автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Биоимпедансный метод и аппаратура для неинвазивного исследования вентиляционной функции легких

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКОГО ЙРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи ЯРМОЛИНСКИЙ Валентин Иванович

БИОИШЩАНСНЫЙ МЕТОД И АППАРАТУРА ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ

Специальность 05.11.17 - Медицинские приборы и

измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-199£

Работа выполнена на кафедре радиофизики Белорусского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета имени В.И. Ленина.

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор,

Лауреат Государственной премии СССР В.М. БОЛЬШОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.И. ПЕТУХОВ

кандидат технических наук В.А. ЛОПАТА

Ведущая организация - Межотраслевой медико-инженерный

научный центр (г. Киев)

Защита состоится " (1 " иШ(0\ 1992 г. в ¡^ час. на заседании специализированного совета Д 098.04.01 во Всесоюзном' научно-исследовательском институте медицинского приборостроения по адресу: 125422, г. Москва, ул. Тимирязевская, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВШШМП.

Автореферат разослан а ^^е^ л 19с|2 г_

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник >-// Попов Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время отчетливо проявляется необходимость создания технических средств, обеспечивающих длительный и, вместе с тем, достаточно'глубокий анализ*функционирования легких. Такие задачи возникают в авиакосмической и подводной медицине, эргономических исследованиях, физиологии труда, спорта и т. д. Контроль дыхания прямыми методами в этих исследованиях часто невозможен из-за развивающегося чувства дискомфорта и влияния средств измерений на активность кардиореспираторной системы.

Социально-экономическая актуальность работ по развитию пульмонологической техники следует также из анализа проблем практического здравоохранения. Неуклонный рост заболеваемости легких, все возрастающие расходы на диагностику, лечение и реабилитацию пульмонологических больных требуют создания более эффективных средств скринингового и клинического обследования легких. Известно, например, что около -80% заболеваний органов дыхания связано с нарушениями легочной вентиляции, но такие распространенные методы ее исследования,, как спирография и пневмотахометрия, не способны обнаружить ранние стадии бронхолегочной патологии в силу интегрального характера измеряемых вентиляционных показателей.

Целью настоящей работы являлось теоретическое ц экспериментальное обоснование метода количественной импедансной пневмографии (КИПГ) и разработка биоимпедансной аппаратуры (БИА) для невд-вазивного исследования вентиляционной функции легких'.

Привлекательность биоимп&дансного метода заключается превде всего в том, что он не вносит изменений в паттерн дыхания, является достаточно комфортным для пациента и, по предварительны),1 оценкам, может нести информацию как об общих, так и о регионарных

- 3 -

особенностях легочной вентиляции. Однако в неинвазивном подходе, предусматривающем размещение электродов на поверхности грудной клетки (ГК), многие проблемы до сих пор остаются нерешенными. Отсутствует строгое теоретическое обоснование возможности получения физиологических параметров легких по данным поверхностных измерений. По существу, нет и аппаратуры, адекватной рассматриваемой

задаче исследования. В медицинской практике для изучения дыхания

/

часто используются реографические приборы, предназначенные для исследования исключительно гемодинамических процессов. Такой прием может служить причиной значительных погрешностей в оценке вентиляционной функции легких и ошибок в диагностике их заболеваний.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести теоретический анализ взаимосвязи электроимпе-дансных и вентиляционных показателей легких и исследовать роль внелегочных факторов в формировании импедансного сигнала, регистрируемого с поверхности грудной клетки.

2. Экспериментально исследовать зависимость трансторакалыю-го электрического импеданса (ТТЭИ) от объемно-скоростных изменений легких при различных технико-методических условиях биоимпе-дансных измерений и режимах дыхания.

3. Обосновать структуру и технические характеристики биоик-педансной аппаратуры для неинвазивного количественного исследования вентиляционной функции легких.

4. Осуществить макетирование разработанных средств исследования легких и провести их клиническую апробацию с целью оценки пригодности в решении современных задач пульмонологии и прикладной физиологии.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

I. Теоретически и экспериментально исследована взаимосвязь

между изменениями альвеолярного объема легких и электроимпеданс-ными параметрами грудной клетки. Изучены особенности этой взаимосвязи для полного дыхательного цикла и различных режимов дыхания.

