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

Московский государственный технический университет им. Н.Э.БауманаНа правах рукописиКудашов Иван АлександровичБИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ВЕНЕПУНКЦИИ НА ОСНОВЕИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначенияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель –доктор технических наук,профессор Щукин С.И.Москва 20162ОГЛАВЛЕНИЕСтрВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 5ГЛАВА 1. ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ АППАРАТНОПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫКОНТРОЛЯ ВЕНЕПУНКЦИИ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЙЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ..................................................................

101.1 Анатомические особенности периферических венозных сосудов .......... 121.2 Инструментальные методы контроля качества венепункции ................. 161.3 Основные принципы построения биотехнических систем контролякачества венепункции .................................................................................... 281.4 Выводы к главе 1 ......................................................................................

33ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИССЛЕДОВАНИЯ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ОБОСНОВАТЬ СХЕМУЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОДНЫХСИСТЕМ ................................................................................................................ 342.1 Разработка численной модели фантома биологической ткани .............. 352.2 Верификация численной модели на лабораторном стенде ..................... 392.3 Обоснование расположения электродной системы ................................

412.4 Определение чувствительности электродной системы к анатомическимособенностям расположения периферических поверхностных вен ............ 562.5 Исследование влияния скоса иглы на измерения электрическогоимпеданса при вертикальном введении и введении под углом ................... 612.6 Выводы к главе 2 ....................................................................................... 63ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ПРИПРОВЕДЕНИИ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВЕНЕПУНКЦИИЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНЫМ МЕТОДОМ ..........................................................

643.1. Разработка опытного образца электродных систем для проведенияэкспериментальных исследований ................................................................. 653.2. Тестирование электродной системы на лабораторном стенде ............. 683.3. Серия экспериментальных исследований на добровольцах .................. 72Стр33.4. Исследование процессов влияющих на изменение электрическогоимпеданса при введении иглы-электрода ...................................................... 773.5. Выводы к главе 3 ...................................................................................... 80ГЛАВА 4.

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯКОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВЕНЕПУНКЦИИ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСЫММЕТОДОМ ............................................................................................................ 824.1. Контурный анализ экспериментальных сигналов ................................ 824.2.

Снижение пространства значимых параметров .................................... 864.3. Выбор решающего правила, идентификации первого проколастенки вены .................................................................................................... 894.4. Анализ ложно идентифицированных событий тестовой выборки ........ 924.5. Верификация логистической регрессионной модели наэкзаменующей выборке ................................................................................. 964.6.

Рекомендуемые требования к аппаратному обеспечениюБТС контроля качества венепункции .......................................................... 1014.7. Выводы к главе 4 ................................................................................... 102ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ............................................................................................ 103СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................. 104ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................................................................. 1124СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙМИХ – минимально инвазивная хирургияУЗ – ультразвукБО – биологический объектЭМП – электромагнитное полеБТС – биотехническая системаКРВО – конечная разность во временной областиАТЭ – активный токовый электродЗТЭ – заземленный токовый электродПАК – программно-алгоритмический комплексЦМ – цилиндрическая модельПЭ – поверхностный электродТВ – тестовая выборкаЭВ – экзаменующая выборкаЭКВ – электродно-контактное вещество5ВВЕДЕНИЕЗа последние годы в мировой лечебно-диагностической практике растетинтерес к визуализации минимально инвазивных процедур.

Одной из такихпроцедур является пункция периферических поверхностных вен. Пункцияпериферических вен направлена на взятие проб крови или введениялекарственного вещества в вену. Для корректного выполнения данныхманипуляций необходимо точное понимание расположения инъекционнойиглы относительно кровеносного сосуда. В противном случае высокавероятностьвозникновенияпостинъекционныхосложнений.Основнымипричинами осложнений, возникающих при проведении рассматриваемыхманипуляций, являются двойной прокол стенки кровеносного сосуда, касаниескоса иглы стенки сосуда, частичное введение иглы в просвет вены.На сегодняшний день контроль качества венепункции зависит от уровняпрофессионализма медицинского работника. Автоматизация процесса контролядвижения инъекционной иглы в мягких тканях позволит снизить рискосложнений и повысить качество проведения манипуляции путем снижениявлияния человеческого фактора.

