розподiл свiтла, що падає на G, та R - це оператор вiдбиття.

3. Спектральна - (визначає процеси проходження оптичного випромінювання у залежності коефіцієнта абсолютної передачі T та дифузного відбиття R)

4. Теплова - Т (розподіл теплового випромінювання в координатах x,y,z).

Визначення 3.Фрагментом зображення оптико-електронної біооко-процесорної системи комплексного діагностування є частина зображення розмірністю n x m, де nN, mM.

Визначення4. Фрагмент зображення характеризується спектром звязності W-зображення де - елемент зображення фрагменту з координатами i,j та звязністю . Спектр звязності поточного зображення знаходиться в межах0.

Визначення5. ОбразомF (a_ij) зображенняє підмножина точок a_ij, що приймають одиничне значення і мають міру звязності.

Запропоновано структуру біооко-процесорної оптико-електронної системи комплексного діагностування (Патент № 52616 UA),яку наведено на рис. 3.

Основними компонентами оптико-електронної системи (рис. 5) є блок 7 проектування зображень; оптичний затвор 8; фотоелектричний перетворювач 9, виконаний у вигляді матриці розміром M x M фотоприймальних комірок 10; перетворювач параметрів зображення в тривалості часових інтервалів 11; аналізатор інформації, що надійшла, 12; блок синтезатора-генератора ознак 13, виконаний у вигляді ієрархічного зєднання N функціонально-інтегральних синтезаторів 14, зєднаних між собою за допомогою ліній світлової волоконно-оптичної комутації; блок перекомутації 15; формувач ключової логіко-часової функції 16; блок динамічної памяті еталонних логіко-часових функцій із системою формування бази еталонних знань і вибору зразків еталонів 17; схема порівняння 18, аналізатор неспівпадання сигналів 19.

Біооко-процесорна оптико-електронна система для розпізнавання біомедичних зображень з виділенням ознак дозволяє функціонально інтегрувати довільну кількість різних логіко-часових величин, тобто синтезувати на виході функціонально-інтегральну ознаку F_л, виходячи з формули. Після оброблення інформації на виході одержують сукупність неявно виражених ознак, здатних докладно і достовірно описувати аналізоване зображення. Ці дії пропонується виразити за допомогою формули (Патент № 2178915 РФ) (8)

де F_л приведена інтегрована кількісно-якісна логіко-часова функція; оператор узагальненого інтегрування отриманого кількісного результату паралельних вхідних змінних з ознаками фізичних розмірностей і виділених неявно виражених ознак;n кількість входів; а інформація на -ому вході; оператор впливу ознак на вихідну функцію і один на одного; m кількість синтезованих ознак; p_j змінна, що характеризує фізичний зміст ознаки зображення.

Запропоновано архітектуру побудови оптико-електронної системи для діагностики периферійного кровонаповнення (рис. 6), що містить зєднані послідовно генератор імпульсів 1 та джерело світла 2, три перетворювача 3-5, три інтегруючих підсилювача 6-8, входи яких зєднані відповідно з виходами перетворювачів 3-5, обчислювач 9, який містить зєднані послідовно мультиплексор 10, аналогово-цифровий перетворювач 11, процесор 12.

У четвертому розділі розглянуто основні етапи оброблення фотоплетизмографічних сигналів, а також основні методи оброблення біосигналів. Для більш повного використання апріорної інформації про характер вимірювальних сигналів запропоновано використання різних методів фільтрації(метод найменших квадратів,медіанна фільтрація).

Основними етапами оброблення у часовій зоні для біосигналів, форма яких має деяку стійку структуру, є: фільтрація; кускова апроксимація; сегментація за часовими властивостями сигналів; виділення характерних точок сигналу (екстремумів, точок перегину, точок перетину базової лінії та ін.); обчислення за характерними точками різноманітних похідних параметрів, в тому числі й ознак форми; статистичний аналіз послідовності класифікованих фрагментів; структурний аналіз.

Фільтрування проводиться за рахунок використання набли-ження по методу найменших квадратів. Цей алгоритм реалізує не рекурсивний фільтр нижніх частот шляхом апроксимації зна-чень відліків у вхідній послідовності за допомогою параболічного степеневого ряду (9)

де p (nT + kT) - значення параболи для кожного з пяти значень k (-2, -1,0,1,2).

Змінні s₀ (nT), s₁ (nT) та s₂ (nT) треба визначити для наближення параболою кожної з пяти вхідних точок даних.