2. Экспериментально исследованы зависимости базовых величин и амплитуд дыхательных колебаний составляющих электрического импеданса грудной клетки от частоты зондирующего тока, способов измерения импеданса и положения электродов.

3. Обоснованы структура и технические характеристики биоим-ледансной аппаратуры для общего и регионарного исследования легких. Разработаны конструкции электродных систем и датчиков, повышающих комфортность обследования и эффективность функционирования этой аппаратуры.

4. На основе медицинских испытаний созданных технических средств подтверждена клиническая полезность разработанного метода и предложены новые диагностические приемы оценки функционального состояния легких.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математические электроимпедансные модели легочной паренхимы и груднойсклетки, на основе анализа которых устанавливается взаимосвязь колебаний ТТЭИ и воздушного наполнения легких, выявляются ведущие факторы формирования импедансной пневмограммы.

2. Технические и методические условия биоимподансных измерений, обеспечивающие максимальное соответствие формы импедансного и спирографического сигналов при различных маневрах дыхания.

з!' Принципы построения и характеристики аппаратуры для неин-вазивного биоимпедансного исследования легких и количественной оценки их вентиляционных показателей.

4. Конструкции электродов и полифункциональных датчиков, основанных на емкостной связи с биообъектом и обеспечивающих од- 5 -

повременный съем импедансной пневмограммы, кривой пульсового кровотока легких и электрокардиосигнала.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные метод и аппаратура обеспечивают исследование параметров легочной вентиляции без привлечения малокомфортных загубников и масок и не имеют противопоказаний при длительном (многосуточном)

наблюдении за кардиореспираторной системой. Важным достоинством

/

предлагаемого метода является возможность получения численных данных о раздельной и локальной вентиляции легких. На его основе созданы макетные образцы приборов и компьютерных систем для углубленного исследования'дыхательной системы, саморегуляции состояния организма и др. Теоретические и экспериментальные результаты диссертации могут использоваться при разработке систем скрининга населения, устройств управления искусственной вентиляцией легких и т. д.

•Реализация и внедрение результатов. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ (НИР), проводимых в БГУ им. В.И. Ленина: "Разработать математические метода, программы и технические средства для обеспечения массовых кардиологических обследований населения" (ГБ НИР, Л гос. per. 8I08I824, I981-I985гг.); "Разработать информационно-измерительный комплекс для автоматизации профилактических кардиологических обследований населения" (ГБ ДО1', № гос.per. 870034928, 1986-1990);"Разработать технические средства и методы неинвазивной оценки вентиляционной функции легких у оператора, работающего в гипербарических условиях" (договор о научно-техническом сотрудничестве (ДНТС) между БГУ и НИИ гигиены'морского транспорта МЗ СССР,-1988-1989); "Разработать методику и технические средства для биоимпедансного исследо-

_ 6 -

вания вентиляционной функции легких" (ДНТС с Филиалом советско-болгарской лаборатории "ЕТОН" по пульмонологии и пульмонологическому приборостроению, 1988-1990), "Разработать программно-технические средства для обеспечения углубленных неинвазивных исследований кардиореспираторной системы на основе метода биоимпедансных • измерений" (х/д Л 81838 плана НИР БГУ, I990-I99I).

По результатам работы изготовлен комплект аппаратуры для не-инвазивного исследования кардиореспираторной системы, включающий реоплетизмограф• легких РПГ 2-05, ритмокардиопневмометр РКПМ 2-02 и набор датчиков для общего и регионарного обследования легких. Аппаратура прошла клиническую апробацию в НИИ пульмонологии и фтизиатрии МЗ БССР и 9-ой клинической больнице г. Минска. Приборы демонстрировались на ВДНХ БССР (1988), выставке "От фундаментальных исследований до практического внедрения" Гособразования СССР (Москва, МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1989), выставке "Вузы Белоруссии предлагают" (Варшава,1991) и отмечены дипломами и степени.

В настоящее время на базе ПЭВМ ibm pc/at и указанных приборов в НПП "Аксиома" при БГУ им. В.И. Ленина создан образец автоматизированного комплекса "УНИКАРС-500" для мониторного и клинико-диагностического исследования легких, разрабатывается компьютерная система для экспресс-анализа локальных легочных функций.

