Автореферат (Биотехническая система окклюзионной многоканальной электроимпедансной локализации периферических венозных сосудов), страница 2

Petersburg, 2014); «3rd Russia German Conferenceon Biomedical Engineering» (Germany, Aachen, 2015). «4th Russia GermanConference on Biomedical Engineering» (Russia, Suzdule, 2016). «World4Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Toronto (Canada,Toronto, 2015) ».ПубликацииПо материалам работы опубликовано 9 печатных работ, из которых 3статьи 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 и списка литературы.

Основное содержание работы изложено на110 страницах, работа содержит 65 рисунков, 11 таблиц и списоклитературы из 80 библиографических источников.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность диссертационной работы,определена область исследования, обозначены основные проблемы вданной области, рассмотрены существующие методы локализациипериферических венозных сосудов и преимущества разрабатываемогометода исследования, сформулированы цель и задачи работы. Раскрытанаучная новизна и практическая ценность работы, описана ее структураВ первой главе анализируются особенности периферическоговенозного доступа и его отличие от центрального. Отмечены основныепричины безуспешных венозных пункций и возникновения травм.Рассмотрены существующие инструментальные методы локализациипериферических венозных сосудов.

Отмечено, что для локализации венприменяются такие методы, как: ультразвуковые; оптические;рентгенологические; методы основанные на измерении электрическогоимпеданса.Отмечено,чтоиспользованиемногоканальныхэлектроимпедансных методов самостоятельно, а также при венознойокклюзии, потенциально позволяет определить проекцию вены наповерхность кожных покровов без привлечения сложной аппаратуры иквалифицированного медицинского персонала.В главе анализируется научно-технические и инструментальныеособенности многоканального электроимпедансного метода локализациипериферических венозных сосудов. Обоснованы научные и техническиезадачи, которые необходимо решить в данной работе.Вторая глава посвящена разработке и экспериментальнотеоретическому обоснованию математической модели, позволяющейоценить чувствительность электроимпедансного метода к локализациипериферических венозных сосудов с учетом их диаметра и глубинызалегания.Анализ зависимостей электрофизических свойств биологическихтканей конечности и крови от частоты зондирующего тока позволил5обосновать диапазон частот измерения импеданса и приемлемыеамплитуды зондирующих токов.

Показано, что указанный диапазонсоставляет 50-100 кГц., а учитывая отечественный опыт созданияэлектроимпедансных систем для диагностики сердечно-сосудистыхзаболеваний, целесообразно использовать частоту 100 кГц., отмечено, чтона этих частотах биоткани предплечья являются проводниками сточностью не менее 85-90%.В главе отмечено, что исследуемая область предплечья, в общемслучае, является неоднородной средой включающей мышечную ткань,жировую, соединительную ткань, слой кожи, кровеносные артериальные ивенозные сосуды. Анализ численных значений удельных сопротивлений игеометрических параметров окружающих сосуды мягких тканей показал,что на данном этапе исследований, их целесообразно объединить в одинотносительно однородный слой с единым удельным сопротивлением.Отмечено, что на частоте 100 кГц.

удельное электрическое сопротивлениемягких тканей области предплечья в 2-3 раза отличается от удельногосопротивления крови. С учётом проведенного анализа была предложенаматематическая модель, учитывающая геометрические параметры ипроводимость крови в вене и мягких тканей. Модель позволяет рассчитатьраспределение электрического импеданса на поверхностных электродах(M и N), в зависимости от расположения электродной системы и венозногососуда (Рисунок 1).Рисунок 1. Модель однородного полупространствапредставленного мягкими тканями с цилиндрическим включением:A и B – токовые электроды, M и N – измерительные электроды,Для получения распределения измеряемого импеданса наповерхности предплечья решалась задача распределения электрического6потенциала для однородного полупространства с цилиндрическимвключением на основе уравнения Лапласа и общепринятых граничныхусловий.

При этом токовые и измерительные электроды находится напрямой, перпендикулярной оси цилиндра (Рисунок 2).Рисунок.2. Схема расположения электродной системы для моделиоднородного полупространства с цилиндрическим включением,Для этой модели в работе было получено аналитическое выражениезависимости электрического импеданса от таких параметров модели так:удельного сопротивления окружающих тканей 1 и крови 2, радиуса r,глубины залегания h, смещение центра сосуда относительно центраэлектродной системы y, полурасстояний между токовыми a иизмерительными электродами b.Z MN U MN2 b 2 1 2  dZ a, b,  1,  2 , h, r, y Ia b(1)Также было получено аналитическое выражение для расчетакажущегося удельного сопротивления (  K ) позволяющего определитьлокализацию вен по значению базового импеданса.

