Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ МЕТОДОМ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИИ 16
Метод фотоплетизмографии - один из методов исследования сердечно-сосудистой системы человека и животных 16
Метод фотоплетизмографии 23
Применение метода фотоплетизмографии в медицине
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ
Целевая функция и обобщенная структурная схема системы фотоплетизмографии 54
Информационная модель процесса регистрации и обработки
Выводы 85
АНАЛИЗ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИИ ЖИВОТНЫХ 88
3.1 Определение основных параметров фотоплетизмографа 88
Выбор оптического диапазона для фотоплетизмографии животных.. 88
Выбор полосы пропускания усилительного тракта фотоплетизмографа 93
Выбор динамического диапазона и коэффициента усиления измерительного тракта фотоплетизмографа 103
Выбор мощности излучения и частоты модуляции светового потока источника излучения фотоплетизмографа 107
3.2. Источники погрешностей при исследовании животных методом
4 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФОВ
С РАЗЛИЧНЫМИ СВЕТОВЫМИ ПОТОКАМИ 125
Классификация и основные принципы построения
Снижение погрешностей (влияния артефактов)
Фотоплетизмографы с двухлучевыми биооктронами
и разнесенными потоками 142
Фотоплетизмографы с двухлучевыми биооктронами
Фотоплетизмографы с контуром обратной связи, имеющие двухлучевые биооктроны с совмещенными потоками 159
Фильтрация фотоплетизмограмм с аномальными
Совершенствование методов установки биооктронов
на биологическом объекте 184
Крепление октронов к поверхности биологической ткани
с помощью вакуумных присосок 184
Снижение влияния погрешностей измерения параметров фотоплетизмограмм за счет оптимального прижима октрона
к биологической ткани 189
Определение параметров фотоплетизмограмм во время
(в процессе) дойки 201
Использование параметров фотоплетизмограмм
при проведении физиопроцедур на доильной установке 229
Использование базы данных параметров фотоплетизмограмм
6 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ АППАРАТУРА
ДЛЯ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИИ ЖИВОТНЫХ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ 283
Автоматизированные фотоплетизмографы 283
Автоматизированные системы контроля состояния
Применение образного анализа при регистрации
Эффективность использования приборов на основе метода
фотоплетизмографии 363
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 378
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 383
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 428
Введение к работе
Актуальность направления исследований. Важнейшей системой, обеспечивающей жизнедеятельность организма, является сердечнососудистая система (ССС). Болезни ССС широко распространены, но в силу огромной компенсаторной способности сердца далеко не все проявляются выраженными симптомами и традиционными методами не диагностируются. Поэтому создание приборов и систем оперативного контроля состояния ССС человека и животных является актуальной задачей. При этом следует отдавать предпочтение приборам, основанным на неинвазивных и бесконтактных методах измерения.
Оценка деятельности ССС осуществляется путем регистрации механических, акустических и биоэлектрических проявлений сердечной деятельности. Среди инструментальных методов, позволяющих объективно оценить состояние ССС, широкое применение нашли метод электрокардиографии (ЭКГ) и методы, основанные на регистрации пульсовой волны.
Одним из перспективных методов регистрации пульсовой волны является метод фотоплетизмографии (ФПГ). Перспективность внедрения аппаратуры на основе метода ФПГ в практику объясняется следующим.
Данный метод является неинвазивным, то есть позволяет определять диагностические показатели без нарушения целостности кожных покровов и слизистых организма, что, в частности, снижает требования к стерильности окружающей среды (неприспособленные помещения и полевые условия для человека, фермы, пастбища для животных).
Достоинствами фотоплетизмографии являются: удобство исследования сосудистых реакций на плоских участках тела; возможность работы в условиях повышенной влажности и сильных электромагнитных полей; отсутствие электродных контактов с живой тканью, а значит, и электрических воздействий на исследуемый биологический объект; простота стерилизации и удобство крепления датчиков, оказывающих малое влияние на кровоснабжение тканей, что важно при длительном наблюдении (мониторинге) физиологического состояния биообъекта (возможен и бесконтактный съем информации).
Указанные достоинства открывают большие перспективы развития метода фотоплетизмографии как диагностического метода. В то же время использование фотоплетизмографии для диагностики заболеваний на основе анализа формы пульсовой кривой было ограничено. Имеются работы, например Lindberg L. G., Spigulis J. и др., в которых амплитудно-временные и частотные параметры фотоплетизмограмм использовались в качестве диагностических признаков; или работы Алексеева В. А., Останина И. Е, где исследовался мозговой кровоток животных и проводилась автоматизированная обработка полученных результатов; работы Прохончукова A.A., Дерябина Е.И. и др. по стоматологии. Кроме того, во многих диагностических приборах, использующих метод фотоплетизмографии, не требуется точного воспроизведения формы пульсовой кривой. К ним относятся измерители частоты сердечных сокращений и интенсивности пульсаций кровотока, пульсоксиметры, например «0ксипульс-01» и др.
