Биотехническая система многоканальных электроимпедансных исследований параметров гемодинамики головного мозга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Астапенко, Елена Михайловна

• Астапенко, Елена Михайловна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Астапенко, Елена Михайловна

Введение.

1. Медико-технические предпосылки к разработке многоканальных систем диагностики функционального состояния головного мозга.

1.1. Клинические формы нарушения мозгового кровообращения.

1.2. Анатомическое строение головного мозга.

1.3. Анализ существующих методов исследования головного мозга.

1.4. Исследование кровообращения отделов головного мозга методом РЭГ.

1.5. Биотехнические принципы разработки многоканальных систем диагностики функционального состояния головного мозга на основе импедансных и электроэнцефалографических исследований.

1.6. Выводы к главе.

2. Разработка аппаратных средств для проведения многоканальных исследований гемодинамики головного мозга.

2.1. Цели и задачи исследований и разработок.

2.2. Аппаратные средства для проведения многоканальных исследований гемодинамики головного мозга.

2.3. Разработка системы электродов для многоканальной регистрации РЭГ-сигналов.

2.3.1. Разработка системы РЭГ-отведений для проведения многоканальных электроимпе-дансных исследований.

2.3.2. Разработка конструкции электродного шлема для проведения многоканальных РЭГ-исследований.

2.3.3. Разработка конструкции РЭГ-электродов.

2.3.4. Обоснование параметров электродных систем с помощью трехслойной сферической глубинной модели области зондирования.

2.4. Выводы к главе.

3. Разработка методики анализа многоканальных реоэнцефалографических сигналов.

3.1. Цели и задачи исследований и разработок.

3.2. Формирование классификации РЭГ-циклов.

3.3. Обоснование классифицикации РЭГ-циклов с точки зрения биомеханики мозгового кровообращения.

3.4. Определение информативных гемодинамических показателей мозгового кровообращения.

3.4.1. Определение вектора состояния.

3.4.2. Показатель количества переходов между преобладающими видами формы или типами РЭГ-циклов КПрэг.

3.4.3. Параметр «миграция РЭГ-циклов».

3.5. Разработка алгоритмов анализа многоканальных РЭГ-сигналов.

3.5.1. Разработка алгоритма контурного анализа РЭГ-сигнала.

3.5.2. Разработка алгоритмов классификации РЭГ-циклов.

3.5.3. Разработка алгоритмов определения информативных параметров РЭГ-сигналов.

3.6. Разработка программного обеспечения для анализа многоканальных РЭГ-сигналов.

3.7. Выводы к главе.

4. Апробация методики анализа гемодинамики головного мозга.

4.1. Цели и задачи исследований.

4.2. Методы и средства диагностики в проводимых исследованиях.

4.3. Формирование групп иследований.

4.4. Исследование параметров кровенаполнения отделов головного мозга.

4.4.1. Исследование параметров кровенаполнения головного мозга здоровых добровольцев.

4.4.2. Исследование параметров кровенаполнения головного мозга у пациентов с острыми нарушениями мозгового кровообращения по ишемическому типу.

4.4.3. Исследование параметров кровенаполнения головного мозга у пациентов с дисциркуляторной энцефалопатией.

4.4.4. Исследование параметра «миграция РЭГ-циклов» у здоровых добровольцев и пациентов с нарушениями мозгового кровообращения.

4.5. Оценка информативности диагностических показателей и предложенной методики анализа гемодинамики головного мозга.

4.6. Анализ результатов исследований.

4.7. Выводы к главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биотехническая система многоканальных электроимпедансных исследований параметров гемодинамики головного мозга»

В настоящее время в медицинской практике особое внимание уделяется неинвазивным методам исследования сердечно-сосудистой системы, что связано с ростом числа сосудистых заболеваний, в том числе сосудов головного мозга. Оценка параметров гемодинамики головного мозга является актуальной в силу большой распространенности церебральной сосудистой патологии, омоложения контингента больных, тяжелых последствий, часто приводящих к инвалидности, высокой летальности.

Исследования нарушений мозгового кровообращения начались с середины XX века. Существенный вклад в развитие методов исследования гемодинамики головного мозга внесли Москаленко Ю.Е., Ронкин М.Я., Яруллин Х.Х., Эниня Г.И. и др., что позволило внедрить их в клиническую практику для оценки состояния церебральной гемодинамики при сосудистых заболеваниях, опухолях и травмах.