Технические и методические решения, полученные в диссертации, использованы Филиалом советско-болгарской лаборатории по пульмонологическому приборостроению (г. Москва) при создании многофункционального компьютерного комплекса "ЕТ0Н-07". НИИ гигиены морс-чого транспорта МЗ СССР (г. Ленинград) и Киевский госуниверситет имени Т.Г. Шевченко используют предложенный метод для оценки состояния кардиореспираторной системы у человека-оператора. В НИИ

.. V _

экспериментальной хирургии им. А.Н. Сызганова КазССР (г.Алма-Ата) разработанные технические решения (датчики, принципиальные схемы) применены при создании автоматизированной системы зональной рео-графии легких, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XI Международном конгрессе по биотелеметрии (Япония,

Йокогама, 1990), Всесоюзных конференциях "Проблемы создания тех/

нических средств для массовой диспансеризации населения" (Москва, 1985), "Проблемы оценки функциональных возможностей человека и прогнозирование здоровья" (Москва, 1985), "Бионика и Оиомедкибер-нетика-85"(Ленинград, 1986), "Реализация математических методов с использованием ЭВМ в клинической и экспериментальной медицине" (Москва, 1986), "Измерения в медицине и их метрологическое обес-обеспечение" (viii, Менделеево, 1986 и ix, Москва, 1989), "Актуальные вопросы применения радиоэлектроники в медицине" (Куйбышев, 1988); научно-технических конференциях "Метрологическое обеспечение измерений в медицине и биологии" (Таллин, 1983), "Автоматизированные электронные системы для массовых профилактических осмотров" (Ленинград, 198е), "Физические факторы и технические средства в медицине" (Минск, 1986); vn республиканском съезде терапевтов БССР (Минск, 1984); выездных заседаниях секции "Актуальные вопросы медицинской техники" при ЦП НТО РЭС им. A.C. Попова (Минск, 1987,1988), расширенных Пленумах РП ВНМТО БССР "Вопросы применения медике биологических методов и средств для оздоровления и физической культуры" (Минск, 1988) и "Проблемы создания и внедрения медико-технических систем в республике"(Минск, I99Q),

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 23 научные работы (5 статей, 2 отчета, 15 тезизов докладов и I авторское свидетельство).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Она включает 158 стр. основного машинописного текста, 50 рисунков и 8 таблиц. Библиография содержит 162 наименования. Общий объем работы (с приложением) - 246 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цель и задачи исследования, определяется научная и практическая ценность полученных результатов, излагаются положения, выносимые на защиту. ;

В первой главе проводится анализ информативности параметров легочной вентиляции; дается краткая характеристика современных методов их измерения; рассматриваются принципы технической'реализации метода импедансной пневмографии (ИПГ) и специфика биоимпе-дансного сигнала легких; доказывается необходимость дальнейшего совершенствования методики съема, средств измерений и алгоритмов обработки импедансной пневмограммы.

Вторая глава посвящена разработке теоретических аспектов К ИПГ. На основе .анализа биофизических и анатомических особенностей БО разрабатываются электроимпедансные модели легочной паренхимы и грудной клетки, выводятся уравнения взаимосвязи их физических и физиологических параметров и выявляются факторы, влияющие на величину сигнала, регистрируемого с поверхности тела.

При анализе функции взаимосвязи между сопротивлением легочной ткани Rjj и альвеолярным объемом vg установлено, что она неоднозначна и зависит от направленности растяжения ткани относительно направления протекания электрического тока. Рассмотрены частные случаи для продольного, поперечного и равномерного растяжения ткани. Показано, что в случае сохранения объема электропроводящей

- среды паренхимы неизменным и ее воздушного наполнения без существенной деформации альвеол, характер взаимосвязи указанных параметров близок к линейному и это дает основание использовать эмпирически установленное значение импедансного пневмокоэффициента (ИПК, Ом/мл) ткани для количественного расчета объемных колебаний альвеолярного пространства по формуле:

ДУ0(мл) = к^- Д^СОм) . (I)

/

По расчетам модели «а 1,6 Уа/Кл- Значение этого коэффициента (мл/Ом) = Г/ИПК может быть установлено эмпирически, путем однократной инъекции заданного объема воздуха в паренхиму.

