Исследование принципов построения фотоплетизмографов с целью разработки современных методов оперативной обработки информации при контроле периферического кровообращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Егозин, Дориан Леонардович

• Егозин, Дориан Леонардович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Егозин, Дориан Леонардович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ методов изучения переферического кровообращения биологических объектов.

1.1. Специфические особенности исследований биологических объектов.

1.2. Методы и приборы для исследования периферического кровообращения в тканях человека.

1 2.1. Биомикроскопический метод.

1.2.2. Метод микрокинематографии.

1.2.3. Метод фотоэлектрической микроплетизмографии.

1.2.4. Плетизмографический метод.,.

1.2.4.1. Географический метод.

1.2.4.1. Фотоплетизмографический метод.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2 Исследование оптических характеристик тканей человека.

2.1. Основные оптические характеристики тканей человека.

2.1.1. Влияние состава крови на оптические характеристики тканей человека.

2.2. Обоснование выбора длины волны света для проведения исследования кровенаполнения сосудов.

2.3. Методы для измерений спектральных коэффициентов попускания и отражения оптического излучения тканями человека.

2.3.1. Определениея коэффициента пропускания.

2.3.2. Определение индикатрисы рассеяния биологической ткани.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. Исследование принципов построения оптико-электронных систем для анализа параметров периферического кровообращения.

3.1. Принципы построения оптико-электронных систем для исследования биологических тканей.

3.1.1. Оптическая система фотоплетизмографа.

3.1.2. Определение мощности лучистого потока и тип излучателя.

3.1.2. Требования к приемнику оптической энергии.

3.1.3. Требования к излучателю оптической энергии.

3.1.4. Модуляция.

3.2. Калибровка фотоплетизмограмм.

3.3. Выводы.:.

ГЛАВА 4. Исследование параметров периферического кровообращения с применением оксиметра.

4.1, Принцип действия ОЭП - оксиметра.

4.2. Описание структурной схемы.

4J. О возможности использования оксиметра в качестве фотоплетизмографа.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Методика экспериментальных исследований ФПУ.

5.2. Результаты клинических исследований макетного образца фотоплетизмографической установки.

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование принципов построения фотоплетизмографов с целью разработки современных методов оперативной обработки информации при контроле периферического кровообращения»

В последнее десятилетие в развитых странах наблюдается повышенный интерес к инструментальным методам бескровного (неинвазивного) измерения параметров систем организма.

На новом направлении прогресс в основном связан с теми методами, которые позволяют неивазивно оценивать степень жизнеспособности тканей, органов и систем организма, К ним относятся методы измерения параметров сердечно-сосудистой системы организма - именно параметров, а не соответствующих сигналов, которые потенциально несут в себе нужную информацию, но не прошли программно-алгоритмической обработки.

В настоящее время в арсенале медицины имеются разнообразные методы и аппаратура с помощью которых проводятся исследования состояния периферического кровообращения в тканях. Фотоплетизмографический метод (ФМ) наиболее полно отвечает указанным выше целям.

Данный метод позволяет разработать и применять бесконтактные датчики, что исключает сдавливание сосудов и таким образом направленно на предотвращение нарушения кровообращения в исследуемом участке тканей. Кроме того, фотоплетизмографический метод позволяет проводить исследования бесконтактным методом как в проходящем, так и в отраженном свете, поэтому применение его в практике весьма перспективно.

Результаты обширных исследований биофизических основ Фотоплетизмографического метода, убедительно показывают возможность проведения оценки ряда основных параметров гемодинамики в биологических тканях с помощью данного метода. Однако широкое использование его сдерживается не оперативностью обработки получаемой информации, а также отсутствием метрологического обеспечения, гарантирующего единство и достоверность фотоплетизмографических измерений.

В связи со сказанным разработка методики комплексного исследования спектральных характеристик биологических тканей и качественно новых методов измерения основных параметров гемодинамики этих тканей, а также создание на их основе измерительных приборов, сочетающих в себе достаточную точность и достоверность проводимых измерений, представляет собой актуальную задачу и имеет практическую ценность.

