6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Kharlamova_N_S_Perspektivnoe_napravlenie_fizioterapii_0

23

вносимое энергетическое возмущение не является постоянным и зависит от состояния объекта.

Кожа человека представляет собой трехкомпонентную структуру, образованную эпидермисом, дермой и подкожной жировой клетчаткой, которые находятся в функциональном единстве [2]. В эпидермисе находятся акупунктурные точки - биологически активные точки поверхности тела, воздействие на которые обусловливает рефлекторные реакции различных органов и систем организма. Измеряя параметры кожного покрова в биологически активных точках, возможно проводить экспресс-диагностику состояния человека. Колебания этих параметров характеризуют реакцию организма на психическое или физическое воздействие, что дает возможность исследования прибором психоэмоционального состояния людей перед ответственными длительными испытаниями (исследование состояния космонавтов перед полетом в космос, операторов ракетных установок, операторов атомно-энергетических установок) [1].

Существующие в настоящее время биоимпедансные анализаторы специализируются на измерении импеданса клеток и тканей организма. В отличие от них биоимпедансный анализатор нового поколения измеряет сразу три электрических параметра кожного покрова – сопротивление кожного покрова, падение напряжения между зонами кожного покрова, а также значение тока, отдаваемого локальной зоной кожного покрова при замыкании на измерительный преобразователь с малым входным сопротивлением. Для измерения напряжения холостого хода используется блок измерения напряжения – БИН (рис. 1) [3]. При помощи преобразователя ток-напряжение (ПТН) снимается ток короткозамкнутых электродов. Блок УИН-ПТН служит для воздействия в режиме заданной мощности (для измерения электрического сопротивления) [4]. УИН-ПТН - это совмещенный управляемый источник напряжения и преобразователь ток-напряжение. При работе анализатора используются два электрода – условно называемые пассивным и активным, которые при помощи блока коммутации (БК) подсоединяются к одному из трех вышеописанных блоков, а именно к БИН, ПТН и УИН-ПТН. Пассивный электрод большой площади (десятки см2) постоянно находится в руке человека, а активный электрод площадью около 3 мм2 перемещается по точкам, в которых производятся измерения. Для обработки результатов измерения используется микроконтроллер (МК) со встроенными аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Разрабатываемый биоимпедансный анализатор должен иметь возможность изменения режимов работы, а также иметь возможность отобра-

24

жения результатов измерения. Для этого предусматриваем блок клавиатуры и индикации (БКиД), а также интерфейс (И).

Рис. 1 - Структура биоимпедансного анализатора нового поколения

Биоимпедансный анализатор нового поколения позволит получать информацию о состоянии органов и тканей человека при помощи измерения электрических параметров локальных зон кожного покрова. К достоинствам данного прибора также можно отнести: относительно малые масса и габариты, электробезопасность системы, которая обеспечивается за счет аккумуляторного питания, а также повышенную достоверность результатов, обеспечивающуюся за счет внесения постоянного энергетического возмущения, независящего от состояния объекта. Создание подобных анализаторов является предпосылкой к появлению дешевых систем для диагностики населения при массовой диспансеризации.

Библиографический список

1.Мартиросов Э.Г. Технологии и методы определения состава тела человека / Мартиросов Э.Г., Николаев Д.В., Руднев С.Г. – М.: Наука, 2006. – 248 с.: ил.

2.Манойлов В.Е. Электричество и человек: 2-е изд., перераб. и доп.- Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. – 152с.: ил.

3.Демин А.Ю. Измерительные генераторы заданной электрической мощности: Монография. - Уфа, Изд-во Уфимского гос. авиац. техн. ун-та, 2010. – 138с.: ил.

4.Демин А. Ю. Практическое применение измерительных генераторов заданной электрической мощности // Датчики и системы. – 2004. – №7. – С.8-40.

25

СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВАРИКОЗНОГО РАСШИРЕНИЯ ВЕН ПИЩЕВОДА С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО МАРКИРОВАНИЯ КРОВИ

К.В. Семенова Научный руководитель – Бердников А.В., канд. техн. наук, доцент

Казанский научно-исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

В настоящее время очень широко распространена флебэктазия - варикозное расширение вен пищевода. Причин для ее развития становится все больше, так как отмечается рост таких заболеваний как гепатиты, желче-каменная болезнь, опухоли и др. Это становится важной социальной проблемой, т.к. влияет на трудоспособность населения, приводит к инвалидизации. Варикозное расширение вен пищевода опасно тем, что оно может не вызывать никаких симптомов до тех пор, пока не начнется угрожающее жизни кровотечение. Своевременная диагностика этого синдрома на ранних стадиях и своевременное лечение являются актуальными задачами современной медицины, позволяют предупредить опасные для жизни осложнения и большие материальные затраты на их ликвидацию.

