Исследование и разработка методов повышения эффективности мониторирования скорости кровотока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Рябоконь, Александр Сергеевич

• Рябоконь, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рябоконь, Александр Сергеевич

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МОНИТОРИРОВАНИЕ КРОВОТОКА В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ И В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1 Неинвазивное мониторирование кровотока в настоящее время и в перспективе.

1.2 Акустические и физиологические особенности ультразвукового исследования кровотока.

1.3 Воздействие ультразвукового излучения на человека.

1.4 Режимы измерения скорости кровотока на основе эффекта Доплера.

1.5 Совместное измерение скорости кровотока и диаметра сосудов.

1.6 Методы коррекции угла инсонации.

1.7 Структура ультразвуковых доплерографов.

1.8 Элементная база ультразвуковых доплерографов.

1.9 Ультразвуковые пьезоэлектрические датчики в доплерографии.

Выводы.

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ МОНИТОРИРОВАНИИ СКОРОСТИ КРОВОТОКА.

2.1 Метод повышения безопасности ультразвукового мониторирования скорости кровотока.

2.1.1 Ограничения средней электрической мощности, подводимой к датчику.

2.1.2 Ограничения глубины инсонации.

2.1.3 Ограничения амплитуды выходного напряжения и средней выходной мощности формирователя сигнала возбуждения.

2.2 Метод повышения достоверности измерений при мониторировании скорости кровотока.

2.2.1 Минимизация ошибки измерения скорости кровотока.

2.2.2 Минимизация ошибки измерений диаметра сосуда.

2.2.3 Оценка инструментальной ошибки измерений.

2.2.4 Показатель для оценки достоверности измерений при мониторировании скорости кровотока.

Выводы.

ГЛАВА 3 ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИЙ МОБИЛЬНОГО МОНИТОРА СКОРОСТИ КРОВОТОКА.

3.1 Критерии эффективности.

3.2 Показатель эффективности приемного тракта.

3.3 Показатель эффективности передающего тракта.

3.4 Интегральный показатель эффективности вариантов реализации мобильного монитора скорости кровотока.

3.5 Способы эффективной реализации одноканальпого и многоканального вариантов мобильного монитора скорости кровотока.

3.5.1 Конфигурации ультразвуковых датчиков.

3.5.2 Подсистема управления и обработки сигналов и приемо-передающий тракт.

Выводы.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ ОДНОКАНАЛЬПОГО ВАРИАНТА МОБИЛЬНОГО МОНИТОРА СКОРОСТИ КРОВОТОКА.

4.1 Детализация задач экспериментального исследования.

4.2 Разработка экспериментального образца мобильного монитора скорости кровотока в сосудах человека.

4.2.1 Разработка макета приемо-передающего тракта.

4.2.2 Разработка подсистемы питания.

4.2.3 Разработка модуля управления.

4.3 Проведение модельного эксперимента с использованием экспериментального ультразвукового пьезодатчика и модели объекта инсонации.

4.3.1 Разработка модели объекта инсонации.

4.3.2 Определение рабочих параметров экспериментального датчика.

4.3.3 Испытания экспериментального образца мобильного монитора скорости кровотока.

Выводы.

ГЛАВА 5 МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ МОБИЛЬНОГО МОНИТОРА

СКОРОСТИ КРОВОТОКА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов повышения эффективности мониторирования скорости кровотока»

Известно, что метод мониторирования, успешно используемый в кардиографии и исследованиях артериального давления, позволяет выявлять степень вариабельности исследуемых параметров на фоне деятельности пациента в течение длительного интервала времени. Отсутствие эффективных средств неинвазивного ультразвукового мониторирования центрального и периферического кровотока в значительной мере затрудняет исследование взаимосвязей гемодинамических параметров в динамике развития реакций в сердечно-сосудистой системе человека [23, с.430; 56, с.591]. В результате существенно ограничиваются возможности совершенствования гемодииамических моделей. За последние годы интерес исследователей к изучению гемодинамических процессов привел к созданию многочисленных частных моделей [13; 93; 103; 119], учитывающих некоторые особенности гемодинамики в определенном диапазоне значений параметров, либо влияние на гемодинамику отдельных частных факторов.

