Автореферат (Биотехническая система контроля венепункции на основе измерений электрического импеданса)

На правах рукописиКудашов Иван АлександровичБИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ВЕНЕПУНКЦИИ НАОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСАСпециальность 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинскогоназначенияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«МосковскийгосударственныйтехническийуниверситетимениН.Э. Баумана».Научный руководитель:Щукин Сергей Игоревич,доктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты:Селищев Сергей Васильевич,докторфизико-математическихнаук,профессор, Московский государственныйинститут электронной техники (техническийуниверситет) (МИЭТ), заведующий кафедройбиомедицинских систем;Седанкин Михаил Константинович,кандидат технических наук, ООО "ФирмаРЭС", ведущий инженер-конструктор.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение «Федеральный научный центртрансплантологии и искусственных органовимени академика В.И.

Шумакова» МинздраваРоссии, г. Москва.Защита состоится «29» июня 2016 г. в 15:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.14 при Московском государственномтехническом университете имени Н.Э. Баумана в зале Ученого Совета поадресу 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр.1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Бауманаи на сайте www.bmstu.ruАвтореферат разослан « ___ » __________ 2016 г.Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просьбанаправлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.

5, стр.1,МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного советаД 212.141.14.Ученый секретарьдиссертационного советаСамородов АндрейВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПункция венозных сосудов является распространенной процедурой вмедицинской практике, как для забора проб крови пациента длялабораторной диагностики, так и для инфузионной терапии сиспользованием игл и катетеров в просвете вены.Для эффективного выполнения венепункции необходимо иметьинформацию о расположении иглы относительно кровеносного сосуда. Впротивном случае высока вероятность возникновения постинъекционныхосложнений.

Основными причинами осложнений являются двойнойпрокол стенки кровеносного сосуда, касание скоса иглы стенки сосуда,частичное введение иглы в просвет вены.Сегодня эффективность венепункции зависит от уровняпрофессионализма медицинского персонала. Автоматизация процесса,основанная на объективной информации о расположении инъекционнойиглы, получаемой инструментальными методами, позволит снизить рискосложнений и повысить качество проведения манипуляции путемснижения влияния человеческого фактора. При разработке методовинструментального контроля пункции венозных сосудов, определениемомента и самого факта прокола иглой стенки венозного сосуда, а такжеинформирование медицинского персонала об этом, являются актуальнойзадачей, позволяющей минимизировать постинъекционные осложнения.Существующие методы контроля качества венепункции являются:ультразвуковой метод, основанный на отражение ультразвуковой волны награнице раздела сред с различными акустическими импедансами.

Методприменяется для контроля пункции, или инъекции, с плохим венознымдоступом, и при пункции глубоких вен. Основные недостатки связаны спривлечением сложной и дорогостоящей аппаратуры и специалиста поультразвуковой диагностике.Оптический метод, основан на различие коэффициентов отраженияизлучения на длинах волн в диапазоне от 600 до 800 нм для крови и мягкихбиотканей. Метод применяется для визуализации периферических вен, но,как правило, не позволяет контролировать проникновение инъекционнойиглы в просвет венозного сосуда.Наиболее распространенным является тактильный метод.

Приналичии квалифицированного специалиста позволяет определитьпроникновение иглы в просвет сосуда. Метод крайне субъективен ичувствителен к уровню квалификации медицинского персонала.1В литературе имеются данные о применении электроимпедансногометода для определения типа биологических тканей и сред: кожная ткань,соединительная и мышечная ткани, кость, кровь, через которыеперемещается игольчатый электрод (Grimnes S., Martinsen Ø.G., 2015, SaitoH., Togawa T., 2009). Метод основан на различии электрическойпроводимости биосред и, обычно, использует специальную иглу-электродспроводящимокончаниемиизолирующимоснованием.Электроимпедансный метод лишен многих из отмеченных недостатков ипозволяет создавать инструментальные и алгоритмические средства,чувствительные к проколу венозного сосуда, однако, для этого необходиморешить ряд связанных научно-технических задач, к которым относятся:- обоснование методики измерения электрического импеданса сиспользованием традиционных для венепункции игл в качестве электрода;- обоснование таких параметров измерения как: величинызондирующих токов, их частота, схема измерения, расположение иразмеры электродных систем;- разработка алгоритмов определения факта прокола иглойэлектродом венозного сосуда на основе анализа параметров измененияэлектрического импеданса при введении иглы-электрода в биологическиеткани.В связи с этим и были сформулированы цель и задачи настоящейдиссертации.Цель диссертационной работыЦелью данной работы является разработка биотехнической системыконтроля венепункции на основе измерений электрического импеданса.Задачи диссертационной работы1.Разработка и обоснование схемы и средств измеренийэлектрического импеданса при венепункции, расположения и размеровэлектродных систем для обеспечения максимального изменения импедансав момент прокола стенки сосуда иглой-электродом.2.Исследованиепроцессов,влияющихнаэлектрического импеданса при введении иглы-электрода.изменение3.Разработка метода определения прокола стенки сосуда,исследование параметров эффективности алгоритмического обеспечения.4.Медико-биологическиеразработанных средств и методов.2исследованияэффективностиНаучная новизна1.На основании результатов теоретических и экспериментальныхисследований установлены механизмы изменения электрическогоимпеданса при движении иглы-электрода в мягких тканях, контакте ипроколе кровеносного сосуда.2.На основе теоретических и экспериментальных исследованийопределеныразмерыирасположениеэлектроднойсистемы,обеспечивающие идентификацию прокола стенки кровеносного сосуда.3.Разработан метод определения прокола кровеносного сосудаиглой-электродом, включающий:анализзначимыхамплитудно-временныхпараметровэлектрического импеданса иглы-электрода в процессе проникновения;оценку вероятности прокола по результатам расчеталогистической регрессионной функции от контурных параметровэлектроимпедансных сигналов.Практическая ценностьРезультаты диссертации внедрены в практику научных исследованийнаучно-исследовательского института биомедицинской техники и учебныйпроцесс факультета биомедицинской техники, а также в медицинскуюпрактику научного образовательного медико-технологического центраМГТУ им.