Нарушения мозгового кровообращения классифицируются на начальные (ранние) признаки недостаточности мозгового кровообращения, острые нарушения мозгового кровообращения, медленно прогрессирующие нарушения кровоснабжения мозга и последствия ранее перенесенного инсульта. К ОНМК относятся: преходящие нарушения мозгового кровообращения, острая гипертоническая энцефалопатия и инсульты [46]. Среди общей смертности в России сердечно-сосудистые заболевания составляют 57 %, происходит около 400 тысяч инсультов в год. По данным службы скорой помощи, в Москве за последние годы регистрируется от 70 до 100 инсультов в день.

Среди наиболее часто встречающихся причин острых нарушений мозгового кровообращения можно выделить эмболию, тромбоз, поражение мелких внутричерепных артерий и кардиогенную эмболию из тромба. При этом в клинической практике первичная диагностика ОНМК проводится с помощью компьютерной рентгеновской и магнитно-резонансной томографии. На практике в ряде случаев данные методы могут быть неэффективны, что требует проведения дополнительных исследований гемодинамики головного мозга. В качестве подобных методов исследования применяют ультразвуковую допплерографию и реоэнцефалографию. В отличие от метода реоэнцефалографии, недостатками ультразвуковой допплерографии является невозможность ее применения в качестве многоканального и мониторного метода.

Важной задачей в данной области представляется применение многоканальных систем, расширяющих возможности исследования регионарного церебрального кровообращения, позволяющих исследовать перераспределение крови между бассейнами внутренней сонной, наружной сонной и позвоночной артерий, оценивать показатели их сосудистого тонуса, сравнивать гемодинамические сдвиги, происходящие в одно и то же время в нескольких областях мозга. К методам функциональной диагностики головного мозга, помимо исследования гемодинамики, относятся исследования электрической активности и спектрофотометрические методы. Совместное использование этих методов для оценки параметров головного мозга позволяет выявить зависимость между уровнем кровоснабжения головного мозга и его функциональным состоянием и оценить компенсаторные возможности сосудистой системы мозга.

В настоящее время для оценки параметров кровообращения головного мозга в клинической практике используют 4-х и 6-тиканальные системы. Для возможности одновременной регистрации сигналов кровенаполнения и оценки гемодинамических сдвигов в 4 долях головного мозга: лобной, височной, теменной и затылочной - требуется регистрировать не менее 8 каналов одновременно, что делает актуальным разработку требований к многоканальной БТС. Поэтому в данной работе предлагается методика многоканальной регистрации до 10 реоэнцефалографических сигналов, которая охватывает артериальные бассейны кровоснабжения головного мозга его четырех долей.

Для проведения анализа одновременно зарегистрированных РЭГ-сигналов требуется разработать классификацию РЭГ-циклов. Классификация реоэнцефалографических сигналов введена Х.Х. Яруллиным и включала 5 типов РЭГ-циклов [66]. Анализ РЭГ-сигналов с помощью компьютерных реографических систем показал, что известные регистрируемые сигналы невозможно однозначно описать с помощью классификации Х.Х. Яруллина, в связи с чем предложено классифицировать реоэнцефалографические сигналы на основании контурного анализа, и выделено 6 видов формы РЭГ-циклов.

Предлагаемая технология анализа РЭГ-сигналов основана на классификации РЭГ-циклов по 6 видам формы по контурной классификации. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить одновременную обработку до 10 РЭГ-сигналов согласно предложенной классификации и типам сосудистого тонуса.

Исходя из вышесказанного, актуальность работы определяется:

1) ростом сосудистых заболеваний, связанных с нарушением мозгового кровообращения;

2) необходимостью создания многоканальной методики анализа состояния сосудов головного мозга.

Основной целью работы является повышение информативности диагностики состояния артериальной системы головного мозга за счет разработки аппаратно-программного комплекса многоканальной реоэнцефалографии.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1) Создание методики многоканальной неинвазивной диагностики состояния артериальной системы головного мозга.

2) Разработка и создание системы реоэнцефалографических отведений, конструкций электродов и систем их фиксации с учетом анатомического строения головного мозга.

-93) Исследование и разработка методов классификации сигналов церебральной гемодинамики.