Решение указанных вопросов составило цель нашего исследования, а именно: исследование и разработка принципов построения оптико-электронной аппаратуры для излучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях; исследование и разработка средств сопряжения фотоплетизмографического оборудования с компьютером для последующей математической обработки сигнала; внедрение результатов исследований по разработке фотоплетизмографического метода и аппаратуры в медицинскую практику с целью повышения оценки эффективности диагностики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- Провести анализ методов и аппаратуры, применяемых для изучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях;

- Провести анализ спектральных характеристик биологических тканей и на этой основе сформулировать требования к спектральным характеристикам источника лучистой энергии (ИЛЭ) и к фотоприемнику;

На основе теоретико-экспериментальных исследований разработать рекомендации по созданию фотоплетизмографической установки для изучения периферического кровообращения в тканях БО;

- Разработать устройство сопряжения фотоплетизмографической установки с компьютером и разработать алгоритм первичной обработки оцифрованных данных;

- Исследовать эффективность оптико-электронных устройств, предназначенных для исследования периферического кровообращения(ПКО) в тканях биологического объекта (БО), а также провести их клинические испытания.

При выполнении исследования мы осуществили анализ и обобщение литературных сведений, теоретическое обоснование и разработку принципов построения перспективных оптико-электронных устройств для изучения параметров гемодинамики ПКО. Были выполнены также исследования способов калибровки фотоплетизмограмм и фотоплетизмографического устройства (ФПУ), проведена экспериментальная проверка основных научных положений и сделан анализ результатов исследований с использованием математической обработки данных.

Теоретически и экспериментально доказана принципиальная возможность создания высокоэффективных оптико-электронных устройств , позволяющих исследовать основные параметры кровотока в биологических тканях.

Диссертационная работа выполнялась в Московском Государственном Университете геодезии и картографии. Подобные работы на начальном этапе в 1980-90 годах выполнялись также в НЦХ АМН и ЦНИИС.

Основные положения, которые выносятся на защиту: принципы построения оптико-электронных систем для исследования и анализа основных параметров периферического кровообращения;

- результаты разработки принципов построения и создания фотоплетизмографических датчиков;

- результаты лабораторных исследований и клинической апробации фотоплетизмографического устройства для диагностики состояния периферического кровообращения в биологических тканях ;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке методики первичной микропроцессорной обработки информации;

- результаты экспериментальных исследований по разработке устройств сопряжения фотоплетизмографической установки с персональным компьютером; методика и результаты математической обработки фотоплетизмограмм.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Егозин, Дориан Леонардович

5.3. Выводы

1 Получение устойчивых фотоплетизмограмм с симметричных мест тела испытуемого доказывает достоверность результатов измерений. 2. Получение на компьютере четких графических изображений фотоплетизмограмм подтверждает работоспособность разработанной методики сопряжения оптико-электронного прибора для изучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях с персональным компьютером.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. На основе анализа литературных источников, посвященных известным методам исследования периферического кровообращения, изучен фотоплетизмографический метод, установлена перспективность этого оптико-электронного метода и определены задачи его исследования.

2. Аналитические соотношения, приведенные в главе 3 позволяют рассчитать оптимальные конструктивные параметры оптической системы для исследования периферического кровообращения биологических объектов.

3. Исследованы оптические характеристики биологических объектов и выработаны рекомендации по выбору рабочей длины волны оптико-электронной системы для исследования периферического кровообращения

4. Выработаны рекомендации по выбору источников и приемников оптического излучения для исследования периферического кровообращения фотоплетизмографическим способом.

5. Разработана методика сопряжения оптико-электронной системы для исследования периферического . кровообращения с персональным компьютером, отличающаяся своей экономичностью.

Автор выражает благодарность доценту, к.т.н Савостину П.И. и доценту, к.т.н Герасимову И М. кафедры ЭАиЭ МИИГАиК и Зайцеву В.П за помощь в создании экспериментального стенда.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Егозин, Дориан Леонардович, 2000 год

1. Аксененко М.Д, Бараночников M.JI. Приемники оптического излучения: Справочник. М: «Радио и связь», 1987 - 295 с.

