Диссертация (Биотехническая система контроля венепункции на основе измерений электрического импеданса), страница 6

Обоснование расположения электродной системыОдной из ключевых задач при разработке БТС контроля качествавенепункции является определение оптимального расположения электроднойсистемы, с целью выявления максимального значения чувствительностиэлектрического импеданса к проколу стенки венозного сосуда. Однако, дляобоснования расположения электродной системы на БО необходимо пониманиераспределения силовых линий между токовыми электродами.42Необходимо определить в каком случае в момент прокола стенки сосудаинъекционной иглой возникнет характерная особенность электрическогоимпеданса,покоторойвозможноидентифицироватьпроколстенкикровеносного сосуда. Для этого были разработаны численные модели сразличным расположением электродов.2.3.1.

Исследование электродной системы с одним аппликационнымэлектродомЭлектродная система с одним аппликационным электродом показана наРисунке 2.5.Рисунок 2.5. Схема подключения электродной системы №11 – активный токовый электрод; 2 – игольчатый электродДанная электродная система была рассмотрена, поскольку процессы,характеризующие электрический импеданс при проникновении иглы-электродав БО, возможно аппроксимировать выражением описывающее сопротивлениетоку растекания для вертикального стержня у проводящей поверхности [63-67]:Z=ρ4liln2π ld,(2.7)где ρ – удельное сопротивление проводника [Ом·м]; l – длина проводника [м];d – диаметр проводника [м].43Первой итерацией при исследовании схемы подключения электроднойсистемы №1 было определение оптимального расположения игольчатогоэлектрода относительно АТЭ (Рисунок 2.6).

Для этого была разработаначисленная модель, в которой площадь АТЭ задана 20х30 мм. Для обоснованиярасположенияигольчатогоэлектродарассмотренонесколькособытий.Игольчатый электрод был удален от АТЭ на 20; 40; 60; 80; 100 мм. Для этихпозиций было расчитано значение электрического импеданса.Рисунок 2.6. Моделирование расположения игольчатого электрода1 – удаление игольчатого электрода от токового электрода на 20; 40; 60; 80;100 ммВмоделизаданыглубинывведенияиглы-электрода.Электродпогружался на 3; 7,5 и 13 мм. Введение игольчатого электрода на 7,5 ммсоответствует моделированию первого прокола стенки сосуда. Введениеигольчатого электрода на 13 мм соответствует двойному проколу венозногососуда.В ходе проведения исследований габаритные и электрофизическиепараметры численной модели фантома не изменялись.Для каждой позиции игольчатого электрода был рассчитан электрическийимпеданс и, было посчитано относительное изменение электрическогоимпеданса к проколу стенки сосуда. Относительное изменение оценено поформуле (2,8):44δ=Z max − Z mini100% ,Z max(2,8)где Zmax – электрический импеданс для введения игольчатого электрода наглубину 3 мм; Zmin - электрический импеданс для введения игольчатогоэлектрода на глубину 7,5 ммВ качестве критерия оценки относительного изменения импедансарассматривались глубины 3 мм и 7,5 мм, поскольку на этих глубинах модельиглы пересекает плоскость второй среды, что является моделированиемпервого прокола стенки кровеносного сосуда.Относительное изменение импеданса к введению игольчатого электродабыло рассчитано при удалении от АТЭ на 20; 40; 60; 80; 100 мм.

В ходепроведения исследования был получен результат, представленный в Таблице 4.Таблица 4.Результат расчета моделирования по перемещению иглы-электродаотносительно АТЭОтносительное изменение импедансаРасстояние между электродами, ммк проколу %622059405760548053100Из Таблицы 4 следует, что максимальное значение относительногоизменения электрического импеданса к проколу соответствует минимальномурасстоянию между игольчатымэлектродом иАТЭ.Из проведенныхисследований это расстояние 20 мм, как показано на Рисунке 2.7.45Рисунок 2.7. Движение иглы-электрода относительно АТЭПроведено исследование по определению оптимальной площади контактаАТЭ.

Для этого разработана модель с переменной площадью контакта АТЭ.Площадь контакта задана: 1х1; 3х3; 5х5; 10х10; 20х20; 30х30 мм (Рисунок 2.8).Расстояние между АТЭ и игольчатым электродом 20 мм.Рисунок 2.8. Изменение площади АТЭАктивный токовый электрод, установлен над имитационным сосудом наповерхности модели. Игольчатый электрод вводился в модель на глубины: 3;7,5 мм.

В ходе расчета численной модели полученные результаты, отражены вТаблице 5 и показаны на Рисунке 2.9.46Таблица 5.Расчет изменения электрического импеданса к проколу стенки сосуда припеременной площади контакта АТЭРезультат моделирования1х1Относительное изменениеэлектрического импеданса,%253х3375х54610х105520х206030х3061Площадь,мм х ммРисунок 2.9. Влияние относительного изменения электрического импеданса кизменению площади АТЭКак показано на Рисунке 2.9 при достижении площади контакта 20х20 ммзначенияотносительногоизмененияэлектрическогоимпедансасталиприближаться к максимальной величине. Таким образом, оптимальная площадьконтакта АТЭ, должна быть не менее 20х20 мм, для наилучшей визуализации47момента первого прокола стенки кровеносного сосуда при проведениивенепункции в области предплечья на периферических поверхностных венах.2.3.2.

