Повышение точности определения оптических свойств кожных и слизистых покровов двухлучевым биофотометром тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Кузнецова, Светлана Николаевна

• Кузнецова, Светлана Николаевна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецова, Светлана Николаевна

Введение

Глава 1. Фотометрические методы и приборы для исследования биотканей

1.1 Области медицинского применения фотометрических методов

1.2 Определение оптических свойств биотканей.

1.3 Источники погрешностей при неинвазивном определении оптических свойств биоткани

1.4 Принципы построения фотометрических устройств

1.5 Принципы построения делительных схем

1.6 Методы анализа погрешности оценки фотометрических параметров

1.7 Постановка задачи исследования

Глава 2. Методы анализа систематических погрешностей двухлучевых биофотометров

2.1 Погрешность определения оптических свойств биоткани при изменении ее толщины

2.2 Анализ погрешности двухволновых двухлучевых фотометров аналитическим методом

2.3 Ошибки измерения параметров Ь и Г1 в биофотометрах с оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Принципы построения и аппаратурная реализация фотометрических устройств для неинвазивной оценки свойств биотканей

3.1 Обобщенная схема двухлучевого биофотометра

3.2 Оптоэлектронная отрицательная обратная связь в двухлучевых фотометрах с широтно-импульсной модуляцией

3.3 Выводы по главе

Глава 4. Апробации двухлучевых биофотометров в клинических условиях

4.1 Исследование оптических свойств биологической ткани при помощи ОЭИП с совмещенными потоками

4.2 Оценка эффективности работы оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи

4.3 Исследование особенностей регуляции регионарного кровотока беременных женщин

4.4 Исследование при помощи двухлучевого биофотометра эффективности акупунктурного воздействия

4.5 Выводы по главе

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности определения оптических свойств кожных и слизистых покровов двухлучевым биофотометром»

Фотометрические приборы для клинико-физиологических исследований находят широкое применение при определении важных медико-биологических показателей, характеризующих состояние организма живого биообъекта. Кроме клинико-лабораторного анализа, они используются в хирургии, анестезиологии, кардиологии, педиатрии, гинекологии и других областях медицины. Особенно интересны неинвазивные фотометрические методы как нетравматичные (не нарушают целостности покровов тела, избавляют пациента от болевых и неприятных ощущений) и наиболее безопасные (исключают внесение в организм чужеродных веществ, в том числе инфекций). При помощи этих методов можно определить такие показатели как оксигенация крови, показатели гемодинамики, содержание сахара и других веществ в живом организме.

При неинвазивной регистрации состава крови и параметров кровообращения, между преобразователем, помещаемым на поверхности кожи, и кровеносными сосудами лежит неоднородный неконтролируемый слой эпидермиса, который имеет различную пигментацию и толщину на разных участках тела или у разных людей на одном участке, различный волосяной покров и другие неоднородности. Это обуславливает разные оптические свойства (например, коэффициент пропускания, рассеяния) эпидермиса. Таким образом, на исследуемый медико-биологический показатель влияют различные факторы, связанные с неоднородностью верхнего слоя кожного покрова и других тканей. Эти факторы приводят к появлению систематической погрешности измерения фотометрических параметров биообъекта, по которым определяются медико-биологические показатели.

Изученные принципы построения отечественных и зарубежных фотометров и их измерительных преобразователей позволяют сделать вывод, что эти систематические погрешности известными фотометрическими приборами компенсировать не удается. Измерение оптических свойств может осуществляться фотометрами, построенными по однолу-чевой или двухлучевой схеме. Однако, однолучевые фотометры не позволяют компенсировать указанную систематическую погрешность из-за отсутствия контроля мощности источника излучения и других недостатков, а возможности компенсации погрешностей в двухлучевых фотометрах недостаточно изучены. Кроме того, не существует подходов к оценке систематической погрешности, обусловленной неоднородностями кожных и слизистых покровов. Между тем, количественная составляющая систематической погрешности очень велика. Например, при измерении пульсовых колебаний, постоянная составляющая сигнала, то есть систематическая погрешность, примерно в 300 раз больше полезного сигнала пульсовых колебаний, что говорит о необходимости компенсации этой погрешности. Этим и объясняется актуальность данной работы.