4) Создание и апробация технологии анализа информативных параметров реоэнцефалографических сигналов, оптимизированной применительно к задачам диагностики нарушений церебральной гемодинамики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) На основании проведенных исследований реоэнцефалографических сигналов и установленных количественных критериев, позволяющих алгоритмически интерпретировать РЭГ-циклы, предложена классификация РЭГ-циклов по шести видам формы.

2) В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлены количественные критерии соответствия шести видов формы РЭГ-циклов трем состояниям сосудистого тонуса.

3) На основе медико-технических исследований предложена и реализована система 10 реоэнцефалографических отведений, учитывающая топологию основных артерий головного мозга, индивидуальные различия размеров и формы головы обследуемого.

4) Показано, что использование в клинической практике разработанной методики анализа многоканальных реоэнцефалографических сигналов с помощью преобладающих видов формы и типов сосудистого тонуса РЭГ-циклов позволяет достоверно выявлять нарушения мозгового кровообращения.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке методов диагностики состояния кровеносной системы головного мозга, а именно:

1) Разработана новая классификация реоэнцефалографических циклов на основе контурного анализа, позволяющая выявить изменения гемодинамики головного мозга.

- 102) Предложена система отведений, включающая конструкцию электродов и элементы их крепления, для проведения многоканальных реоэнцефалографических исследований.

3) Разработано программное обеспечение для обработки реоэнцефалографических сигналов, позволяющее проводить их анализ по предложенной классификации и расчет информативных реографических параметров церебральной гемодинамики.

Работа выполнена на базе кафедры Медико-технических информационных технологий МГТУ им. Н.Э.Баумана, неврологических отделений №12 и №13, отделения функциональной диагностики №47 ГКБ №1 им. Н.И. Пирогова.

Положения, выносимые на защиту:

1) Классификация РЭГ-циклов по шести видам формы, позволяющая интерпретировать РЭГ-циклы в норме и при патологии.

2) Система 10 реоэнцефалографических отведений для проведения многоканальных исследований параметров церебральной гемодинамики, учитывающая топологию основных артерий головного мозга.

3) Технология анализа информативных параметров реоэнцефалографических сигналов, позволяющая установить локализацию нарушений мозгового кровообращения.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Астапенко, Елена Михайловна

- 112-Общие выводы

1) Разработана биотехническая система диагностики функционального состояния головного мозга на основе многоканальных импедансных и электроэнцефалографических исследований.

2) Предложена система отведений, включающая конструкцию электродов и элементы их крепления, для регистрации многоканальных реоэнцефалографических сигналов.

3) В результате проведенного моделирования электродных систем для исследования гемодинамики головного мозга определены их параметры при проведении многоканальных реоэнцефалографических исследований.

4) Установлены количественные критерии, позволяющие классифицировать РЭГ-циклы. Показано, что известные РЭГ-циклы допустимо описать шестью видами формы.

5) Установлено соответствие между шестью видами формы РЭГ-циклов и тремя типами сосудистого тонуса. Определены количественные критерии принадлежности текущего РЭГ-цикла к состояниям сосудистого тонуса.

6) Разработаны программно-алгоритмические средства и специализированное программное обеспечение для анализа многоканальных реоэнцефалограмм по предложенной классификации.

7) Предложена методика многоканальной неинвазивной диагностики головного мозга, позволяющая установить локализацию нарушений мозгового кровообращения с использованием преобладающих видов формы РЭГ-циклов и типов сосудистого тонуса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Астапенко, Елена Михайловна, 2012 год

1. Архангельский А. Я. Программирование в Delphi 7. М.: ООО «Бином-Пресс», 2005. - 1152 е.: ил.

2. Исследование параметров гемодинамики головного мозга с помощью многоканальной реоэнцефалографии / Е.М. Астапенко и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. - №10. - С.33-38.

3. Метод анализа многоканальных реоэнцефалографических сигналов /Е.М.Астапенко и др. //Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. -№5. - С.9-14.

4. Методика анализа многоканальных реоэнцефалографических сигналов / Е.М. Астапенко и др. // Медико-технические технологии на страже здоровья: Сб. трудов XIII МНТК. О. Майорка, 25 сентября 02 октября 2011 г.-М., 2011.-С. 10-11.

5. Волченкова О.В. Электромагнитное поле низкой частоты и интенсивности в лечении больных с инфарктом головного мозга в острый период течения заболевания: Дис. . канд. мед. наук. Москва, 2004. -137 с.