2. Бажухин В.И. Перспективы развития биодатчиков для медицины и биологии. Сборник научных трудов «Актуальные проблемы создания биотехнических систем» М. Издательство АМТН, 1996. - 35- 41 с.

3. Беляев К.Р., Морозов А.А. Коррекция фазовых искажений и обработка биомедицинских сигналов. Вестник МГТУ.- 1993,- N 4. С.40-53.

4. Бунатян А.А., Шитиков И.И., Флеров Е.В. Перспективы применения пульсовой оксиметрии в анестезиологии и реаниматологии. Анестезиология и реаниматология, № 1, 1991, с. 3-7.

5. Васильев В., Гуров И. Компьютерная обработка сигналов. СПб. БХВ - Санкт-Петербург, 1998 - 233 с.

6. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов М: Мир, 1988-488 с.

7. Дармин Ю.А,, Зайцев В.П., Калиниченко Г.П. и др. Фотоплетизмограф. АС. №1116570.

8. Джонсон Гай. Воздействие неионизирующего электромагнитного излучения на биологические среды и системы. ТИИЭР, Т6, 1974, с. 49-82.

9. Зайцев В.П., Жилкин A.M., Милохов К.В. и др. Способ регулирования процесса калибровки фотоплетизмографа и устройство для его осуществления. А.С. №741854.

10. П.Зайцев В.П. О калибровке фотоплетизмографов. VII Всесоюзная конференция «Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение». 12-14 июля 1983 г., М , с. 133.

11. Зубенко В.Г., Щукин С И. Моделирование процессов формирования плетизмограммы и исследование информативности ее параметров. Методические указания к лабораторным работам,- М: МГТУ, 1991. 12с.

12. Зубенко В.Г. Система для неинвазивной комплексной диагностики состояния кровообращения конечностей Дисс. канд. техн. наук М., 1994.-164 с. - д.с.п.

13. Зубенко В.Г. Система для неинвазивной комплексной диагностики состояния кровообращения конечностей Автор, дисс. канд. техн. наук,- М., 1994,- 16 с.

14. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. -М.: «Энергоатомиздат», 1988 г.

15. Ильин Р.С., Федоров Г.И. Новицкий Л.А. и др. Лабораторные оптические приборы. М.: Машиностроение, 1973, - 567 с.

16. Ильина А.А., Ракович Х.М., Рубинштейн Д.Л, и др. О фотометрии живых тканей в ближней инфракрасной части спектра. Докл. АН СССР, 1945,48, 5, с. 346-349.

17. Ильина А. А. Пропускание тканей человеческого тела в ближней инфракрасной части спектра. Докл. АН СССР, 1946, 54, 7, с. 595-598.

18. Ильина А. А. Пропускание лучей ближней инфракрасной части спектра тканями человеческого тела. Физиол. Журнал СССР, 1949, 35, 3, с. 338-348.

19. Ишимару А. Распростронение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т1. Однородное рассеяние и теория переноса.

20. Киселев В. А. Исследование сосудистых реакций с помощью четырех лучевого фотоплетизмографа. Ж. Врачебное дело. 1956, часть I, с. 79-80.

21. Крепе Е М. Оксигемометрия. М.—Л., 1959.

22. Лукач Ю.С., Сибиряков А С. Архитектура ввода-вывода персональных ЭВМ IBM PC. Свердловск: Инженерно-техническое бюро, 1990.

23. Морозов А. А., Широков О.И. Устройство для ввода и отбора реограмм в микроЭВМ Актуальные проблемы современного приборостроения: Тез. докл. II Всесоюзн. научн -техн. конф. М., 1988. - С. 144. - д.с.п.

24. Морозов А.А., Светашев М.Г. Разработка двухканального фотоплетизмографа для исследования гемодинамики. 165 лет МГТУ им. Н.Э. Баумана: Тез. докл. научн,-техн. конф. М., 21-23 ноября 1995,- ЧII - С.94.

25. Мошкевич B.C. Фотоплетизмография (аппаратура и методы исследования). М.: «Медицина», 1970 - 207 с.