Метод расчета  Kприменялся в случаях применения многоканальных электродных систем сразличными размерами a и b . K   K ( a, b, Z MN )(2)Для верификации математической модели были проведеныисследования на специально созданном экспериментальном стенде. Стендсостоял из двух сред, отличающихся друг от друга электрофизическимисвойствами. Первая среда имитирует мягкие ткани и имела удельное7сопротивление 2.8 ± 0,2 Ом*м.. Вторая среда представляет собой протезискусственного венозного сосуда ЭКОФЛОН Л4-15 изготовленного изпористого политетрафторэтилена, с гофрированной стенкой изаполненного средой с удельным сопротивлением 1.4 ± 0,2 Ом*м.

Дляизмерения электрического импеданса использовалась 32-х канальнаяэлектроимпедансная система РЕО32 разработанная на факультетебиомедицинской техники в МГТУ им. Н. Э. Баумана и обладающаянеобходимой чувствительностью и временным разрешением. Значенияповерхностного электрического импеданса измерялись на поверхностьпервой среды, при этом менялась глубина залегания сосуда-имитатора.Анализ проведенных исследований показал, что теоретические значениябазового импеданса совпадают с измеренными в пределах 8-10 %.Проведенные экспериментальные и теоретические исследованияпоказали возможность применения предложенной модели в дальнейшихисследованиях для создания электродных систем, обеспечивающихнеобходимую чувствительность при многоканальных измерениях.В третьей главе представлены результаты исследований,направленныхнаоценкучувствительностимногоканальногоэлектроимпедансного метода в зависимости от параметров электроднойсистемы от локализации периферических вен различного размера иглубины залегания в мягких тканях.

Сформулированы требования кпараметрам электродных систем обеспечивающие необходимуючувствительность измеряемых данных к локализации вен.С использованием аналитического выражения зависимостиэлектрического импеданса от параметров модели была произведена оценкачувствительности метода к локализации периферических кровеносныхсосудов с минимальным диаметром 2 мм., и глубиной залегания 6 мм. отрасстояния между токовыми и потенциальными электродами (Рисунок3).Рисунок 3. Зависимость изменения импеданса от расстояния междутоковыми и потенциальными электродами и глубиной залегания.Установлено, что изменение импеданса возрастает с уменьшениемрасстояния между токовыми электродами при фиксированной глубинезалегания сосуда.

Однако, это расстояние ограничено требованием к8межэлектродным расстояниям и размерам пятна контакта электродов.Кроме того, при уменьшении расстояния между токовыми электродамивозрастает вероятность прямого контакта между собой электродов инеконтролируемого плотности тока в области измерения. С учетом этихфакторов в работе показано, что приемлемое расстояние между токовымиэлектродами составляет 20-25 мм., между потенциальными 4-7 мм., придиаметрах электродов 1,5-3,5 мм..На основе результатов этих исследовании, были разработаны макетыэлектродных систем (Рисунок 4).Рисунок 4. Конструкции электродных систем а) первая электроднаясистема, б) вторая электродная системаПервая электродная система представляла собой систему с однимсквознымтоковымканаломиразличнымипотенциальными,установленными между токовыми электродами.

Расстояние междуизмерительными электродами 4 мм., между токовыми электродами 25 мм.,диаметр токовых электродов 6 мм. и потенциальных 1,5 мм..Вторая электронная система состоит из четырех тетраполярныхэлектродных систем. Расстояние между измерительными электродами 7мм., между токовыми электродами 21 мм., диаметр электродов 3,5 мм..Проведенные исследования на экспериментальном стенде показали,что вторая из систем имеет то преимущество, что она позволяетопределить локализацию сосудов по значению базового импеданса безрасчета кажущегося удельного сопротивления (ρк).

Именно это системаиспользовалась на следующих этапах исследований. Проведенныепредварительные исследования на здоровых добровольцах показали, чтодиапазон значений кажущегося удельного сопротивления (ρк) мягкихтканей находился в диапазоне от 3,0 до 5,5 Ом*м..Для определения необходимого диапазона эффективной работы былапроизведена оценка чувствительности изменения импеданса к изменениюглубины залегания сосуда, изменению диаметра и изменению удельногосопротивления мягких тканей с учетом чувствительности измерительной9системы РЕО32 составляющей 0,05 Ом..