Наближення досягається шляхом знаходження параболи (коефіцієнтів s₀, s₁ та s₂), яка найкращим чином апрок-симує пять точок даних, що оцінюється за найменшою квадра-тичною похибкою. Ця похибка є.(10)

Як підсумок можна записати систему рівнянь: (11)

Для підвищення достовірності оброблення фотоплетизмографічних сигналів в розроблених не інвазивних оптико-електронних системах та приладах використовувався метод фільтраціїі з застосуванням таких виразів: (12), (13)

Враховуючи той факт, що під час проведення клінічних досліджень доволі часто потрібно використовувати не тільки чіткі цифрові критерії, але й певні лінгвістичні характеристики змін показників (термів), проводився аналіз частини з них за допомогою математичного апарату нечіткої логіки. Вперше отримано математичні моделі діагностики гемодинамічних показників, які враховують порушення периферійного кровообігу в хребетно-рухомих сегментах у відповідності з експертною базою даних, яку представлено у вигляді нейромережі (рис. 7), що дозволяє діагностувати стан як периферійних судин, так і окремих органів організму людини шляхом оброблення фотоплетизмографічної інформації.

Застосування математичного апарату нечіткої логіки може бути важливим у випадках необхідності визначення ймовірності взаємозвязку патологічних станів, які мають різні клінічні характеристики. Для прикладу, нижче наведено дослідження імовірності виникнення захворювань серця при патології сегментів шийного і грудного відділів хребта. Ступінь порушень у хребтових сегментах записано з правого (П) і лівого (Л) боку за допомогою коефіцієнтів симетрії мікроциркуляторних процесів по відношенню до еталона. Необхідно зазначити, що величини коефіцієнта симетрії 0,85 - 1,0 відповідають нормальній мікроциркуляції, а коефіцієнт 0,25 - 0,1 вказує на значні патологічні зміни показників гемодинаміки в хребтових сегментах.

Математичні вирази для оцінювання функціонального стану серця внаслідок виявлення оптико-електронної системою порушення мікроциркуляції у хребетно-рухомих сегментах будуть мати такий вигляд (14-19):

У ході біомедичних досліджень виникає задача настроювання нейронечіткої мережі (рис. 7). Для настроювання параметрів цієї мережі використовуються рекурентні співвідношення, запропоновані проф. Ротш-тейном О.П. Сутність настроювання моделі полягає у підборі таких параметрів функцій належності (b-,c-) та ваг нечітких правил (w-), які забезпечують мінімум розходження між моделями та діагностичними результатами

де - дані діагностичних досліджень; b - координата максимуму; c - параметр ущільнення та розтягування.

У роботі запропоновано процедуру нормування масиву відліків вихідного сигналу та пошуку у банку еталонів найбільш відповідного еталону поточному масиву. Пошук відповідності еталона поточному масиву може проводитись з використанням кореляційних методів. Вираховується середнє робочого масиву за фрагментом розміром , з подальшим його нормуванням , при і-ому зсуненні фрагменту за робочим масивом (20)

Далі вираховується відліки кореляційної функції на даному фрагменті з її нормуванням за розміром еталону (21)

У результаті вирахувань формується масив відліку кореляційної функції. З вказаного масиву вибирається максимальний відлік, котрий приймається як коефіцієнт кореляції КК робочого масиву й еталона.

У роботі сформовано зразкові шаблони-маски на основі застосування методу вейвлет-перетворення для виявлення рівня патологій периферійної мікроциркуляції. Кожну фотоплетизмографічну функцію f простору L²(R) може бути представлено у вигляді ряду (22)

Алгоритм формування полягає у тому, що спочатку до сигналу застосовуються вейвлет-перетворення, а потім із даних перетвореного сигналу видаляються деякі коефіцієнти. До коефіцієнтів, що залишилися може бути застосовано кодування. Ущільнене зображення відтворюється шляхом декодуванням коефіцієнтів.

На рис. 8,а та 8,б наведено приклад формування зразкових шаблонів-масок для виявлення рівнів патологій периферійної мікроциркуляції.

З метою зниження чутливості до спотворень, що вносяться при формуванні біомедичних зображень, пропонуються методи представлення біомедичного зображення узагальненим W - спектром просторової звязності.

Формуються різниці коефіцієнтів W - спектрів звязності зображень, що порівнюються, до максимального порядку включно (23)

Далі порівнюють різниціз похибкою , при цьому, якщо для всіх (t)(t)_max, то зображення рівні, в іншому випадку - нерівні.

Виконано реалізація алгоритму порівняння фрагментів біомедичного зображення по W - спектрах звязності для формування шаблонів-масок біомедичних зображення, що відповідає запаленню конюнктиви ока. Приклад оброблення наведено на рис.9.