В общем случае необходимо учитывать, что динамика электрического сопротивления легких связана также с изменениями объема их кровенаполнения и колебаниями транспульмонального давления (ТПД). Оба фактора действуют однонаправленно и препятствуют изменениям "сопротивления, связанным с воздушным наполнением легких. В этой связи изменения сопротивления легкого должны определяться не только величиной дыхательного .объема, но и фазой дыхательного цикла, которая определяет знак ТПД. Показано, что зависимость Д1?л(Луа) для полного дыхательного цикла может иметь гистерезис, ширина которого должна возрастать по мере увеличения частоты и скорости дыхания.

Следующий этап теоретических рассуждений связан с анализом роли анатомофизиологических факторов в формировании импедансной пневмограммы, регистрируемой с поверхности ГК. С этой целью биообъект представляется в форме многослойного цилиндрического проводника, внутренний слой которого соответствует легкому, а наружные слои отражают структуры ГК - кожу, жир и костномышечные ткани. Для упрощения анализа модели считается, что ткани легкого и ГК включены между собой параллельно и общее сопротивление модели к

в каждый момент времени t определяется выражением:

В этом случае основное уравнение модели приводится к виду:

АУа - к1'(к2-ДЕ " • О)

••ч • 1

где Дк - амплитуда дыхательных изменений межэлектродного сопротивления; д*- - величина этих изменений в 1-м слое, окружающем легкое; коэффициент ><2 = к^/к2; коэффициент =

Из более подробного анализа модели следует, что, в первом приближении',

ЛУа(»л> « Ш=а7 Рпр ^ -^а- ■ (4)

где а - показатель исходного процентного содержания воздуха в легочной ткани (а и 0,68), А, - параметр, характеризующий особенности растяжения легочной ткани относительно выбранной позиции электродов (при равномерном вдохе Л. « 0,66), р^- удельное электрическое сопротивление электропроводящей среды легкого (р^ * 385 См-см), ь - величина межэлектродного расстояния (см), к - базовое . межэлектродное сопротивление (Ом), измеряемое с поверхности ГК, Дй - величина его дыхательных изменений (Ом).

Расчетами, основанными на литературных сведениях об электрических свойствах торакальных тканей, данных.об их физиологической изменчивости, а также выборе геометрических параметров модели в соотношении, близком для реального объекта, показано, что из-за шунтирующего действия структур, окружающих легкие, дыхательные изменения сопротивления ГК в несколько раз низке соответствующих изменений в самих легких. Величина ИПК, согласно расчетам, „может изменяться от долей Ом/л (у взрослых) до нескольких десятков Ом/л (у детей)', и поэтому количественный анализ импедансной пневмо-

граммы должен проводиться с учетом геометрической конфигурации грудной клетки и других конституциональных особенностей обследуемого. Ведущую роль в формировании величин ИПК играют размеры легкого, толщина грудной стенки и электропроводность ее структур.

В заключительном параграфе второй главы рассмотрены подходы к неинвазивному локальному исследованию легких с применением фокусирующих электродов. Обоснованы условия измерений и формулы для

)

расчета глубины относительной вентиляции локального участка лег-

з

кого, удельного содержания воздуха (в мл/см ткани), удельного дыхательного объема (мл/см3). Показано, что контроль межэлектродного расстояния (МР) и величины его дыхательных изменений является необходимым условием точного исследования локального дыхания.

В третьей главе приведены результаты экспериментального изучения динамики ТТЭИ при различных технических и методических условиях исследования, определяется характер взаимосвязи между ТТЭИ и спирографическим сигналом легких, исследуется зависимость ИПК от антропометрических признаков обследуемых.

Импедансные показатели л|г|. |л2|, Др:, дхси Лср исследовались'

в 4-х отведениях: фронтальном (I) - 5-6 межреберье по среднемы-^ -

шечным линиям, передне-заднем (и) - на этом же уровне, но по среднеключичной и среднелопаточной линиям справа от грудины и позвоночника, передне-сагиттальном (ш) - точки проекции верхушки и основания легкого на среднеключичную линию, передне-заднем сагиттальном (iv) - точки . проекций верхушки легкого на среднеключичную и" основания легкого - на среднелопаточную линии. В биполярном режиме измерения проводились с помощью измерителей параметров полного сопротивления ВМ 507 и ВМ 508 ("Теела",ЧССР). Тет-раполярные исследования осуществлялись с помощью собственного лабораторного стенда, разработанного по результатам биполярных из- 12 -

измерений. Динамика импедансных показателей исследовалась в положении сидя, во всем диапазоне ЖЕЛ пациента, при различных режимах дыхания. Контроль легочной вентиляции осуществлялся спирографом "Метатест-2". Общее число обследованных составило 28 человек.