Целью данной работы является повышение точности определения оптических свойств кожных и слизистых покровов за счет коррекции систематических погрешностей биофотометра с двухлучевым оптико-электрическим измерительным преобразователем и оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи, что обеспечивает увеличение достоверности постановки диагноза и оценки эффективности лечебных мероприятий.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ систематических погрешностей, возникающих при определении оптических свойств кожных и слизистых покровов;

2. Модернизировать аналитический метод и оценить систематическую погрешность определения оптических свойств биообъектов двухлучевым двухволновым биофотометром;

-63. Исследовать применение оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи как одного из методов компенсации систематической погрешности;

4. Разработать обобщенную структуру биофотометра на основании которой можно предложить принципы построения и аппаратурную реализацию двухлучевых биофотометров для неинвазивной оценки оптических свойств биоткани;

5. Провести экспериментальных исследований и апробации биофотометра в клинических условиях.

В первой главе рассмотрены существующие методы и приборы для фотометрических исследований биотканей, области их медицинского применения, источники погрешностей при определении оптических свойств биоткани, принципы построения фотометрических устройств, а также методы анализа погрешности оценки фотометрических параметров .

Во второй главе проанализированы составляющие систематической погрешности двухлучевого биофотометра, а также пути минимизации этой погрешности. Исследовано влияние изменения толщины биоткани на погрешность определения ее оптических свойств; составляющие систематической погрешности двухлучевых двухволновых фотометров, связанные с неоднородностью поверхностных слоев биологической ткани; применение оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи (ОКООС) для коррекции систематической погрешности и его влияние на погрешности двухлучевого двухволнового биофотометра. Для решения этих задач было использовано имитационное моделирование.

В третьей главе на основании проведенного анализа погрешностей построена обобщенная структура двухлучевого биофотометра, позволяющая проектировать новые классы фотометрических приборов для клинико-физиологических исследований и разрабатывать новые структуры фотометрических устройств различного назначения. На основании обобщенной схемы построены различные структуры биофотометров, которые дают возможность скомпенсировать систематическую погрешность, обусловленную неоднородностями тканей, за счет выбора структуры оптико-электрического измерительного преобразователя (ОЭИП), режима работы прибора, управления излучением излучателей.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и апробации биофотометра в клинических условиях. Результаты определения оптических свойств кожи позволили сформулировать требования к разработке двухлучевого метода и технологии неинва-зивной фотооксигемометрии по работе ГР/БЭС-Зб от 02.03.98. Клиническое использование биофотометра, позволяющего компенсировать систематическую погрешность, дает возможность получать данные, чтобы уточнить диагноз.

Научная новизна данной работы заключается в:

1. Проведении анализ погрешности определения оптических свойств биоткани при изменении ее толщины, на основании которого показано, что систематическая погрешность может существенно превышать полезную составляющую сигнала.

2. Модернизации аналитического метода анализа погрешности путем введения пространства фотометрических параметров, что позволило получить соотношения для расчета систематической погрешности обобщенных фотометрических параметров ¡1^ и •

3. В работе предложены методы компенсации систематической погрешности за счет использования двухлучевой схемы, широтно-им-пульсной модуляции и оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи.

4. Разработке обобщенной структуры фотометрической системы и основанные на ней варианты структур с широтно-импульсным преобразованием, позволяющие компенсировать систематическую погрешность определения оптических свойств биоткани.

Практическую ценность составляют:

1. Способы минимизации систематической погрешности спектро-зонального двухлучевого биофотометра.

2. Аналитический метод анализа погрешностей двухлучевого двухволнового биофотометра.

3. Обобщенная структура биофотометра, на основании которой предложены варианты схем с широтно-импульсным преобразованием, позволяющие проектировать новые классы фотометрических приборов для клинико-физиологических исследований и разрабатывать новые структуры фотометрических устройств различного назначения.

4. Применение биофотометра для изучения сосудистых реакций и периферического кровообращения с целью определения показателей гемодинамики, оксигенации крови и содержания других веществ в живом организме.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Кузнецова, Светлана Николаевна

выводы

1. На исследуемый медико-биологический показатель, например, кровообращения существенно влияет неоднородность верхнего слоя эпидермиса и других тканей, расположенных между измерительным преобразователем и кровеносными сосудами, что приводит к появлению систематической погрешности.

2. Для минимизации этой систематической погрешности целесообразно применять биофотометры, построенные по двухлучевой схеме с совмещенными потоками излучения. Выбор соответствующей конструкции ОЭИП позволяет уменьшить систематические погрешности за счет возможного смещения фотоприемников относительно излучателя.

3. Для анализа погрешностей двухлучевого двухволнового биофотометра был модернизирован аналитический метод и введено понятие пространства фотометрических параметров.