Кровоснабжение пищевода осуществляется из нескольких источников, причем питающие его артерии образуют между собой обильные анастомозы. Шейная часть пищевода получает кровь от нижних щитовидных и частично подключичных артерий; грудная — через пищеводные ветви грудной аорты, брюшная — от левой желудочной артерии. Отток крови от пищевода происходит по венам, соответствующим артериям. В грудном отделе главными венозными магистралями являются непарная и полунепарная вены, в брюшной части

— система воротной вены.

Варикозное расширение кровеносных сосудов может развиваться в пищеводе или желудке. В пищеводе этому заболеванию особенно подвержен нижний брюшной отдел. Анатомическое строение вен области пищеводно-желудочного перехода, через которые осуществляется связь между портальным и системным кровообращением, очень сложно.

Кровь перетекает в варикозно-расширенные вены пищевода в основном из левой желудочной вены [4]. Её задняя ветвь обычно впадает в систему непарной вены, а передняя сообщается с варикознорасширенными венами непосредственно ниже места соединения пищевода с желудком, образуя в этом месте пучок тонких параллельно расположенных вен, которые переходят в крупные извитые вены в

26

нижней части пищевода. Вены пищевода располагаются в 4 слоя (рис. 2).

Рис. 1 - Кровоснабжение пищевода [9]

Рис. 2 - Анатомическое строение венозной системы пищевода

Внутриэпителиальные вены при портальной гипертензии эндоскопически могут иметь вид красных пятен, их наличие указывает на возможность разрыва варикозно-расширенных вен. Поверхностное венозное сплетение дренируется в более крупные глубокие вены подслизистого сплетения. Перфорирующие вены соединяют подслизистое

27

сплетение с четвертым слоем вен — адвентициальным сплетением. Обычно наиболее крупные из варикозно-расширенных вен относятся к глубокому подслизистому сплетению, которое соединяется с варикоз- но-расширенными венами желудка.

На рис. 3 представлена схема расположения вен стенки пищевода и их патологическая трансформация, возникающая при портальной гипертензии [4, 6].

Рис. 3 - Схема расположения вен стенки пищевода и их патологическая трансформация, возникающая при портальной гипертензии

1 – Собственно слизистая оболочка, 2 – Мышечная пластинка слизистой оболочки, 3 – Подслизистая оболочка, 4 – Мышечная оболочка пищевода, 5 – Подслизистое венозное сплетение, 6 – Вены собственной слизистой оболочки, 7 – Правая желудочная вена (привратниковая), 8 – Левая желудочная вена (венечная), 9 – Пищеводные вены (впадающие в непарную вену), 10 – Место анастомозирования двух венозных систем (воротной вены и непарной вены), 11 – Вены подслизистой оболочки пищевода, варикозно –расширенные из-за портальной гипертензии, 12 – Варикозное расширение вен собственно слизистой оболочки при портальной гипертензии (нет поддержки ни одной из

твердых оболочек пищевода)

По мере развития цирроза печени возникает все большее препятствие кровотоку через печеночную паренхиму, кровь воротной вены начинает «сбрасываться» по венам подслизистого (11) и слизистого (12) слоя пищевода в непарную вену (9).

28

Варикозно-расширенные вены пищевода входят в состав так называемых портокавальных анастомозов, соединяющих две венозные системы – воротную вену и верхнюю полую вену через левую желудочную (венечную)№8 и правую желудочную (привратниковую) вену

(9).

При развитии варикозно-расширенных вен скорость кровотока по сосудам пищевода уменьшается. В норме в венах пищевода скорость кровотока составляет, например, в воротной вене от 15 до 20 см/с [4, 6]. При развитии варикоза эти значения снижаются до 1014см/с. Таким образом, существует возможность диагностики развития варикозного расширения вен пищевода с помощью измерения скорости кровотока в его венах на начальных стадиях его появления.