У пятому розділі запропоновано узагальнену структуру вимірювального каналу оптико-електронної системи діагностики|кошт, що наведено на рис. 10. Структура вимірювального каналу відноситься до типу схем прямого перетворення тапоказано вплив різних похибок на результат вимірювання|виміру|, які виникають в різних частинах|частках| вимірювального каналу.

Повне рівняння перетворення для вимірювального перетворювача , який працює в ІЧ-області буде мати вигляд (24)

де - коефіцієнт пропускання поляризованого фільтру у вимірювальному перетворювачі (0,5ч0,6); І - сила світла джерела випромінювання; - коефіцієнт, що характеризує проходження світла через оптичну систему (0,9 - 0,95); - відстань від джерела випромінювання до біообєкту;- відстань від біообєкту до фотосенсора; - кут падіння світла на площадку фотосенсора; - кут між нормаллю до відбивної поверхні і напрямом на відбивну площадку біотканини.

Під час розташування оптико-електронного сенсора виникає похибка встановлення, яка відноситься до випадкових похибок і зумовлена різницею у встановленні обєкта дослідження по відношенню до падаючого випромінювання. Вона має нормальний закон розподілу з нульовим математичним очікуванням, що описується виразом (25)

де - похибка встановлення зразка, - середнє квадратичне значення вказаної похибки.

Абсолютна достовірність, що представляє ймовірність правильного рішення при визначенні величини цього параметра (26)

де Р_помилк - ймовірність помилкового рішення внаслідок похибок вимірювання, що визначається сумою помилок першого () і другого () роду.

У таблиці 2 наведено порівняльну характеристику біомедичних систем та приладів для діагностики периферійного кровообігу.

У результаті проведення дослідження обчислена достовірність оптико-електронної системи складає 0,84. Таким чином достовірність оптико-електронної системи дослідження мікроциркуляції конюнктиви ока збільшилась на 10 %.

Наведено взаємозвязок біомедичних факторів при змінах мікроцир-куляції у хребетно-рухомих сегментах і гемодинамічні показники до і після терапії. При цьому коефіцієнт кореляції складає до терапії r_xy= 0.65 та після терапії r_xy= 0.7, помилка коефіцієнта кореляції,достовірність коефіцієнта кореляції, що показує на обєктивність отриманих даних при дослідженнях.

Після вертебрологічного лікування відзначено достовірне збільшення (p<0,001) амплітуди артеріального притоку (А₂), зростання (p<0,001) співвідношення артеріального притоку та венозного відтоку (А₂/А₄) на користь першого, дещо збільшувалась максимальна швидкість V_макс артеріального кровонаповнення (p>0,05), значно зростала середня швидкість V_сер повільного кровонаповнення (p<0,001). Останнє свідчить про покращення мікрогемодинаміки у тканинах головного мозку. Показники, одержані після лікування, практично, не відрізнялися від контрольних (р>0,05).Дані результатів представлено в таблиці 3.

У шостому розділі розглянуто рекомендації щодо структурного синтезу неінвазивних оптико-електронних систем та приладів діагностування периферійного кровообігу. Визначено основні вимоги щодо реалізації оптичного сенсора та системи трансформації світлового потоку. Розроблено відповідну методику та алгоритм попереднього оброблення та визначення гемодинамічних показників, а також наведено рекомендації щодо розроблення програмного-алгоритмічного забез-печення.

Розроблені оптико-електронні системи для дослідження периферійного кровообігу наведено на рис. 11, 12.

У сьомому розділі наведено результати апробації розроблених оптико-електронних технологій. Особливу практичну цінність робота набуває у медичній діагностиці, де відповідно до розроблених і впроваджених принципів і методів визначаються патології мікроциркуляції у різних ділянках, зокрема, щелепно-лицьовій області, в хребетно-рухомих сегментах, нижніх кінцівок, передньої черевної стінки.

Встановлено, що вивчення мікроциркуляторного русла за умов патології за допомогою оптико-електронного приладу дає можливість визначати гемодинамічні параметри до і після проведеного лікування. Досліджено, що шляхом впливу на біотканину оптичним випромінюванням за допомогою лазерних та фотонних технологій можно покращувати рівень мікроциркуляції периферійного кровобігу. На рис.13 представлено розроблений лазерний прилад терапевтичного впливу. В таблиці 4 наведено приклад аналізу гемодинамічних показників на основі отриманих фотоплетизмографічних сигналів.

Таблиця

Результати досліджень периферійного кровообігу