При этом, с точки зрения медицинской практики значительный интерес представляет повышение эффективности диагностики сердечно-сосудистых заболеваний у населения. Так, в областной долгосрочной программе «Развитие здравоохранения Ростовской области на 2010 - 2014 годы» [25] отмечается, что основная причина смертности в Российской Федерации и во многих странах мира по-прежнему связана с сердечно-сосудистыми заболеваниями. И в этой связи, особое внимание уделяется мероприятиям по их предупреждению и раннему выявлению, чему, наряду с другими диагностическими методами, в значительной степени способствует применение мониторирования.

Стационарное мопиторирование кровотока вошло в медицинскую практику еще в начале 80-х годов прошлого века, где применялось в исследованиях транскраниального кровотока. Однако, и сегодня его применение по-прежнему ограничивается областью цереброваскулярных исследований, и существующие в настоящее время стационарные транскраниальные мониторы не способны выполнять мопиторирование центрального или периферического кровотока в условиях свободной активности пациента. Аналогично, не способны выполнять мопиторирование и широко распространенные доплеровские измерители скорости кровотока, предназначенные для непродолжительных измерений и требующие непрерывного участия оператора, ответственного за обеспечение безопасности и достоверности измерений.

Проблема безопасности медицинского ультразвукового излучения активно исследовалась в 70-х - 90-х годах прошлого столетия, и результатом обширных исследований явилось принятие в качестве стандарта граничных значений акустических параметров, характеризующих безопасное излучение низкой интенсивности [10]. Тем не менее, при кратковременных исследованиях допускаются более высокие интенсивности, и как показано в работе Nelson и др. [148], в практических исследованиях используются величины, в несколько раз превышающие порог безопасного излучения. Но, если при кратковременных ультразвуковых исследованиях нежелательное действие ультразвука повышенной интенсивности оказывается слабо выраженным, то при мониторировании кровотока повышенные интенсивности недопустимы, поэтому соблюдение условий безопасности и достоверности измерений в случае мониторирования должно обеспечиваться непосредственно самими средствами измерений.

Таким образом, становится очевидной необходимость повышения эффективности мониторирования скорости кровотока. При этом под эффективностью понимается обеспечение безопасности и достоверности измерений при мониторировании скорости кровотока с возможностью свободного движения пациента. И в связи с этим особое значение приобретает также задача эффективной аппаратной реализации мобильного доплеровского монитора с автономным питапием. Однако, как известно, построение оптимальной архитектуры конкретного ультразвукового устройства представляет собой сложную научную и инженерную проблему, решением которой в последние годы активно занимаются зарубежные исследователи. В частности, рассматриваются проблемы распределения ресурсов ПЛИС и ЦСП в задачах демодуляции и вычисления доплеровского спектра [108; 134; 149]; применения интегрального решения на базе ПЛИС в задачах демодуляции и вычисления доплеровского спектра [83; 128]; применения систем на кристалле и ПЛИС для реализации интегрального приемо-передающего тракта совместно с демодулятором и формирователем луча [98; 101]; построения интегрального преобразователя питания высокого напряжения [84].

Таким образом, целыо настоящего исследования является повышение эффективности мониторирования скорости кровотока, когда в течение продолжительного времени обеспечиваются безопасность и достоверность измерений в условиях свободной активности пациента. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Определение граничных условий для параметров излучения и разработка метода повышения безопасности ультразвукового мониторирования.

2. Определение условий излучения, при которых обеспечивается минимальная ошибка измерений скорости кровотока и диаметра сосуда, а также разработка показателя для оценки достоверности результатов измерений и метода повышения достоверности измерений.

3. Определение критериев оценки эффективности реализаций мобильного монитора скорости кровотока и разработка способов эффективной реализации мобильного монитора скорости кровотока.

4. Экспериментальная проверка применимости способа эффективной реализации одноканального варианта мобильного монитора скорости кровотока.

5. Разработка методики построения ультразвукового мобильного монитора скорости кровотока.

Достоверность исследования подтверждена полученными при проведении моделирования результатами, их согласованностью с известными из литературы данными, а также результатами испытаний экспериментального образца мобильного монитора скорости кровотока.

Научная новизна диссертации характеризуется следующими результатами:

1. Выявлены ограничения максимальной глубины инсонации и максимальной амплитуды напряжения возбуждения пьезодатчика, обеспечивающие однозначность измерений и безопасность ультразвукового мониторировапия скорости кровотока.

2. Получен модифицированный индекс спектрального расширения, предназначенный для оценки достоверности измерений при мониторировании скорости кровотока.

3. Предложены критерии оценки эффективности реализации мобильного монитора скорости кровотока.