Представлены частотные зависимости базовых и переменных ком- ■ понент составляющих ТТЭИ в интервале I кГц-1 МГц и результаты отдельных измерений на более низких (до 500 Гц) и более высоких (до 50 МГц) частотах. На фиксированных частотах (5, 10-, 50, 100, 300, 500 и 700 кГц, I МГц) изучено соответствие между амплитудно-временными параметрами импедансного и спирографического сигналов при спокойном и форсированном дыхании, функции взаимосвязи между составляющими импеданса и объемными колебаниями легких А!?(Ду) и Ахс(Ду), картины импедансной вектор-пневмограммы дыхательного цикла Дк (Ахс)

Важнейшим результатом этих исследований явилось установление оптимальных технических и методических условий реализации КИПГ. Показано, что из всех видов импедансных показателей лишь активная часть импеданса (Дй) достаточно точно отображает вентиляционную функцию легких при всех дыхательных маневрах. . Причем, из указанных четырех отведений, отведение IV обеспечивает лучшую линейность взаимосвязи параметров ди и ¿V, чем отведения I и и, и меньшую чувствительность к артефактам дыхательных движений, чем отведение ш. В данном отведении линейность функции АЩАу) нарушается лишь малоамплитудными пульсовыми колебаниями импеданса. При переходе на форсированное дыхание линейность взаимосвязи нарушается и дыхательный цикл 'имеет -вид замкнутой петли, восходящая часть которой соответствует фазе вдоха, а нисходящая - фазе выдоха. Гистерезис является минимальным при зондирующих токах выше 500 кГц. Его ширина, подтверждая теоретические представления,

" пропорциональна скорости дыхательного потока.

На группе из 40 человек была изучена зависимость величин ИПК от антропометрических признаков. Диапазон полученных в IV отведении значений ИПК составил 0,4 - 6,6 Ом/л, при среднем значении 3.25 Ом/л. Была установлена достоверная отрицательная корреляция ИПК - с ростом (Р) (г = — 0,-87. р < 0,01), массой тела (М) (г'=

- 0,67. р < 0,01), ДЖЕЛ (г = - 0,88, р < 0,01) и положительная

/

корреляция с возрастом (В) (г = + 0.62. р < 0.05). Получены уравнения линейной регрессии, связывающие величину ИПК как с отдельными антропометрическими признаками, так и их совокупностью.

В частности, при использовании признаков Р, М и В, это уравнение для мужчин имеет вид:

ИПК (Ом/Л) = 17,62 - 0,07-Р - 0,05-М + 0,06-В (5)

Для женщин:

ИПК (Ом/Л) = 20,00 - 0,08-Р - 0,06-М + 0,04-В (6)

Для всего обследованного контингента:

ИПК (Ом/л) = 21,02 - 0,09-Р - 0.06-М + 0.05-В (7)

Среднеквадратичная ошибка прогноза ИПК в случае использования уравнения (7) не превышает 11,5 %, что позволяет при отсутствий прямых спирометрических средств воспользоваться расчетным значением ИПК для удовлетворительного количественного анализа импбдансной пневмограммы.

Четвертая глава посвящена обоснованию структуры и технических характерик биоимпедансной аппаратуры для неинвазивного исследования дыхания, разработке электродных систем и датчиков для длительных кардиореспираторных наблюдений, вопросам практической реализации важнейших функциональных узлов прибора.