Следует сказать, что объективную диагностическую информацию при использовании метода ФПГ можно получить только на основе анализа качественно снятых пульсовых кривых. Однако в реальных условиях этому препятствует множество мешающих (искусственных) факторов (артефактов), связанных с движением и дыханием биообъекта, внешними электромагнитными полями, состоянием кожных покровов и др. Проблема устранения или, по крайней мере, ослабления влияния артефактов имеет большое значение для ФПГ, особенно при регистрации фотоплетизмограмм животных. Причем эта проблема является весьма сложной в связи с тем, что источники возникновения артефактов весьма разнообразны, а построение их моделей оказывается затруднительным. Более того, указанные факторы часто взаимосвязаны.
Сложность получения качественного ФПГ-сигнала связана и с низким уровнем интенсивностей полезных световых потоков, падающих на фотоприемник, при относительно высоком уровне шумов, возникающих как за счет функционирования различных систем организма, например дыхательной и вегетативной нервной системы, так и за счет влияния внешней среды (внешние помехи). При этом частотный спектр шумов в ряде случаев близок к частотному спектру полезного сигнала.
Важной проблемой является построение исследовательской аппаратуры на основе метода ФПГ для оценки физиологического состояния животных, когда влияние артефактов существенно выше, и они имеют специфические особенности. Отечественная промышленность выпускает ограниченный перечень приборов для исследования ССС, позволяющих использовать их в ветеринарной практике. Для этих целей применяются исключительно приборы медицинского назначения, не удовлетворяющие промышленной технологии содержания животных и не учитывающие особенности методики снятия фото- плетизмограмм в условиях комплексов и ферм (высокая влажность помещений, состояние кожных покровов и др.).
Анализ литературных источников показал, что зарубежные приборы с использованием метода фотоплетизмографии не обладают свойствами, позволяющими уменьшить влияние артефактов, особенно при работе с животными. Отечественные приборы, выпускаемые серийно, не имеют автоматизации обработки результатов измерений, а отдельные разработки используют методы обработки сигналов без учета влияния артефактов.
Поэтому построение ФПГ-аппаратуры, позволяющей получить качественную и объективную информацию о гемодинамике исследуемого биологического объекта, является сложной задачей, решение которой можно осуществить только с использованием системного анализа. Для упрощения задачи создания ФПГ-системы необходимо рассмотреть ее по частям, что осуществляется путем декомпозиции модели системы и дальнейшего изучения и совершенствования ее подсистем и элементов: биологического объекта, опто- электронных датчиков, измерительного тракта, средств обработки и представления ФПГ-сигнала и др. Это позволяет в дальнейшем синтезировать систему с заданными свойствами.
Таким образом, актуальна задача построения автоматизированной аппаратуры для фотоплетизмографии сельскохозяйственных животных, обеспечивающей снижение влияния артефактов при регистрации и обработке фото- плетизмограмм. Для преодоления указанных проблем, препятствующих широкому внедрению метода ФПГ в медицинскую и ветеринарную практику, необходим системный подход к созданию и исследованию системы автоматизированной регистрации и обработки фотоплетизмограмм. Решению подобных задач в биологии и медицине посвящены работы В.М. Ахутина, P.M. Ба- евского, В.Г. Гусева, Л.И. Калакутского, H.A. Кореневского, Е.П. Попечите- лева, В.О. Самойлова, М.Б. Славина, A.A. Хадарцева, Н. Asada; в сельском хозяйстве - И.Ф. Бородина, Л.П. Карташова, В.Р. Крауспа, М.М. Луценко, Л.В. Погорелого; в технике - В.А. Алексеева, В.В. Кондратьева и др. Однако применение их в задачах автоматизированной регистрации и обработки фотоплетизмограмм сельскохозяйственных животных требует также дополнительных экспериментальных исследований. В данной работе изложены результаты решения указанных выше проблем.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов и средств автоматизированного контроля оптической плотности биологических тканей сельскохозяйственных животных при изменении их кровенаполнения в виде фотоплетизмограмм в условиях влияния артефактов, позволяющих повысить качество получения данных о нарушении микроциркуляции.
Основные задачи диссертационной работы
Разработка методики измерения и контроля оптических свойств биологической ткани, характеризующих ее кровенаполнение, полученных в виде фотоплетизмограмм в условиях действия артефактов.
Обоснование основных видов артефактов и источников погрешностей, возникающих при исследовании сосудистой системы сельскохозяйственных животных методом фотоплетизмографии на основе теоретических исследований информационной и математической моделей процесса исследования биологической ткани методом фотоплетизмографии.
