Диссертация (Биотехническая система контроля венепункции на основе измерений электрического импеданса), страница 10

В связи с этим наблюдаетсятипичная характеристика, как и в случае с лабораторным стендом. В моментпрокола стенки вены изменение электрического импеданса происходитбыстрее, чем при возникновении других переходных процессов, например,изменение скорости введения инъекционной иглы.Таким образом, был сделан вывод, что анализировать характеристикуэлектрическогоимпедансаприконтролекачествавенепункциииидентифицировать прокол стенки венозного сосуда целесообразнее подифференциальному сигналу электрического импеданса.3.3.1. Анализ первой производной экспериментальной зависимостиДля исследований дифференциального сигнала, полученный сигнал былпреобразован по формуле (3.2), выражение для нахождения сглаженнойпроизводной [86].H (z) =1( −2 z −2 − z −1 + z1 + 2 z 2 ) ,10T(3.2)где Т – период дискретизации; z – исследуемая функция.В результате был получен дифференциальный сигнал, показанныйна Рисунке 3.9, на котором момент введения иглы-электрода и проколвенозного сосуда изображен в виде комплексов изменения электрическогоимпеданса.76Рисунок 3.9.

Анализ первой производной экспериментального сигналаа) экспериментальный сигнал; б) производная экспериментального сигнала;1 – движение иглы-электрода в мягких тканях, 2 – прокол стенки венозногососудаВ ходе анализа первой производной экспериментального сигнала, быловыявлено, что в первоначальный момент времени производная сигнала сильнозашумлена. Этот эффект связан с сильной чувствительностью игольчатогоэлектрода по отношению к скорости введения. Помимо влияния скоростивведения игольчатого электрода, присутствует влияние малой площадиконтакта игольчатого электрода в момент начального этапа введения иглыэлектрода. Это связано с большим сопротивлением и, как следствие, малымтоком растекания.

При высоком сопротивление току растекания, достигаетсявысокая чувствительность к изменению площади контакта игольчатогоэлектрода.Помереувеличенияплощадиконтакта,чувствительностьуменьшается.Чем глубже расположен сосуд, тем чувствительность метода к влияниюболее проводящей среды хуже.

Это было показано при проведенииисследований посвященных моделированию фантома биологической ткани сизменением глубины залегания венозного сосуда.77В момент движения игольчатого электрода через кожу и мягкие ткани засчет описанных выше эффектов, возникают сильные артефакты, зашумляющиеполезный сигнал. Поэтому было проведено исследование процессов влияющихна изменение электрического импеданса при введении иглы-электрода.3.4. Исследование процессов влияющих на изменение электрическогоимпеданса при введении иглы-электродаПри исследование процессов влияющих на изменение электрическогоимпеданса, детальный анализ временных зависимостей импеданса показывает,что в процессе проникновения иглы-электрода в мягкие ткани возникаютпохожие на прокол комплексы изменения импеданса, которые маскируютсобытие.

На Рисунке 3.9 показано изменение импеданса при венепункции и егопроизводная.Учет процессов влияющих на электрический импеданс необходим дляминимизации артефактов, поскольку это затрудняет идентификацию проколапри разработке алгоритма контроля качества венепункции. Для учетаизменений электрического импеданса была проанализирована математическаямодель, описывающая сопротивление растекания току для вертикальногостержня, погруженного в однородную среду [63].Z=ρ4y⋅ ln,2π ld(3.3)где Z – сопротивление растекания (Ом); y – длина проводника (мм); d –диаметр игольчатого электрода (мм); ρ – удельное сопротивление среды(Ом·мм).Анализ математической модели показывает, что при нормированииэкспериментальной зависимости на математическую модель теоретическивозможно получить линейную зависимость при движении иглы в мягкихтканях.

А в момент прокола электрический импеданс изменит траекторию вотличие от аппроксимации. По данному критерию появится возможность78выразитьпроколстенкивены.Однакоприэтомэкспериментальнаязависимость должна быть получена с некоторыми допущениями. Во времяпроведениярегистрацииэлектрическогоимпедансаскоростьвведенияинъекционной иглы должна быть равномерной.

От пациента не должноисходить движений.Однако данные допущения осуществить невозможно, поскольку припроведении венепункции в реальных клинических условиях добиться отмедицинского персонала равномерной скорости введения инъекционной иглы вткани пациента невозможно без специального оборудования.