Практическая значимость настоящей работы обусловлена следующими результатами:

1. Разработан алгоритм функционирования экспериментального образца мобильного монитора скорости кровотока.

2. Разработана методика построения мобильного монитора скорости кровотока, для которой параметры ультразвукового датчика являются основными исходными данными.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод повышения безопасности ультразвукового мониторирования скорости кровотока.

2. Метод повышения достоверности измерений скорости кровотока.

3. Критерии оценки эффективности и способы эффективной реализации мобильного монитора скорости кровотока.

Структура и содержание диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 168 наименований, и приложений. Содержание работы изложено на 156 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 15 таблиц.

В первой главе настоящей работы рассмотрены перспективы применения неинвазивных методов при построении гемодинамических моделей, в результате чего сформулирована актуальность и практическая значимость настоящего исследования. В результате рассмотрения и обобщения современных данных об акустических, физиологических и технических аспектах ультразвуковых доплеровских исследований и анализа возможностей повышения эффективности мониторирования кровотока были сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты исследования и разработки методов повышения безопасности и достоверности доплеровского мониторирования скорости кровотока. В ходе моделирования выполнена проверка полученных теоретических заключений, показавшая согласованность результатов моделирования с имеющимися литературными данными. В результате, получены дополнительные ограничения максимально допустимой глубины инсонации и предложен модифицированный индекс спектрального расширения для оценки достоверности измерений. В выводах сформулированы ключевые особенности предложенных методов повышения безопасности и достоверности мониторирования скорости кровотока.

Третья глава посвящена исследованию, целью которого является разработка способов эффективной реализации мобильного монитора скорости кровотока. В качестве критериев эффективности были предложены энергоэффективность, степень интеграции и количество каналов приемопередатчика. Для общего сравнения эффективности вариантов реализации разработан интегральный показатель эффективности, учитывающий прирост производительности на фоне общих затрат потребления и площади. По результатам сравнения выделены два варианта эффективной реализации мобильного монитора скорости кровотока: однокаиальный и восьмиканальный. Рассмотрены конфигурации одноэлементных и многоэлементных датчиков, обеспечивающие удовлетворение критериям эффективности, а также распределение задач формирования луча и обработки сигналов для различных типов вычислительных средств. В выводах сформулированы ключевые особенности способов эффективной реализации мобильного монитора скорости кровотока.

Четвертая глава посвящена экспериментальному изучению возможностей практического применения способа эффективной реализации одноканального варианта ультразвукового мобильного монитора скорости кровотока в сосудах человека. Были сформулированы критерии оценки практической применимости принципов построения мобильного монитора скорости кровотока в сосудах человека. Разработана структурная схема макета приемо-передающего тракта мобильного монитора скорости кровотока и, в ходе испытаний, проведена проверка функционирования макета приемопередающего тракта. Разработан экспериментальный образец мобильного монитора скорости кровотока, в состав которого входят макет приемопередающего тракта и модуль управления на базе микроконтроллера общего назначения с ядром ARM, а также разработан алгоритм функционирования прибора. Проведены модельные эксперименты с целью определения характеристик экспериментального ультразвукового пьезодатчика и испытания экспериментального образца прибора, подтвердившие возможность практического применения способа эффективной реализации одноканального варианта мобильного монитора скорости кровотока.

В пятой главе рассматривается создание методики построения ультразвукового мобильного монитора скорости кровотока. Определен перечень исходных параметров, необходимых для выполнения последовательности действий методики, включая параметры датчика. Показан характер индивидуального и группового влияния исходных параметров на выбор реализации и характеристики прибора. Разработана последовательность действий и блок-схема алгоритма методики, основывающаяся на сформулированном перечне исходных данных.

В заключении кратко формулируются основные результаты и выводы настоящего исследования.

В приложении А приводятся табличные данные, использованные при сравнении вариантов реализации мобильного монитора скорости кровотока. В приложение Б включены сведения о практическом применения результатов исследования.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Рябоконь, Александр Сергеевич

Выводы

1. Определен перечень исходных параметров, включая заданные параметры датчика, которые необходимы для выполнения последовательности действий методики.

2. Определен характер индивидуального и группового влияния исходных параметров на конечные характеристики прибора.

3. С учетом разработанных методов повышения эффективности монигорирования скорости кровотока разработана последовательность действий методики построения мобильного монитора скорости кровотока и блок-схема соответствующего алгоритма, основанная на определенном ранее перечне исходных данных.