Теоретические исследования и разработка методов создания оптимальной структуры и конструкций оптоэлектронных датчиков для исследования оптической плотности биологической ткани методом фотоплетизмографии со снижением влияния артефактов.
Разработка методов регистрации фотоплетизмограмм сельскохозяйственных животных с уменьшением влияния артефактов и их экспериментальная апробация в технологических сельскохозяйственных комплексах.
Разработка алгоритмов автоматизированной обработки фотоплетизмограмм с исключением аномальных результатов измерений.
Исследование и определение основных признаков изменения формы фотоплетизмограммы, характеризующей нарушения микроциркуляции сосудистой системы; поиск методов классификации фотоплетизмограмм по изменению формы сигнала.
Разработка и исследование принципов построения системы фотоплетизмографии с автоматизированной регистрацией и обработкой фотоплетизмограмм с возможностью интерпретации полученных данных неквалифицированным пользователем, а также создание базы данных результатов исследования сельскохозяйственных животных.
Объектом исследования является методика и средства измерения и контроля оптической плотности биологических тканей сельскохозяйственных животных методом фотоплетизмографии.
Предметом исследования являются модели процесса исследования биологических тканей методом фотоплетизмографии, артефакты, методы и средства измерения оптической плотности биотканей, алгоритмы обработки фотоплетизмограмм и оптоэлектронные датчики.
Методы исследования, используемые в работе: математическое и физическое моделирование, методы описания цифровых сигналов, морфологический метод, статистические методы, схемотехника, экспериментальные исследования, компьютерная обработка результатов экспериментов.
Достоверность и обоснованность теоретических результатов диссертации подтверждена испытаниями созданных автоматизированных фотоплетизмографов и датчиков с хорошей воспроизводимостью результатов. Для сравнения использовалась типовая аппаратура для снятия фотоплетизмо- грамм, аттестованная в медицинских учреждениях, а также методы инвазив- ного снятия фотоплетизмограмм.
Математические модели, алгоритмы и прикладные программы, предложенные в работе, основаны на теоретических основах системного анализа, математической статистики, теории графов, информационно-измерительных систем.
Экспериментально полученные данные достаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными другими исследователями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний.
На защиту выносятся
Информационная и математическая модели процесса исследования биологических тканей методом фотоплетизмографии.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса снятия фотоплетизмограмм сельскохозяйственных животных по определению основных артефактов, характерных для данного процесса.
Принципы построения автоматизированной системы для регистрации и обработки фотоплетизмограмм сельскохозяйственных животных.
Аппаратурные методы снижения влияния артефактов при регистрации фотоплетизмограмм сельскохозяйственных животных.
Программно-алгоритмические методы снижения артефактов путем исключения аномальных результатов при регистрации фотоплетизмограмм.
Методика оптимального выбора конструкции оптоэлектронных датчиков для фотоплетизмографии с применением методов системного анализа (морфологического метода).
Оптоэлектронные датчики измерения и контроля оптической плотности биологической ткани при изменении ее кровенаполнения методом фотоплетизмографии в условиях влияния артефактов.
Метод определения нарушения микроциркуляции сосудистой системы сельскохозяйственных животных с использованием относительного описания шести выделенных признаков изменения формы фотоплетизмограммы.
Результаты экспериментальной апробации и оценка эффективности алгоритмов и системы автоматизированной регистрации и обработки фото- плетизмограмм в ветеринарных учреждениях и отраслях животноводства.
Научная новизна
Разработаны информационная модель процесса исследования биологической ткани методом фотоплетизмографии и математическая модель фотоплетизмограммы в форме относительного описания цифрового сигнала, учитывающие процесс регистрации и обработки фотоплетизмограмм в условиях действия артефактов.
Выявлены основные виды артефактов и источники погрешностей, возникающие при исследовании сердечно-сосудистой системы животных методом фотоплетизмографии.
Предложена методика морфологического анализа и синтеза конструкций оптоэлектронных датчиков фотоплетизмографа.
Разработаны алгоритмы, конструкции датчиков и предложены схемные решения, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, позволяющие снизить влияние артефактов при регистрации фотоплетизмограмм.
Предложен алгоритм автоматизированной обработки фотоплетизмограмм с исключением аномальных результатов с использованием относительного описания цифровых сигналов.
На основе проведенных системных исследований определены основные принципы построения автоматизированной системы для регистрации и обработки фотоплетизмограмм.
Впервые разработаны методы регистрации параметров фотоплетизмо- грамм животных с одновременным контролем работы доильной аппаратуры, возможностью выбора и управления режимами физиопроцедур в целях профилактики и лечения животных на доильной установке.