Н.Э. Баумана.Положения, выносимые на защиту1. Максимальное относительное изменение электрическогоимпеданса в момент прокола венозного сосуда иглой-электродомдостигается при использовании биполярного метода измерений.2.Применениефункции(dZ d 0)dt Z 2повышаетвероятностьдетектирования комплексов – кандидатов на прокол и соотношениесигнал/шум.3. Определено пять амплитудно-временных параметров комплексовкандидатов на прокол, установлено, что рассчитанные на их основечисленные значения логистической регрессионной функции обеспечиваютопределение прокола с вероятностью не менее 90 %.3Апробация работыАпробация работы проведена на объединенном научном семинарекафедр факультета биомедицинской техники МГТУ им. Н.Э.

Баумана.Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: 15-йнаучно-технической конференции «Медико-технические технологии настраже здоровья» (Португалия, Мадейра, 2013); 16-й научно-техническойконференции «Медико-технические технологии на страже здоровья»(Греция, Кефалония, 2014); 17-й научно-технической конференции«Медико-технические технологии на страже здоровья» (Россия, Крым, пос.Партенит, 2015); «1st Russia German Conference on Biomedical Engineering»(Germany, Hannover, 2013); «2st Russia German Conference on BiomedicalEngineering» (Russia, St.

Petersburg, 2014); «3st Russia German Conference onBiomedical Engineering» (Germany, Aachen, 2015).ПубликацииПо материалам работы опубликовано 12 печатных работ, из которых4 статьи в рецензируемых журналах и изданиях из перечня ВАК РФ.Объем и структура диссертацииСодержание диссертации соответствует специальности 05.11.17.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общихвыводов, списка литературы и приложения. Основное содержание работыизложено на 123 страницах, работа содержит 55 рисунков, 25 таблицу исписок литературы из 92 библиографических источников.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность диссертационной работы,определена область исследования, обозначены основные проблемы вданной области, сформулированы цель и задачи работы. Показанопрактическое значение и раскрыта научная новизна работы, а такжеописана ее структура.В первой главе проведен анализ строения и свойств венозныхсосудов и мягких тканей конечности, в ходе которого обоснована областьисследований.

Проведен анализ существующих методов и систем контроляи навигации инъекционной иглы при проведении пункционных процедур.Отмечено, что для контроля венепункции применяются такие методы, как:ультразвуковые, оптические, тактильные и электроимпедансные. Изперечисленных методов именно электроимпедансный метод потенциальнопозволяет, без привлечения сложной аппаратуры, проводить контролькачества венепункции, используя традиционные металлические иглы.4В главе анализируется физическая сущность метода измеренияэлектрическогоимпедансасиспользованиемтрадиционныхметаллических игл в качестве одного из электродов.

Анализ зависимостейэлектрофизических свойств биологических тканей конечности и крови отчастоты зондирующего тока позволил обосновать диапазон частотизмерения импеданса и амплитуду зондирующих токов.Показано, что указанный диапазон составляет 50-100 кГц, аучитывая отечественный опыт создания электроимпедансных систем длядиагностики сердечно-сосудистых заболеваний, а также из соображенийснижения риска травмирования нейромышечных структур целесообразноиспользовать частоту 100 кГц. В главе представлена блок-схемабиотехнической системы электроимпедансного контроля венепункции,включающая:-биологический объект (как правило, предплечье с установленнойсистемой электродов);-измерительный преобразователь электрического импеданса,включающий блок генерации зондирующего тока, блок фильтрации,пиковый детектор и блок обработки сигналов;-программно-алгоритмическое обеспечение, по результатам работыкоторого формируется сигнал о первом проколе кровеносного сосуда.В главе обоснованы научные и технические задачи, которыенеобходимо решить в данной работе, проанализированы возможные путиих решения.Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальнымисследованиям, результаты которых позволяют обосновать схемуэлектроимпедансных измерений, параметры электродных систем,обладающих необходимой чувствительностью к проколу стенки венозногососуда.Математическое моделирование распределения электрических полейи токов в моделирующей среде, представленной мягкими тканями ирасположенным в них венозным сосудом, проводилось в программнойсреде SEMCAD X 14,8 (SPEG AG, Швейцария).