gototopgototop

"Научный аспект №2-2019" - Технические науки

Моделирование физических параметров электродной системы для регистрации реографического сигнала

Панфилов Илья Викторович – студент магистратуры факультета Биомедицинской техники Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана.

Аннотация: Данная статья посвящена моделированию физических параметров электронной системы для снятия реографического сигнала. Основной проблемой в области диагностики данной категории заболеваний является то, что применяемые методы диагностики требуют значительных временных затрат, что показывает необходимость создания аппарата для регистрации кровенаполнения. Целью выполненного исследования являлось создание реографического аппарата для регистрации кровенаполнения мышц спины, а также проработка возможности диагностировать наличие межпозвоночных грыж по кровенаполнению глубоких мышц спины. Выполнено определение параметров электродной сборки, проведено моделирование в программе COMSOL, с помощью которого удалось получить графики изменения импеданса.

Ключевые слова: Импеданс, кровенаполнение, электродная сборка.

Введение. Современный мир характеризуется быстрым развитием диагностической аппаратуры, позволяющей фиксировать и контролировать различные физиологические показатели человека. Вместе с ростом технического уровня диагностических систем все больше приобретает значение разработка и внедрение новых компьютерных методов обработки биомедицинской информации [1-3].

По данным ВОЗ 60% работоспособного населения страдают от болей в пояснице, а межпозвоночная грыжа - часто встречаемое заболевание (10 случаев на 1000 человек).

Одним из эффективных методов медицинских исследований состояния кровенаполнения мышц спины человека является реография, которая основана на анализе изменения проводимости биологической ткани при кровенаполнении и отражается в виде реографического сигнала [4-5].

Приведенные аргументы указывают на актуальность разработки реографического аппарата для регистрации кровенаполнения мышц спины и проработке возможности диагностировать наличие межпозвоночных грыж по кровенаполнению глубоких мышц спины. Именно данные аспекты являются целью настоящего исследования [6].

Настоящее исследование можно описать тремя этапами:

  1. Моделирование изменения кровенаполнения;
  2. Создание принципиальной схемы аппарата;
  3. Обработка полученного реографического сигнала.

При выполнении исследования использовались методы анализа, сравнения, моделирования. Моделирование выполнялось в программной среде Comsol.

Реография – это метод исследования изменения биоимпеданса при пульсовых колебаниях кровенаполнения сосудов различных органов и тканей, основанный на графической регистрации колебаний значения величины электрического сопротивления живых тканей, органов и участков тела при пропускании через них переменного электрического тока [7-8].

Чаще всего для обработки реограммы выбирают контурный анализ формы сигнала, который заключается в поиске и выделении крайних (экстремальных) точек одной волны.

Так, для реографических кривых, зарегистрированных с различных участков тела, однозначно выделяют такие элементы волны: начало, вершину и конец.

На рисунке 1 представлена реографическая кривая.

Рисунок 1. Реографическая кривая.

Основные параметры представленной кривой:

а – пресистолическая волна

с – вершина систолической волны

i – инцизура;

d – вершина диастолической волны

А – амплитуда систолической волны с компонентами А1 и А2

В – амплитуда реографической волны на уровне инцизуры

D – амплитуда диастолической волны;

α – длительность анакроты (от начала подъема систолической волны до момента формирования ее вершины с), складываемая из интервалов α1 и α2

β – длительность катакроты (от момента, соответствующего вершине волны, до начала следующей систолической волны)

Т – период между вершинами соседних волн реовазограммы, соответствующий длительности сердечного цикла.

В результате выполнения исследования были определены параметры электродной сборки, которые использовались непосредственно для моделирования.

Таблицы 1. Результаты исследований.

Объект

Удельное сопротивление

Для 100 кгц, ом*м

Мышцы

2,762

Кровь

1,422

Костная ткань

48,07

Подкожная жировая прослойка

23,04

Медь (электроды)

 

Частота тока, кГц

100

Сила тока, мА

1

 

Таблица 2. Изменение параметров для модели.