26. Мячев А. А и др. Интерфейсы систем обработки данных.—М. «Радио и связь», 1989.

27. Мячев А.А и др. Интерфейсы средств вычислительной техники.—М.: «Радио и связь», 1993.

28. Патент Российской Федерации №2040912, 05.01.93

29. Патент Российской Федерации №1586673, 23.06.88

30. Патент Российской Федерации №2013076, 29.03.91

31. Патент Российской Федерации №2033744, 24.05.91

32. Патент Российской Федерации №2003279, 22.01.91

33. Патент Российской Федерации №2054884, 02.01.90

34. Патент Российской Федерации №2032376, 28.06.9139. Патент США №3980075

35. Плетизмограф двухканальный. Техническое описание, инструкция по эксплуотации и паспорт. JL: ВНИИМП - 19?9.

36. Савицкий Н.Н. Биофизические основы кровообращения и клинические методы изучения гемодинамики. Л.: «Медицина», 1974 - 301 с.

37. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере. -М.: «Инфра», 1998 528 с.

38. Удалов Н.П. Полупроводниковые датчики. Ленинград, «Машиностроение», 1965 г.

39. Фролов А.В., Фролов Г.В. Мультимедиа для Windows. Руководство для программиста. М., «ДИАЛОГ-МИФИ», 1994, 284 с. (Библиотека системного программиста, Т. 15).

40. Чернышева Ю.Н. Обработка экспериментальных данных с использованием компьютера. М, «Радио и связь», 1999 - 255 с.

41. Щукин С.И. Новые аппараты и системы для индивидульной терапии и неинвазивной диагностики состояния кровообращения. Сратегия здоровья и интеллектуальное обеспечение медицины. Тез. докл. III Межд.форум. М., 1994, с.78-79.

42. Щукин С.И. Информационные технологии в биотехнических системах неинвазивной диагностики и терапии. Журнал «Конверсия», №10, 1997, с. 33-34.

43. Щукин С И., Беляев К.Р., Морозов А,А., Зубенко В.Г., Чернов М.Ю., Корнеев Н.В. Компьютерная система для ввода, записи и архивирования реоплетизмографических исследований/ // Высшая школа России и конверсия.: Тез.докл.Всерос.научно-практич.конф,-М.1993.

44. Юшин A.M. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т. 1—-М.: «Радиософт», 1998-512 с.

45. Якушенков ЮГ. Теория и расчет оптико-электронных приборов М.: Машиностроение, 1989 359 с.

46. Brumen V, Horvat D. Bonic I. Evaluation of serial application of capillaroscopy, photoplethysmography, and dermothermometry in diagnosis and prevention of radiolesions of peripheral microvessels. USA, Microvasc-Res, 1994 Mar, 47(2): 270-8.

47. Guillot B. Techniques used to evaluate the cutaneous microcirculation: application of photoplethysmography to the assessment of a phlebotropic agent in the treatment of leg ulcers. USA Angiology, 1994 Jun, 45(6 Pt 2): 542-8

48. Kapany N.S., Silbetrust C.N. Fibre optic spectrofotometer for in vivo oximetry. Nature, 1964, 204, 4954, 138-142.

49. Sarin S., Shields D.A., Scurr J.H. Photoplethysmography: a valuable nonivasive tool in the assessment of venous dysfunction? USA J-Vasc-Surg, 1992 Aug: 16(2): 154-62.

50. Struckmann J. Venous investigations: the current position. Denmark, Angiology, 1994 Jun, 45(6 Pt 2) : 505-11.

51. Triedman J.K., Saul J.P. Comparision of intraarterial with continuous nonivasive blood pressure measurement in postoperative pediatric patients. USA, J-Clin-Monit, 1994 Jan, 10(1) -p. 11-20.

52. Visram A.R., Jones R.D., Irwin M.G., Bacon-Shoe J. Use of two oximeters to investigate a method of movement artefact rejection using photoplethysmographic signals England, Br-J-Anaesth, 1994 Apr, 72(4): 388-92.