Методи та апаратура неінвазивних досліджень електричної активності шлунково-кишкового тракту

Розроблено модель високоефективного електроентерографічного відведення від кінцівок.

Обґрунтовано параметри резонансних активних фільтрів для використання в апаратурі електроентерографії.

Обґрунтовано параметри апаратури електрогастрографії нового покоління.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений електроентерограф пройшов апробацію у Харківській міській клінічній лікарні №31.

Електрогастрограф та електроентерограф, на основі рекомендацій, які викладено в дисертації, проходить апробацію при одночасній роботі із засобами інвазивної діагностики у Харківському науково-дослідному інституті експериментальної та невідкладної медицини АМН України.

Методика розробки та технічні вимоги до електроентерографа й електрогастрографа використовуються при викладанні курсів “Обробка біомедичної інформації” і “Біотелеметрія” на кафедрі РЕП ХНУРЕ.

Електроентерограф використовується в навчальному процесі у циклі лабораторних робіт до курсу “Радіоелектронні медичні пристрої” для студентів спеціальності “Медичні радіоелектронні пристрої та системи” та аналогічної спеціалізації по спеціальності “Радіотехнічні пристрої, системи та комплекси”.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. В роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належить: в [1] синтез функціональної та принципової схеми неінвазивного комп'ютерного електрогастроентерографа; в [2] синтез і аналіз принципової схеми резонансного активного фільтру та метод її дослідження за допомогою програмних пакетів моделювання; в [3] результати експериментів по підвищенню характеристик підсилювача сигналу електрогастрограми, результати дослідження електричних характеристик електродів, блок-схема електрогастрографа, функціональна схема приладу для проведення електроентерогастрографічної експрес-діагностики та стимуляції; в [4] розробка запропонованого пристрою для моніторування скорочувальної функції шлунково-кишкового тракту, метод проведення моніторування, метод вимірювання, спосіб візуалізації та аналізу результатів; в [5] спосіб застосування універсального електроентерогастрографа для оцінки функціонального стану шлунково-кишкового тракту; в [6] особливості розробки та застосування нейронних мереж до обробки сигналу електричної активності шлунку при відведенні з поверхні тіла, результати спектрального аналізу електроміограми, електроентерограми шлунку і електрогастрограми за допомогою алгоритму мінімізації надлишкового представлення сигналу; в [7] аналітичний огляд існуючої у країнах СНД та дальнього зарубіжжя апаратури неінвазивної реєстрації електричної активності шлунково-кишкового тракту.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень повідомлені й обговорені: на 6-й Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації” Туапсе-Харків, 2000 р, ХТУРЕ; на 6-му Молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті”, Харків, 2002 р., ХНУРЕ.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 7 роботах, із них 3 статті у наукових збірках, 2 патенти України, 2 матеріали і тези доповідей конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків та додатка. Вона має обсяг 129 сторінок, текст основної частини складає 107 сторінок. Робота містить 42 рисунки, 1 таблицю. Список використаних джерел містить 101 найменування.

 

 

Вступ містить обгрунтування актуальності напрямку обраного автором дисертаційної роботи; формулювання мети і задач дослідження; визначення наукової новизни й практичної цінності отриманих результатів, а також дані про особистий внесок в публікації й апробації результатів роботи.

У першому розділі проведено огляд методів реєстрації ЕА ОШКТ на поверхні тіла і всередині. Показані особливості сигналів, що реєструються від різних відведень. Проаналізовані обмеження неінвазивних методів. Визначені основні характеристики сигналу, що принципово можуть бути отримані. Розглянуті моделі ЕА ОШКТ й показано, що найбільш суттєвим фактором, який обмежує можливості реєстрації є жировий шар під поверхнею черевної стінки. У зв'язку з цим запропонована вдосконалена модель (рис. 1), в якій торс представлено у вигляді приплюснутого циліндра, стінки якого складаються із декількох шарів з різною проводимістю. Істотним є те, що для реєстрації ЕА ОШКТ використовуються відведення від кінцівок, що дозволяють знімати сигнал обходячи сальник. Таким чином отримано надійний доступ до показника частоти ЕА кишечника і, отже, до мониторування його перистальтики.

Недоліком такого відведення є неможливість просторового детектування джерел ЕА всередині конкретного органу ШКТ, але апріорна інформація про частоти коливань пейсмейкерів цих органів дозволяє проводити моніторінг ЕА та перистальтики шлунку й кишечника в цілому.

Логічним здається подальший пошук відведень, розташованих на торцях приплюснутого циліндру, що дозволить ввести просторове детектування всередині окремого органу ШКТ й підвищити інформативність методу.

Проаналізовані методи обробки сигналів ЕА ОШКТ: класичні (періодограмний і коррелограмний) ; параметричні (АР-модель, АРСС-модель, СС-модель). Зроблено висновок про те, що в перетворенні Фур'є та побудованих на ньому методах існує протиріччя між дозволом по часу й дозволом по частоті. Тобто, роблячи розмір вибірки більшим, одержуємо краще розрізнування спектральних складових сигналу, але втрачаємо спроможність одстежувати поведінку цих спектральних складових у часі. Означені методи ґрунтуються на поданні про повні, не надлишкові базиси: Фур'є, дискретного косінусного перетворення, вейвлет та ін. Розкладання в цих базисах сигналу одне. Однак відомо поняття надлишкового базису. Сигнал в цьому базисі може мати багато розкладів. Важливо вміти вибрати один оптимальний розклад, спираючись на певний критерій. Використання надлишкових базисів дозволяє значно збільшити дозвіл по частоті, що важливо для електроентерографії і електрогастрографії при дослідженні різних типів аритмій.

Задача вибору одного розкладу сигналу з усіх можливих зводиться до так званої задачі мінімізації палива. Математично ця задача представляється у вигляді, коли необхідно мінімізувати К (К- ціле, більше нуля), за умови, що:

 . (1)

Вирішити таку задачу прямо складно із-за значних обчислювальних витрат, тому переходять до близької задачі, мінімізуючи першу норму вектору