В качестве способа измерения скорости кровотока в стенках пищевода предлагается способ «магнитного маркирования» крови в его сосудах. Известно, что магнитное поле оказывает влияние на многие параметры кровотока [5]. Кровь является магнитонасыщенной средой, так как атомы железа гемоглобина обладают магнитным моментом. В каждой красной клетке крови (эритроците) содержатся миллионы молекул гемоглобина, в центре которых находится атом железа. В гемоглобине крови сосредоточена основная масса железа человеческого организма (2,2 - 3 г, около 75 %). Как носители магнетизма, атомы железа, встроенные в сложные органические молекулы, могут обеспечивать запись, сохранение и передачу информации в виде сигналов по направлению магнитного поля и его интенсивности.

При наличии внешнего поля эритроциты ориентируются таким образом, чтобы плоскость их диска была параллельна направлению приложенного поля, то есть домены, состоящие из атомов железа, ориентируются вдоль поля, увеличивая намагниченность до определённого предела, а при снижении напряжённости поля намагниченность снижается по «кривой гистерезиса», то есть с остаточной намагниченностью.

Исходя из изложенного выше, можно предположить, что магнитный момент крови сохраняется на некоторый промежуток времени, что позволяет, используя магнитную метку, определить скорость кровотока. Данное предположение дает право на жизнь способу измерения скорости кровотока в сосудах, построенному на принципе магнитного маркирования крови в сосудах.

Гибкий зонд, в который встроено устройство для измерения скорости кровотока, перорально вводится в пищевод пациента и фиксируется в нижней трети (брюшном отделе) пищевода. На зонде последовательно располагаются генератор магнитного поля,

29

измерительный и компенсационный дачики (рис.4). Система фильтрации, усиления и приведения сигнала к прямоугольному виду выведена наружу.

Рис. 4 - Расположение зонда с датчиками в пищеводе. 1 – стенка пищевода, 2 – измерительный датчик – датчик магнитной метки, 3 – генератор магнитной метки, 4- компенсационный датчик, 5 – гибкий зонд

Устройство работает следующим образом. Генератор магнитной метки излучает магнитный импульс, который оказывает влияние на пространственную ориентацию гемов крови, чей суммарный магнитный момент оказывает воздействие на измерительный датчик [8]. Второй датчик компенсирует сигналы неинформативного характера – помехи, шумы, наводки. Полученные с двух датчиков сигналы фильтруются и усиливаются, а затем вычитаются на дифференциальном усилителе, затем на сравнивающем устройстве получаем импульс, длительность которого пропорциональна временной задержке появления на приемнике метки, функционально связанной с перемещением массы крови [10].

Представленное способ измерения скорости кровотока в венах пищевода обладает высокой инновационностью: при внедрении данного устройства в производство результатом будет являться готовый конкурентоспособный инновационный продукт – устройство для измерения скорости кровотока в венах пищевода, принцип работы которого основан на магнитных свойствах крови, что ранее не использовалось для подобных измерений.

Внедрение этого способа в медицинскую практику перспективно по следующим причинам: скорость кровотока в венах пищевода

30

важно измерять для того, чтобы своевременно диагностировать и прогнозировать развитие такого синдрома как варикозное расширение вен пищевода при портальной гипертензии, которое может привести к возникновению кровотечений, угрожающих жизни человека. Скрытый характер развития варикозного расширения вен пищевода и большая опасность для жизни кровотечения из пищевода подтверждают важность и необходимость его своевременной диагностики на ранних стадиях.

Библиографический список

1.Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Щелкин А.П. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Ленинград: «Энергия», 1972.

2.Бельский А. М., Дмитриев С. В. Расчет нестационарных тепловых процессов в устройствах с преобразователями Холла. Тезисы докладов II Всесоюзной конференции «Методы и средства измерения параметров магнитного поля», Ленинград, 1980.

3.Журнал «Измерительная техника», 1960 г., №7.

4.Захаров К.В. Вены желудка человека. Автореф. дисс. Куйбышев.

5.Магнитные поля. – Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1992. 156 с.

6.Маркизов A.M. Венозная система пищеварительного тракта человека. Куйбышев, 1959. 247 с.

7.Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2006. 592 с.

8.Чернышева К. В. Исследование топографии сложных магнитных полей с помощью преобразователя Холла. XVI Туполевские чтения: Труды конференции. Том VI. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008.