4. С использованием аналитического метода и имитационного моделирования были проанализированы погрешности определения комплексных показателей /1 ^ и /Х^ без применения и с применением ОКООС Показано, что применение ОКООС существенно снижает погрешность параметра /Д. 1, но не снижает погрешность параметра .

5. Разработана обобщенная структура биофотометра, и, в том числе, с широтно-импульсным преобразованием, на основании которой предложено 11 вариантов схем двухлучевых биофотометров, позволяющих скомпенсировать систематическую погрешность, обусловленную неоднородностями тканей.

6. Апробация в клинических условиях показала, что биофотометр, за счет компенсации систематической погрешности, позволяет получить более точные данные об оптических свойствах исследуемого объекта, что повышает достоверность постановки диагноза и оценки эффективности лечебных мероприятий.

7. Результаты экспериментальных исследований позволили выработать требования к структуре фотооксигемометра в НИР ГР/БЭС-36, а также использовались при разработке технических условий для создания калибровочного эталона для фотооксигемометра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными целью и задачами в данной работе решены следующие вопросы. Рассмотрены медицинское назначение и принципы построения фотометрических приборов, а также источники возникновения систематической погрешности при определении оптических свойств биоткани. Проанализированы систематические погрешности, возникающие при изменении толщины биоткани и выданы рекомендации по компенсации этих погрешностей.

В работе был использован аналитический метод анализа погрешностей фотометрических систем, на основании которой был проведен анализ погрешностей комплексных показателей /11 и /А2 для двухлуче-вых двухволновых биофотометров, а также применение оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи для минимизации этих погрешностей .

На основании проведенного анализа погрешностей была разработана обобщенная структура биофотометра. Исходя из нее были предложены различные варианты структур двухлучевых биофотометров с ши-ротно-импульсной модуляцией.

Далее проводились экспериментальные исследования и апробация биофотометра в клинических условиях. Была оценена эффективность работы ОКООС по изменениям размаха пульсовых колебаний; проводились измерения оптической плотности и показателя ослабления биотканей; исследовались сосудистые реакции шейки у женщин на различных стадиях беременности, а также у здоровых не беременных женщин; проводились исследования по определению эффективности акупунктур-ного воздействия лазерным излучением на периферическое кровообращения по изменениям пульсовой кривой.

Результаты этих исследований позволили выработать требования к структуре фотооксигемометра в НИР "Разработка двухлучевого метода и технологии неинвазивной фотооксигемометрии" ГР/БЭС-36 от 02.03.98, а также использовались при разработке технических условий для создания калибровочного эталона для фотооксигемометра.

Таким образом поставленные задачи были решены и диссертационная работа выполнена в соответствии с намеченным планом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецова, Светлана Николаевна, 1998 год

1. Гуревич М.М. Фотометрия: теория, методы и приборы. Л.: Энерго-атомиздат, 1983.

2. Крепе Е.М. Оксигемометрия: техника, применение в физиологии и медицине. Л.:Медгиз, Л.отд., 1959.

3. Бабко А.К., Пилипенко А.Т. Фотометрический анализ. Общие сведения и аппаратура. М.: Химия, 1968.

4. Попечителев Е.П., Чигирев Б.И. Двухлучевые фотометрические системы для клинико-физиологических исследований. Л.: ЛГУ, 1991.

5. Леонов Г.Н., Мусийчук Ю.И. и др. Основные этапы развития фото-оксигемометрии// Журнал "Медицинская техника" № 1, 1993.

6. Бунятян A.A., Флеров Е.В., Шитиков И.И. Пульсовая оксиметрия -основа безопасной анестезии// журнал "Медицинская техника" №1, 1993.

7. Бунятян A.A., Флеров Е.В., Шитиков И.И. Применение пульсовой оксиметрии в анестезиологии, журнал "Медицинская техника" № 1,1993.

8. Степаненко С.М., Исмаил-Заде И.А. Использование пульсовой оксиметрии в интенсивной терапии и анестезиологии у детей// журнал "Медицинская техника" № 1, 1993.

9. Волков В.Я., Гладков Ю.М., Завадский В.К., Иванов В.П. Принципы и алгоритмы определения оксигенации крови по измерениям пульс-оксиметра// журнал "Медицинская техника", № 1, 1993.

10. Шитиков И.И., Флеров Е.В., Арсеньев С.Б. Сравнительное исследование пяти пульсовых оксиметров// журнал "Медицинская техника",1,1993.

11. Кузьмич В.В., Жаров В.П. Основные принципы и особенности транскутантной "отражательной" оксиметрии// журнал "Медицинская техника", № 3, 1993.