Параметр

Минимальное значение

Максимальное значение

Расстояние между электродами, мм

10

90

Диаметр сосуда, мм

0,5

1,2

Толщина кожи, мм

2

6

Толщина подкожной жировой прослойки, мм

7

21

Толщина мышечного слоя, мм

1,5

-

Глубина залегания сосуда, мм

10

20

Непосредственно имитационная модель представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Исследуемая модель: 1 – Кожа; 2 - Жировой слой; 3 - Мышцы спины; 4 – Позвоночник; 5 - Кровеносный сосуд; 6 - Зондирующие электроды; 7 - Потенциальные электроды.

В результате выполнения исследований получены результаты изменения биоимпеданса в зависимости от изменения диаметра сосуда. Результаты представлены на рисунках ниже.

Рисунок 3. График изменения импеданса в зависимости от угла расположения электродной системы относительно сосудистого русла.

По данному исследованию установлено, что наибольшая разница изменения импеданса 0,99 Ом при увеличении диаметра сосуда зарегистрирована при положении электродной сборки параллельно руслу сосуда над сосудом.

Рисунок 4. График изменения импеданса в зависимости от глубины залегания сосуда.

По данному исследованию установлено, что при изменении глубины залегания сосуда возникает существенная разница в показателях импеданса, однако для глубины залегания 2см, регистрируемый импеданс 0,77 Ом позволяет регистрировать колебания кровенаполнения.

Рисунок 5. График изменения импеданса в зависимости от толщины кожного покрова.

Установлено, что при увеличении толщины кожного слоя показатели импеданса значительно изменяются, разница между значением для кожного слоя толщиной 2мм и толщиной слоя 6мм составляет 1,15 Ом.

Рисунок 6. График изменения импеданса в зависимости от толщины жирового слоя.

В результате данного исследования установлено, что при увеличении толщины жирового слоя уменьшается изменение импеданса. При толщине слоя более 18мм пульсовые колебания будут составлять < 0,023 Ом.

Обсуждение полученных результатов. В результате выполнения исследования были получены наглядные графики изменения импеданса от диаметра сосуда. Полученные результаты близки к ожидаемым, что говорит о возможности применения представленных исследования в организациях, которые проводят регистрацию кровенаполнения мышц спины на основании реографического сигнала.

Заключение: в результате исследования было выбрано положение электродной системы параллельно руслу сосуда. Определены параметры участка спины, при которых возможно снятие полезного сигнала. Определена возможность интерпретации изменений диаметра сосуда по полуачемому сигналу Темой последующих исследований является уточнение параметров электродов для получения максимально точных значений импеданса в зависимости от диаметра сосуда.

Список литературы

  1. Линник С.Н., Мустецов Н.П., Величко О.Н., Дацок О.М. К вопросу интерпретации импедансометрических исследований легких // Прикладная радиоэлектроника. – 2005. – Т. 4. – № 2 – С. 180–184.
  2. Левкович-Маслюк Л.И. Дайджест вейвлет-анализа в двух формалах и 22 рисунках // Компьютерра. – 2008. – № 8 (236). – С. 31–37.
  3. В. Д. Омпоков, В. В. Бороноев. Исследование частотно-временных характеристик пульсовых сигналов с помощью преобразования Гильберта-Хуанга. Журнал радиоэлектроники электронный журнал]. 2017. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may17/8/text.pdf.
  4. Мурашко В.В., Струтынский A.B. Электрокардиография: Учеб. пособие.-М: Медицина, 2011.-288с.: ил.
  5. Яншин В.В. Анализ и обработка изображений: принципы и алгоритмы-М.: Машиностроение. 340 е.: ил.
  6. Ярославский Л.П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии. М.: Радио и связь, 2007.-296 с.
  7. Хэмминг Р.В. Цифровые фильтры.пер. с анг.-М.: Сов.радио, 2010.-224с.
  8. Fink P., Lusth J., Duran J. A general expert system design for diagnostic problem solving // IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intel.-2005.-Vpl.7N5.-p 553-560.
Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его изготовление и доставку, составляет 300 рублей для России и 600 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость печатного свидетельства о публикации составляет 100 рублей

Реквизиты для оплаты через банк