Поэтому принормированииэкспериментальнойзависимостинеобходимоучитыватьскорость введения иглы и глубину ее проникновения в мягкие ткани, для этогозависимость (3.3) была представлена в виде (3.4):dZ dZ=⋅ V (t) ,dt dxгде(3.4)dZ– пространственная функция чувствительности; V(t)– скоростьdxперемещения инъекционной иглы в мягких тканях.Скоростьперемещениязависитотчеловеческогофактора,апространственная функция чувствительности при более детальном анализепозволит определить нормировочный коэффициент для уменьшения влиянияартефакта движения на регистрируемые показатели.Таким образом, зависимость (3.3) была преобразована до вида:dZ= F (y) ⋅ Z2 , гдеdx(3.5)1 1 − ln y()α ln 2 y(3.6)F (y) =α=4xρdy=,d .2π(3.7)79Выражение (3.7) является постоянной величиной при учете того, чтохарактерные для венепункции параметры, а именно диаметр иглы, влияют наизмеряемый электрический импеданс не существенно.При подстановке (3.6) в (3.5) было получено:dZ 1 1 − ln y 2= ()Zdx α ln 2 y(3.8)В ходе преобразований получено трансцендентное уравнение (3.8).Анализтрансцендентногоуравненияпоказал,чтодлянормировки2целесообразнее использовать Z , поскольку изменение функции1 1 − ln y⋅α ln 2 y ,находится в диапазоне от -0,025 до -0,033, что не существенно влияет наизменение функцииdZс увеличением глубины, причем α учитывает влияниеdxдиаметра применяемой иглы-электрода.Качественныйанализэлектрическогоимпедансаиглы-электрода,основанный на зависимостях сопротивления току растекания у проводящейповерхности,показывает,чтопридвижениииглымогутвозникатьмаскирующие прокол комплексы импеданса, которые связаны с неравномернойскоростью движения иглы-электрода.

Причем зависимостьdZимеет двеdtсоставляющие: скорость иглы-электрода и пространственную функциючувствительности,которая,длятипичныхвенепункциипараметрах,эквивалентна Z2, где Z – текущий импеданс иглы-электрода. Таким образом,если нормироватьdZdtна Z2 изменения импеданса будут, в основном,определяться проколом стенки сосуда и неравномерной скоростью, а неглубиной залегания кровеносного сосуда, что в свою очередь позволитповысить точность определения прокола стенки вены.80На Рисунке 3.10 показана производная экспериментальной зависимостидо учета влияния проникновения иглы-электрода и после.Рисунок 3.10. Учет процессов влияющих на электрический импеданса) до нормирования; б) после нормирования; 1 – движение иглы в мягкихтканях;2 – первый прокол стенки веныДля полученной экспериментальной выборки, состоящей из пятнадцатиэкспериментальных сигналов, была применена методика учета процессоввлияющих на электрический импеданс.

Применение методики показалобольшую выраженность момента прокола на производной сигнала, которая всвою очередь способствует идентификации момента первого прокола стенкивены. Для всей экспериментальной выборки было рассчитано соотношениесигнал шум, которое показало, увеличение полезного сигнала по отношению кшуму на 24 дБ. Результаты работы опубликованы в [87].3.5. Выводы к главе 31.Наосноветеоретическихисследованийрасположенияигеометрических особенностей электродных систем на БО, были разработаныопытные образцы электродных систем, которые показали приемлемые значения81электрического импеданса при проведении экспериментальных исследованийна добровольцах.

Был разработан специальный фиксатор инъекционной иглы,который позволяет, не нарушая правил асептики проводить контроль качествавенепункции.2. При проведение экспериментальных исследований был полученнеобходимый диапазон измеряемого импеданса, который позволил определитьдинамический диапазон измерительного преобразователя. Был рассчитанвременной интервал прокола и других событий. Понимание временногоинтервала событий позволит рассчитать частоту дискретизации измерительногопреобразователя для контроля качества венепункции.3. В ходе анализа процессов влияющих на изменение электрическогоимпеданса сделан вывод, что учет влияния проникновения иглы-электрода вмягкие ткани позволит увеличить соотношение сигнал шум в среднем на 24 дБ,что способствует определению момента первого прокола стенки кровеносногососуда при автоматизации процесса контроля качества венепункции.82ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯКОНТРОЛЯ ПУНКЦИИ И ИНЪЕКЦИИ ПЕРИФЕРИЧЕСКИХВЕНОЗНЫХ СОСУДОВДля разработки алгоритмического обеспечения метода контроля качествавенепункции,X1 = (былипроведеныисследованияпараметровфункцииdZ d) , как при проколе, так и в случаях его отсутствия.

В ходеdt Z 2исследований было отмечено, что амплитудно-временные характеристикифункции Х1 в момент прокола и в момент артефакта отличаются. Дляпроведения более детального анализа параметров функции было предложенопровести контурный анализ функции. Контурный анализ позволит разработатьалгоритмическое обеспечение для идентификации первого прокола.4.1.Контурный анализ экспериментальных сигналовВыбросы на производной сигнала обусловлены артефактами, связаннымис проведением эксперимента и переходом из среды с меньшей проводимостьюв среду с большей проводимостью. Целью контурного анализа событийявляется изучение ключевых особенностей параметров функции, как дляпроколов, так и для артефактов.Проведениеконтурногоанализавключалоопределениеграницисследуемых на функции выбросов (комплексов).