При разработке системы контроля качествавенепункции, определение момента времени и самого факта прокола иглойстенки венозного сосуда, а также информирование медицинского персонала обэтом, являются основными задачами, потому что позволяют минимизироватьтакие осложнения, как двойной прокол и контакт иглы с интимой венозногососуда.Наиболее распространенными методами контроля качества венепункцииявляются:Ультразвуковой метод, основанный на отражение ультразвуковогоколебания на границе разделов сред с разной плотностью, таких как мягкиеткани и кровь. Применяется для контроля пункции или инъекции с плохимвенозным доступом, например при пункции глубоких вен.

Основные6недостатки связаны с привлечением сложной, дорогостоящей аппаратуры испециалиста ультразвуковой диагностики.Оптический метод, основан на разнице коэффициента отраженияоптического излучения на длине волн в диапазоне от 600 до 800 нм для крови имягкой ткани. Применяется для визуализации периферических вен, но непозволяет контролировать проникновение инъекционной иглы в просветвенозного сосуда.Тактильный метод.

Позволяет определить проникновение иглы в просветсосуда по разности давления в шприце и в сосуде, что не всегда удобно,поскольку разности давления бывает недостаточно. Метод крайне субъективени зависит от квалификации медицинского персонала.Электроимпедансный метод. Применяется в основном западнымиучеными при решении вопросов связанных с определением типа ткани.Например, в работах [41-51]. Но существует недостаток, связанный сэлектродной системой, а именно, для измерений используется игла-электрод спроводящимокончаниемиизолированнымоснованием,чтовводитограничения в электродную систему связанные с изготовлением иглыэлектрода.В связи с перечисленными особенностями известных прототипов былопредложеноразработатьбиотехническуюсистемусиспользованиемтрадиционной инъекционной иглы под контролем измерительной системы.Для проведения контроля венепункции электроимпедансным методомпредложена биотехническая система в основе, которой биологический объект –область предплечья, состоящая из комплекса биологических тканей.

Тканиобладают различными электрофизическими свойствами, разным удельнымсопротивлением. Причем удельное электрическое сопротивление венознойкровивразыниже,чему окружающихтканей,поэтому имеетсяпринципиальная возможность определить момент проникновения иглыэлектрода в кровь, поскольку при этом измеряемый импеданс иглыотносительно референтного электрода уменьшается. Однако предварительный7анализ показывает, что для разработки подобной технологии контроля качествавенепункции необходимо решить ряд научно-технических задач, а именно:- обоснование схемы и метода измерения импеданса иглой-электродом.- проведение анализа процессов и параметров, влияющих на величину ивременные характеристики импеданса иглы-электрода, движущейся в тканяхконечности.- разработка и исследование эффективности метода идентификациипервого прокола инъекционной иглой стенки кровеносного сосуда.В связи с этим и были сформулированы цель и задачи настоящейдиссертации.Целью данной работы являлось разработка биотехнической системыконтроля венепункции на основе измерений электрического импеданса.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:1.Разработкаиобоснованиесхемыисредствизмеренийэлектрического импеданса при венепункции, расположения и размеровэлектродных систем для обеспечения максимального изменения импеданса вмомент прокола стенки сосуда иглой-электродом.2.Исследование процессов, влияющих на изменение электрическогоимпеданса при введении иглы-электрода.3.Разработкаметодаопределенияпроколастенкисосуда,исследование параметров эффективности алгоритмического обеспечения.4.Медико-биологическиеисследованияэффективностиразработанных средств и методов.Научная новизна1.

На основании результатов теоретических и экспериментальныхисследований установлены механизмы изменения электрического импедансапри движении иглы-электрода в мягких тканях, контакте и проколекровеносного сосуда.82. На основе теоретических и экспериментальных исследованийопределены размеры и расположение электродной системы, обеспечивающиеидентификацию прокола стенки кровеносного сосуда.3.

Разработан метод определения прокола кровеносного сосуда иглойэлектродом, включающий:•анализзначимыхамплитудно-временныхпараметровэлектрического импеданса иглы-электрода в процессе проникновения;•оценку вероятности прокола по результатам расчета логистическойрегрессионной функции от контурных параметров электроимпедансныхсигналов.Практическая ценностьРезультаты диссертации внедрены в практику научных исследованийнаучно-исследовательского института биомедицинской техники и учебныйпроцесс факультета биомедицинской техники, а также в медицинскую практикунаучного образовательного медико-технологического центра МГТУ им.