6. Герасимов Е.М. Вены головы, шеи и наружного основания черепа как пути оттока крови от головы и из полости черепа (анатомические исследования). Оренбург: ООО «Центр пром. медицины», 2002. - 395 с.

7. Гланц С. Медико-биологическая статистика. М.: Практика, 1998. -459 с.

8. ГОСТ 13765-86. Пружины винтовые сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Обозначение параметров, методика определения размеров. М., 1999. - 15 с.

9. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979. - 684 с.

10. Заболотских Н.В. Реакции системного и мозгового кровообращения у лиц с различными типами регуляции гемодинамики: Автореферат дис. . докт. мед. наук. Краснодар, 2008. - 42 с.

11. Заборовский А.И. Электроразведка. М.: Гостоптехиздат, 1963. -424 с.

12. Зенков Л. Р. Клиническая электроэнцефалография (с элементами эпилептологии). М.: МЕД-пресс-информ, 2001. - 368 с.

13. Иванов Л. Б., Макаров В. А. Лекции по клинической реографии. М.: АОЗТ "Антидор", 2000. - 320 е.: ил.

14. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы / Под ред. Т.С. Виноградовой. М.: Медицина, 1986. - 416с.

15. Механика кровообращения / К. Каро и др. М.: Мир, 1981. - 624 с.

16. Кисляков Ю.Я. Математическое моделирование кровообращения и газообмена в мозге. Л.: Наука, 1975. - 130 с.

17. Клиническая реография / Под ред. В.Г. Шершнева. Киев: Здоров'я, 1977.-168с.

18. Клоссовский Б.Н. Циркуляция крови в мозгу. М., 1951. - 356 с.

19. Комплекс реографический «Рео-Спектр»: Методические указания. -Иваново: ООО «Нейрософт», 2006. 144 с.

20. Комплекс реографический «Рео-Спектр»: Руководство по эксплуатации. Иваново: ООО «Нейрософт», 2006. - 65 с.

21. Ультразвуковые и нейрофизиологические методы исследования в клинической практике: Методическое пособие / В.А. Кутин и др. -Иваново: ГОУ ВПО ИвГМА Росздрава , 2007. 75 с.

22. Левтов В.А., Регирер С.А., Шадрина Н.Х. Реология крови. М.: Медицина, 1982. - 267 с.

23. Лелюк В.Г., Лелюк С.Э. Ультразвуковая ангиология. М.: Изд. Реальное время, 2003. - 324 с.

24. Лищук В.А. Математическая теория кровообращения. М.: Медицина, 1991.-256 с.

25. Лощилов В. И., Щукин С. И. Принципы анализа и синтеза биотехнических систем. М.: МВТУ, 1987. - 68 с.

26. Лужнов П.В. Разработка компьютерной системы для биосинхронизированного электромагнитного воздействия: Дис. . канд. техн. наук. Москва, 2005. - 141 с.

27. Лужнов П.В., Шамкина Л.А., Астапенко Е.М. Особенности измерения артериального и венозного регионарного давления при оценке эффективности терапии //Биомедицинская радиоэлектроника. 2008. -№10. - С.21-26.

28. Лукшин В.А. Математическое моделирование церебральной гемодинамики: Дис. . канд. физ.-мат. наук. Москва, 2003. - 132 с.

29. Мартынов А.И., Зинкин Г.Г. К вопросу о РЭГ и оценка некоторых критериев кровенаполнения и тонуса мозговых сосудов // Кардиология. -1969.-№10.-С. 93-104.-11635. Медицинская реабилитация / Под ред. В.М. Боголюбова. М., 2010. -424 с.

30. Медицинские приборы. Разработка и применение. М.: Медицинская книга, 2004. - 720 е.: ил.

31. Методы визуализации и контроля организма и его систем / Под ред. В.А. Солодкого, P.A. Ставицкого. М.: «ГАРТ», 2009. - 352 с.

32. Науменко А.И., Скотников В.В. Основы электроплетизмографии. Л.: Медицина, 1975.-215с.

33. Огарев М.И. Оценка центральной и регионарной гемодинамики у юношей с разным профилем функциональной межполушарной асимметрии, регулярно занимающихся физической культурой: Автореферат дис. . канд. биол. наук. Ростов-на-Дону, 2005. - 24 с.

34. Орлов Ю.Н. Электроды для измерения биоэлектрических потенциалов: Учебное пособие /Под ред. С.И.Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 224 е.: ил.