12. Волков В.Я., Гладков Ю.М., Завадский В.К., Иванов В.П. Повышение достоверности и точности пульсоксиметрии с помощью встроенной экспертной системы// журнал "Медицинская техника" № 3, 1993.

13. Волков В.Я., Иванов В.П., Стерлин Ю.Г. Пульсовая оксиметрия: достижения и перспективы// журнал "Медицинская техника" № 4, 1993.

14. Стерлин Ю.Г. Специфические проблемы разработки пульсовых окси-метров// журнал "Медицинская техника", № 6, 1993.

15. Леонов Г.Н., Филиповский В.В. и др. Неинвазивное определение оксигемоглобина в артериальной крови// журнал "Медицинская техника" № 5, 1992.

16. Принципы оптической оксигемометрии в системах экстракорпорального кровообращения// журнал "Медицинская техника" № 5, 1992.

17. Коган Л.И., Андреев Ю.П. и др. Красный и ИК излучатели с повышенным квантовым выходом для оксиметрии// журнал "Медицинская техника" №5, 1992.

18. Леонов Г.Н., Филиповский В.В. и др. Система автоматического регулирования усиления каналов пульсового оксигемометра// журнал "Медицинская техника" № 1, 1992.

19. Гордеев В.А., Максимов Г.И., Стерлин Ю.Г., Цвик А.И. Пульсовой оксиметр "Оксипульс 01"// журнал "Медицинская техника" № 1, 1994.

20. Фремке A.B. Электрические измерения//Справочник. Л.: Энергия, 1980.

21. Жилинскас Р.-П.П. Измерители отношения и их применение в радиоизмерительной технике. М.: Советское Радио, 1975.

22. Кузьмичев Г.М., Шляндин В.М. Цифровые автокомпенсаторы прямого уравновешивания. М.: Энергия, 1967.

23. Карпов Р.Г., Карпов Н.Р. Преобразование и математическая обработка широтно- импульсных сигналов. Л.: Машиностроение, 1977.

24. Латенко Н.В. Аналоговые множительные устройства. Киев: Гос-техиздат, 1963.

25. Розенберг В.Я. Введение в теорию точности измерительных систем. М.: Энергия, 1967.

26. Гришин М.П., Курбанов Ш.M.,Маркелов В.П. Автоматический ввод и обработка фотографических изображений на ЭВМ. М.: Энергия, 1976.

27. Соловьев H.H. Измерительная техника в проводной связи./М.: Связь, 1968.

28. Чигирев Б.И. Граф-аналитический метод оценки погрешностей фотометрических величин//Импульсная фотометрия: сборник статей, Л., 1979.

29. Попечителев Е.П. Оптико-электрические измерительные преобразователи с амплитудной шкалой преобразования//Техническое оснащение медицинских лабораторных исследований: сборник статей, М., 1985.

30. Чигирев Б.И. Медицинские фотометры с контуром обратной связи по свету// Биомедицинские технические системы. Межвузовский сборник, Л., 1983.

31. Чигирев Б.И. Увеличение быстродействия двухволнового фотометра// Медицинская лабораторная техника. Научные труды, М., 1989.

32. Попечителев Е.П. Аналитический метод исследования двухлучевых измерительных каналов оптического типа//Деп.в ВИНИТИ N539-84,1984.

33. Юрковский Г.А. Помехоустойчивость и разрешающая способность медицинских фотометров с двухлучевым оптико-электрическим измерительным преобразователем. Л.: ЛЭТИ, 1990.

34. A.c. № 969249 СССР. Фотооксигемометр/Чигирев Б.И.// Б.И.№ 40, 1982.

35. A.c. № 1465019 СССР. Фотооксигемометр/Чигирев Б.И.//Б.И.№10, 1989.

36. Новаковский C.B. Цветное телевидение. М.: Связь, 1975.

37. Чигирев Б.И. Построение устройств математической обработки биологических сигналов//Учебное пособие. Л., 1987.

38. Вендлэнд Р.Н. Светочувствительный датчик в виде пары кремниевый фотодиод операционный усилитель// Электроника, т.44, N11, 1971.

39. Бузанова Л.К., Глиберман А.Я. Полупроводниковые фотоприемники// Массовая радиобиблиотека, вып.902., М.: Энергия, 1976.

40. Справочник по прикладной статистике в двух томах под ред. Э.Ллойда, У.Ледермана. М.: Финансы и статистика, т.1 1989, т.2 -1990; т.1 стр.56-57.