Диссертация (Биотехническая система окклюзионной многоканальной электроимпедансной локализации периферических венозных сосудов)

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)На правах рукописиАль Харош Муджиб Алрахман Баггаш АлиБИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОККЛЮЗИОННОЙ МНОГОКАНАЛЬНОЙЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЕРИФЕРИЧЕСКИХВЕНОЗНЫХ СОСУДОВ05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначенияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель –доктор технических наук,профессор Щукин С.И.Москва, 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................

5ГЛАВА 1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ К РАЗРАБОТКЕ АППАРАТНОПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОККЛЮЗИОННОЙМНОГОКАНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИПЕРИФЕРИЧЕСКИХ ВЕНОЗНЫХ СОСУДОВ ................................................... 111.1 Анатомические особенности периферических венозных сосудов .......... 121.2 Инструментальные методы локализации периферических венозныхсосудов .......................................................................................................................

171.3 Основные принципы построения биотехнической системыокклюзионной многоканальной электроимпедансной локализациипериферических венозных сосудов ................................................................. 311.4 Выводы к главе 1 ........................................................................................ 33ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИМНОГОКАНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОГО МЕТОДАЛОКАЛИЗАЦИИ ПЕРФЕРИЧЕСКИХ ВЕН (МЭМЛПВ) ................................... 342.1 Математическое моделирование распределения электроимпеданса воднородной среде с цилиндрическим включением ....................................... 342.2 Вывод аналитического выражения зависимости импеданса отпараметров используемой математической модели ......................................

402.3 Применение метода кажущегося удельного сопротивления дляопределения локализации периферических венозных сосудов .................... 462.4 Верификация разработанной математической модели ............................ 482.5 Разработка экспериментального стенда .................................................... 512.6 Выводы к главе 2 .........................................................................................

55ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ МЭМЛПВ ................. 563.1. Обоснование выбора геометрических размеров электроднойсистемы для окклюзионного МЭМЛПВ ......................................................... 573.2. Исследование различных электродных систем для окклюзионногоМЭМЛПВ ............................................................................................................

6033.3. Разработка макета электродных систем измерения электрическогоимпеданса ........................................................................................................... 713.4. Влияние точности задания геометрических параметров электродныхсистем на измеренное значение импеданса………...……………………….. 743.5 Тестирование электродных систем на лабораторном стенде ................. 783.6. Выводы к главе 3 ........................................................................................

80ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЕРИФЕРИЧЕСКИХВЕНОЗНЫХ СОСУДОВ ......................................................................................... 814.1. Исследование процессов влияющих на изменение электрическогоимпеданса при локализации вен ....................................................................... 844.2. Влияние прижатия электродов на изменение электрическогоимпеданса ..........................................................................................................

884.3. Применение первой производной для анализа экспериментальныхсигналов .............................................................................................................. 904.4. Серия экспериментальных исследований на добровольцах .................. 924.5. Рекомендуемые требования к аппаратному обеспечениюБТС окклюзионной многоканальной локализации периферическихвенозных сосудов ...............................................................................................

984.6. Выводы к главе 4 ..................................................................................... 101ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ............................................................................................... 101СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................... 1034СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙВВ – внутривенная терапияБО – биологический объектБТС – биотехническая системаУЗ – ультразвукКС – кажущееся сопротивлениеПВД – периферический венозный доступЭМП – электромагнитное полеЭС – электронная системаМЭМЛПВ–многоканальныйпериферических венозных сосудовэлектроимпедансныйметодлокализации5ВВЕДЕНИЕЗа последние годы в развитых странах появляется интерес к визуализациипериферических кровеносных сосудов, в том числе и вен, посколькулокализация периферических кровеносных сосудов является неотъемлемойчастью при проведении минимально инвазивной процедуры.В случае чрезвычайных медицинских ситуаций, таких как кровотечение,острая почечная недостаточность, артериальная гипотензия, шок и остановкасердца, необходим незамедлительный доступ к вене пациента.Для обеспечения сосудистого доступа используют хорошо видимые ипальпируемые вены, и для улучшения визуализации венозных сосудовтрадиционно используют венозную окклюзию, чтобы затруднить отток крови исделать вены более контрастными на поверхность кожных покров, однако умногих пациентов из-за ряда причин, таких как: ожирение пациента, снижениетонуса вены, малого диаметра вены, изгиб, повреждение кожи, слабоконтурированная или скользящая вена, квалификация врача и так далееповышает вероятность неуспешных пункций и приводит к возникновениюпостинъекционных осложнений таких как: кровотечения, непреднамеренныепункции артерии, повреждения стенки сосуда.

В связи с этим разработкаметода локализации вены, с помощью которого можно повысить уровеньоказания медицинской помощи, а также уменьшить время на проведениемедицинской манипуляции, считается актуальной задачей медицины ибиомедицинской инженерии.Некоторые устройства, разработанные в последнее время, способнывизуализировать периферические вены. Например:Ультразвуковой метод, основанный на отражении ультразвука от границмежду тканями с различными акустическими свойствами обеспечиваетхорошее качество изображения поверхностных и глубоких сосудов, носуществует недостаток, связанный с привлечением дорогостоящей аппаратурыи специалиста ультразвуковой диагностики.6Оптические методы, работающие по принципу освещения кожи пациентаоптическим излучением в диапазоне длин волн от 600 до 800 нм.,и врезультате различия в отражении этих излучений мягкой ткани и кровьюформируется изображение подкожных и внутрикожных вен, что позволяетопределить их локализацию.

Однако, оптические методы предназначены дляповышения контрастности подкожных вен и имеют низкую чувствительность квенам находящим на глубине более 5 мм. в мягкой ткани.Венография обеспечивает изображение вен после введения контрастноговещества, однако данный метод является инвазивным и не позволяетлокализовать вены в реальном времени.Электроимпедансныйметодлокализациисосудовприменяетсявосновном западными и отечественными учеными для инвазивного и малоинвазивного применения. В работах [28-30] предложен инвазивный метод длялокализации крупных кровеносных сосудов с целью обеспечения быстрогососудистого доступа для охлаждения и контроля реперфузии у пациентов состановкой сердца. Однако данный метод не позволяет определить проекциисосудов на поверхность кожных покровов.

В работах[31-37] была предложенабиотехническая система с использованием традиционной инъекционной иглыпод контролем измерительной системы для проведения контроля венепункции.Система применяется для контроля проникновения инъекционной иглы впросвет венозного сосуда, но не позволяет локализовать периферические веныВ связи с перечисленными особенностями известных прототипов былопредложено разработать биотехническую систему неинвазивной локализациипериферических вен на основе измерения электрического импеданса.Для локализации поверхностных вен электроимпедансным методомпредложена биотехническая система принцип, которой состоит в том, что наповерхность области исследования устанавливается система токовых ипотенциальных электродов.