9.Toldt Carl. Анатомическій атласъ для студентовъ и врачей. 7-е изданіе. 1913. С.-ПЕТЕРБУРГЪ: Издательство «Практическая Медицина» Выпускъ V - Angiologia, Ученіе о сосудахъ с.685.

10.Бельский А.М., Бердников А.В., Семенова В.Е., Семенова К.В. Патент на полезную модель № 102481 от 10.03.2011. Устройство для измерения скорости кровотока.

31

ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОПОДОБНЫХ СЕТЕВЫХ СТРУКТУР В ЗАДАЧАХ КЛАССИФИКАЦИИ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ШУМОВ

Д.М. Ханеев Научный руководитель – Филатова Н.Н., д-р техн. наук, профессор

Тверской государственный технический университет

Нейронные и нейроподобные сетевые структуры нашли широкое применение в задачах распознавании паттернов, к множеству подобных задач относится классификация образцов дыхательных шумов

(ДШ).

Одной из перспективных сетевых структур для классификации является растущая пирамидальная сеть [1]. Пирамидальная сеть представляет собой ориентированный ациклический граф, все вершины которого имеют более чем одно заходящее ребро. Нижний слой сети представлен рецепторами – вершинами, не имеющими заходящих рёбер, на которые подаются возбуждающие сигналы.

В пирамидальной сети информация хранится путем ее отображения в структуре сети, информация об объектах и классах представлена ансамблями вершин (пирамидами), распределенными по всей сети. При внесении новой информации изменяется структура сети. В процессе построения сети формируются конъюнктивные классы объектов.

Структура сети формируется в процессе добавления в нее объектов из обучающей выборки. Первоначально сеть состоит из вершин без заходящих ребер (входные рецепторы). Сеть имеет иерархическую структуру, каждая вершина принадлежит определенному уровню (ярусу), входные рецепторы относятся к нулевому уровню.

Для тренировки сети используется обучение на примерах (Learning from Examples), у каждого объекта в обучающей выборке определяется принадлежность к классу нормы или патологии. В процессе обучения в структуре сети выделяются контрольные вершины классов, по совокупности которых в дальнейшем возможна классификация объектов тестовой или рабочей выборки.

Построение и обучение сети

В качестве признаков выбраны спектральные характеристики образцов ДШ, рассчитанные с помощью быстрого преобразования Фурье. Частота дискретизации записей ДШ fx установлена в 11025 Гц, использовано окно преобразования Хемминга (FW = 1024), границы

32

частотного диапазона от 0 до 1000 Гц. Все объекты выборки нормализованы.

После нормализации производится фазификация объектов обучающей выборки по каждому признаку, функция принадлежности треугольная, количество термов 3. В результате каждый признак принимает одно из 3-х возможных значений (низкий/средний/высокий). Таким образом, каждый объект выборки представлен одномерным вектором (Входной вектор), состоящим из разложенных на термы признаков, размерность вектора определяется как l N *T , где N - кол-во признаков, T - кол-во термов. Каждый элемент вектора принимает значение 1 или 0, т.е. его элементы является булевым типом.

Входные вектора всех объектов выборки последовательно подаются на рецепторы сети. Если на рецептор подан 1, он переходит в состояние возбуждения, 0 – неактивное состояние. После подачи на рецепторы сети каждого объекта обучающей выборки производится достройка сети, последовательно выполняются алгоритмы распространения возбуждения, алгоритм ввода новых вершин сети и алгоритм выделения контрольных вершин классов [2].

Классификация объектов

На вход сети подаются объекты из тестовой выборки в таком же виде как и на этапе построения сети, после чего выполняется алгоритм распространения возбуждения по сети и алгоритм подсчета количества возбужденных контрольных вершин классов, на основании чего делается вывод об отнесении объекта к классу, количество возбужденных контрольных вершин которого максимально среди других классов.

Результаты работы классификатора

Для обучения классификатора использовалась обучающая выборка, содержащая 161 образец, из которых 131 относятся к норме, а 23 к патологии.

Тестовые выборки представлены в табл. 1.

Табл. 1. Распознавание классификатором тестовых выборок

		Кол-во объектов (нор-	Кол-во	Успешность
	Выборка			распознаваия,
		ма/ патология)	ошибок
				%
	Тестовая вы-	16 (13/3)	2	87
	борка 1
	Тестовая вы-	32 (25/7)	10	68
	борка 2