Впервые разработана база данных параметров фотоплетизмограмм и гемодинамических показателей, позволяющая в динамике отслеживать состояние сосудистой системы животных.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты проведенных исследований позволили разработать и предложить:
исследовательский комплекс для автоматизированной регистрации и обработки фотоплетизмограмм, позволяющий получить объективные гемо- динамические показатели человека и животных в виде параметров фотоплетизмограмм;
мобильные автоматизированные фотоплетизмографы и программное обеспечение к ним, позволяющие оперативно снимать и анализировать пульсовые кривые непосредственно на рабочих местах обследуемых, а также с сельскохозяйственных животных в условиях ферм;
измерительную систему фотоплетизмографии, построенную по модульному принципу, в которой каждый модуль представляет собой конструктивно и функционально законченный узел. Приведенная конструкция измерительной системы позволяет строить многоканальные и многофункциональные приборы для медико-биологических исследований.
Отдельные результаты работы в виде устройств, программ и методик внедрены в учебный процесс и НИРС в Ижевском государственном техническом университете и Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.
Результаты работы, полученные в рамках договора о сотрудничестве с Всероссийским институтом электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), использовались для оценки влияния доильной установки на состояние периферического кровообращения коров, а также в совместных исследованиях с Дамасским университетом (Сирийская Арабская Республика) по поиску диагностических признаков сосудистой системы человека и животных.
Работа выполнялась в соответствии с планами Физико-технического института УрО РАН и тематикой Ижевского государственного технического университета, координационными планами МСХ РФ по созданию автоматических устройств и микропроцессорных систем управления процессами сельскохозяйственного производства и по заданию Главка сельскохозяйственных вузов, в соответствии с планами ИжГСХА, а также по хоздоговорной тематике с МСХ Удмуртской Республики.
Апробация работы. Теоретические и практические результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Методология измерений» (Ленинград, 1991); Международной научно-практической конференции «Измерительно-информационные технологии в охране здоровья» (С.Петербург, 1995); Международной научно-технической конференции «Автоматизация производственных процессов» (Углич-Москва, 1997); Международной научно-практической конференции «Измерительные информационные технологии и приборы в охране здоровья - Метромед-99» (С.-Петербург, 1999); VII Международном экологическом симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный» (Екатеринбург, 1999); Международной научно-технической конференции «Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве» (Минск, 2000); X Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (Переславль-Залесский, 2000); научно- технической конференции «Приборостроение в 21 веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2001); научной конференции с международным участием «Космос, природа, человек» (Ямбол, Болгария, 2002); Международной НТК «Laser sciences and applications» (Syria, University of Aleppo, 2-4 November 2002); 8 Международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (Москва, 2004), Международной НТК "Environment and Sustainable Development", Al-
Baath University Campus, Horns, Syria, (22-24 November 2004), IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI научно-технических конференциях с международным участием «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф-Москва, 1997-2004); V республиканской научно-практической конференции «Проблемы и приоритеты в обеспечении качества жизни населения» (Ижевск, 2005); III Российской конференции с международным участием «Новейшие технологические решения и оборудование» (Кисловодск, 2005); III и IV научно-технических конференциях «Приборостроение в 21 веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2006, 2007); IX и X Международных научно-практических конференциях «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (Москва, 2006 и 2008); VIII Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'2008 (Владимир, 2008), Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» УКИ-08 (Москва 2008), научно-технических и научно-методических конференциях и семинарах ИжГТУ, ФТИ УрО РАН и Иж- ГСХА в 1989-2008 г.
Результаты работы по созданию аппаратуры для автоматизированного исследования гемодинамики лактирующих животных до и после дойки были представлены 21 июня 2006 г. на Всероссийском совещании в Ижевске, посвященном развитию агропромышленного комплекса России с участием Президента РФ.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 55 печатных работах, включая одну монографию, один учебник для вузов, 25 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций, в том числе 7 авторских свидетельств и патентов, свидетельство «Об официальной регистрации программы для ЭВМ» и свидетельство «Об официальной регистрации базы данных».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 325 наименований и приложений. Основная часть диссертации изложена на 416 страницах машинописного текста, содержит 199 рисунков и 10 таблиц.
Личный вклад автора. Основная часть результатов, касающаяся разработанных моделей, алгоритмов, схем и конструкций датчиков, методик расчетов, проведенных экспериментальных исследований, получена автором самостоятельно. Постановка задач, направление и методология исследований осуществлялась совместно с научным консультантом профессором В.А. Алексеевым. Автору принадлежат получение, анализ и обобщение материалов, на базе которых обоснованы научные положения и выводы диссертации, а также участие во внедрении результатов исследований.
Похожие диссертации на Методы и средства автоматизированного контроля оптической плотности биологических тканей при изменении их кровенаполнения в условиях действия артефактов
и совмещенными потоками 154
5 АППАРАТУРНЫЕ И ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ АРТЕФАКТОВ 167