35. Палеев Н.Р., Каевицер И.М. Атлас гемодинамических исследований в клинике внутренних болезней (бескровные методы). М.: Медицина, 1975.-239 с.

36. Парашин В.Б., Иткин Г.П. Биомеханика кровообращения: Учебное пособие / Под ред. С.И.Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.-224 е.: ил.

37. Полищук В.И., Терехова Л.Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии. М.: Медицина, 1983. - 176с.

38. Прессман Л.П. Клиническая сфигмография. М.: Медицина, 1974. -128 с.

39. Прессман Л.П. Кровяное давление и сосудистый тонус в физиологии и патологии кровообращения. М.: Медиз, 1952. - 196 с.

40. Принципы диагностики и лечения больных с острыми нарушениями мозгового кровообращения: Методические рекомендации МЗ РФ. М., 2000,- 16 с.- 11747. Программное обеспечение «Рео-Спектр»: Руководство пользователя. -Иваново: ООО «Нейрософт», 2006. 131 с.

41. Регигер С.А., Шадрина Н.Х., Левтов В.А. Реология крови. М.: Медицина, 1982. - 272 с.

42. Ройтберг Г.Е., Струтынский A.B. Внутренние болезни. Лабораторная и инструментальная диагностика: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МЕДпрессинформ, 2011. - 800 е.: ил.

43. Ронкин М.А., Иванов Л.Б. Реография в клинической практике. М.: 1997.-403 с.

44. Савицкий H.H. Биофизические основы кровообращения и клинические основы изучения гемодинамики. Л.: Медицина, 1974. - 311 с.

45. Самусев Р. П., Липченко В.Я. Атлас анатомии человека. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Мир и Образование», 2002. - 544 с.

46. Сапин М. Р. Анатомия человека. В 2 кн.: Учебник. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Мир и Образование», 2002.

47. Сафонова Л.П. Спектрофотометрия в функциональной диагностике: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 67 е.: ил.

48. Сергеев И.К. Модульная многоканальная система регистрации импедансных сигналов: архитектура, топология, схемотехника: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007. - 47 с.

49. Скоморохов A.A. Комплексная оценка функционального состояния ЦНС при некоторых нарушениях мозгового кровообращения: Дис. . канд. биол. наук. Ростов-на-Дону, 2006. - 162 с.

50. Ультразвуковая допплеровская диагностика в клинике / Под ред. Ю.М. Никитина, А.И. Труханова. Иваново: МИК, 2004. - 496 е.: ил.

51. Фаронов В. В. Delphi. Программирование на языке высокого уровня: Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2004. - 640 е.: ил.

52. Флейшман А.Н. Медленные колебания гемодинамики. Новосибирск: Наука, 1999.-264с.

53. Фролов Д.Н. Структурный подход к классификации реоэнцефалограмм // Автометрия. 1981. - №4. - С. 132-136.

54. Чухрова В.А. Функциональная электроэнцефалография при поражении магистральных сосудов головы. М.: Медицина, 1973. - 174 с.

55. Шамкина JI.A. Биотехническая система электромагнитной терапии нарушений кровообращения нижних конечностей: Дис. . канд. техн. наук. Москва, 2009. - 149 с.

56. Эниня Г.И. Реография как метод оценки мозгового кровообращения. -Рига: Знание, 1973. 123 с.

57. Яруллин X. X. Клиническая реоэнцефалография. Л.: Медицина, 1967.-276 с.

58. Astapenko Е.М., Luzhnov P.V. Features of joint brain electric activity and hemodynamics research // Proceedings of the 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering. Moscow, 2008. - P. 304-308.

59. Bayliss L.E. The rheology of blood // Handbook of Physiology, Sect. 2. Circulation. Washington, 1962.-V. l.-P. 137-150.

60. Burton A.C. Physiology and biophysics of the circulation. Chicago, 1965.-217 p.

61. Clay Т.Е., Ferree T.C. Weighted Regularization in Electrical Impedance Tomography With Applications to Acute Cerebral Stroke // IEEE Transactions on Medical Images. 2002. - V. 21, №6. - P. 629-637.

62. Kanzow E., Dieckhoff D. On the location of vascular resistance in the cerebral circulation // Cerebral blood flow: Clinical and experimental results. -1969.-P. 96-97.

63. Symon L. An experimental study of traumatic cerebral spasm // J. Neurol, a. Neurosurg. Phychiat. 1967. - V. 30. - P. 497-505.