Исследование электродной системы с двумя аппликационнымиэлектродамиЭлектродная система с двумя аппликационными электродами быларассмотрена, потому что при проведении теоретических исследований начисленных моделях, результаты расчетов показали, что электродная сборка содним токовым электродом будет регистрировать измерения в диапазоне до8 кОм, а это вне динамического диапазона, используемого в исследованиях,измерительногопреобразователя.дополнительныхисследованияхПоэтомусвозникладобавлениемЗТЭнеобходимостьввмоделируемуюэлектродную систему.Первоначально выявлено оптимальное расположение ЗТЭ. Электроднаясистема, показанная на Рисунке 2.10, была расположена над имитационнымсосудом.

Заземленный токовый электрод подключен к игольчатому электроду.Рисунок 2.10. Схема расположения электродной системы с двумяаппликационными электродами1 – Активный токовый электрод; 2 – Игольчатый электрод; 3 –Заземленный токовый электрод48Расстояние между аппликационными токовыми электродами в моделизадано переменным для выявления оптимального расположения. Рассмотренопродольноерасположениеипоперечное.Поперечноерасположениерассматривалось для максимального приближения ЗТЭ к АКЭ при этом, незакрывая область пунктирования от врача (Рисунок 2.11).

Расстояние междутоковыми электродами в продольном расположении составило в первом случае60 мм, во втором 80 мм, выбранное расстояние позволит установить электроды,не закрывая от врача рабочую поверхность.При поперечном расположение АТЭ не перемещался и оставался надвенозным сосудом, а ЗТЭ был установлен на расстояние 10 мм, вдоль вены.Игольчатый электрод вводился в модель на глубины 3 мм и 7,5 мм, чтосоответствует расположению иглы-электрода над венозным сосудом и первомупроколу стенки сосуда. Игла-электрод вводилась под углом 90° к поверхностимодели.

Введение игольчатого электрода осуществлялось при удалении от АТЭна расстояние 20 мм. Для каждого случая введения иглы-электрода рассчитаначувствительность. Варианты расположения заземленного токового электрода начисленной модели представлены на Рисунке 2.11.Рисунок 2.11. Варианты расположений ЗТЭ1 – заземленный токовый электрод удален от активного токового электрода на60мм; 2 – на 80мм; 3 – 10 ммРезультат расчета чувствительности в зависимости от расположения ЗТЭпредставлены в Таблице 6.49Таблица 6.Результат расчета чувствительности при различных вариантах расположенияЗТЭОтносительного измененияРасстояние между электродами, ммэлектрического импеданса %216019801010Из Таблицы 6 следует, что максимальное относительное изменениеэлектрического импеданса в момент прокола стенки кровеносного сосудадостигается при расположении ЗТЭ на расстоянии 60 мм от АТЭ. Расчетыпоперечного расположения ЗТЭ показали заниженные значения относительногоизмененияимпеданса.Этоинтерпретировалоськакнекорректностьмоделирования, поскольку в модели используется гомогенная среда, а прифизическом расположении ЗТЭ на БО картина силовых линий можетсущественно измениться за счет неоднородности среды.

Исследованиепоперечного расположения электродной системы требуют более детальнойчисленной модели.Для оценки поперечного расположения электродной системы быларазработана цилиндрическая гетерогенная модель.2.3.2.1.Разработкацилиндрическоймоделидляисследованийрасположения электродной системы с двумя аппликационными токовымиэлектродамиРазработана модель цилиндрической формы, состоящая из пятиразличных сред (типов биотканей), показанная на Рисунок 2.12. Параметрысред, используемые в модели, показаны в Таблице 7 [55].50Рисунок 2.12.

Цилиндрическая гетерогенная модельТаблица 7.Электрофизические параметры используемых типов тканиТипы тканейρ, Ом·мƐДлина, ммДиаметр, мм15,38153572006021,009320059Кровь1,4251232002Мягкие ткани2,80808920056Костная ткань50,0022720040Кожный слой(физиологическивлажный)Подкожно-жироваяпрослойкаЦилиндрическое включение (венозный сосуд) расположено на глубине 2мм. Геометрические размеры цилиндрической модели (ЦМ) основаны наанатомическом строении предплечья [23]. На поверхности модели былирасположены токовые электроды и игла-электрод.

Размер токовых электродовсоставлял 5х5 мм. Такой размер электродов обусловлен наглядностьюпоказания результатов, при выборе большего размера электродной системы,получаемые параметры становятся неинформативны.51Схема подключения электродов идентична схеме используемой наплоской модели. Длина игольчатого электрода 40 мм, диаметр иглы 0,8 мм.Введение иглы осуществлялось под углом 20°, в сторону АТЭ, длямаксимального подобия моделирования процедуре венепункции.