Показано, что БИА для количественного исследования дыхания -должна обладать следующими характеристиками: тип измерительной

схемы - потенциометри;еский, на основе генератора стабильного тока; способ измерения импеданса - тетраполярный; форма зондирую-цего тока - синусоидальная; амплитуда тока - в интервале 0,5...5 «А. частота - в пределах 500..700 кГц. Выходное сопротивление генератора тока - не менее 100 'К0м, , допустимая нестабильность генерируемой частоты - 0,005 %. Измеряеой параметр - активное сопротивление. Требуемый диапазон измерения базовых значений сопротивления - 10-200 0м, его дыхательных изменений - 0,1 - 20 Ом. Цопустимый уровень шумов, приведенных ко входу - не более 0,005 5м. Входное сопротивление измерительного тракта - не менее 100 сОм. С учетом длины практически используемого электродного кабеля (2-3 м) в приборе следует применять активные электроды с размещаемыми на mix буферными усилителями. Выходной каскад измерительного тракта должен иметь полосу пропускания 0,05 - 4,5 Гц, учитывая необходимость измерения объемно-скоростных показателей спо-сойного и форсированного дыхания.

Для достоверного исследования вентиляциjhhhx показателей • фибор должен иметь два измерительных канала. Минимизация взэимо-штяния каналов через объект исследования обеспечивается применением системы из четырех преобразователей "напряжение-ток" и про-'ивофазным зондированием легких, что достигается соответствующим )асположением электродов. Интегральный сигнал дыхания формируйся сумматором выходных сигналов обоих каналов. Сами же эти сиг-галы служат задаче раздельного исследования легких.

В состав прибора введены также блоки контроля МР (путем тран- ■ ¡миссии ультразвука), омической калибровки сигналов кровотока и цхания и условно-спирометрической калибровки (БУСК) импедансной левмограммы. Последний вид калибровки осуществляется на основе ¡ведения дагашх роста, веса и возраста обследуемого.

Общая структурная схема такого прибора представлена ниже:

Ля

пр.

сиг Ли. пр

Ако

(ЗЙ /с1Ъ

лев'

Дк

лев

Для коррекции выходных сигналов пневмографа в условиях фор сированного дыхания в каждый измерительный тракт прибора включе усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, управляющим сиг налом для которого является дифференцированный выходной сигне синхронного детектора. При увеличении скорости вдоха коэффицие}

- 16 -

усиления выходного каскада возрастает, а при повышении скорости выдоха - падает. Благодаря этому осуществляется линеризация взаимосвязи параметров Дг: и Ду , необходимая для более точной оценки объемно-скоростных характеристик легких. Точность измерения последних возрастает на 10-15%

Для повышения точности и комфортности обследования пациента, 'улучшения качества записей при двигательной активности и продолжительных наблюдениях предложены конструкции активных электродов, основанных на емкостной связи с биообъектом. Рассматривается технология изготовления емкостных электродов и их преимущества над традиционными электродами гальванического типа. Для уменьшения погрешностей локального исследования дыхания предлагаются конструкции датчиков, совмещающих в себе функции фокусирующих электродов пневмографа и функции излучателя (приемника) ультразвука.

В заключительной части четвертой главы дается описание практически реализованных устройств для исследования легких.

В пятой главе анализируются результаты ме дацинской апробации ■ разработанного метода и технических средств. Определяются погрешности биоимпедансного метода относительно стандартных клинит"лских методик исследования вентиляции, оценивается клиническая полезность разработок, их достоинства и недостатки, рассматриваются перспективы развития и применения БИА в пульмонологии.

Экспериментами, выполненными на группе здоровых лиц (20 чел.) и больных с различными формами заболеваний легких (38 чел), показано, что предложенные метод и аппаратура обеспечивают значительное совпадение формы импедансной и спирографических кривых дыхания у обоих категорий пациентов. При переводе спирометрических данных в систему втрз погрешности измерения вентиляционных показателей по жподансной пневмограмме относительно спирометрическо-

- IV -

го метода распределись следующим образом: при оценке временных

показателей дыхания (Тптг> Тт._, ТП0СП1Т, ТПОС„,1Т_ и др.) - не более

вд ьыд , дц выд

2-3%, при оценке параметров ДО, МОД,' V , V - 5-6%, при оценке . параметров ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ОФВГ, Р0ВД, ровыд ~ 8-11%, при оценке параметров МВЛ, П0Свд, П0Сшд, М0С25, М0050 и М0С75 - 10-12%.

Таким образом, предложенный метод позволяет исследовать вентиляционную функцию легких с точностью, приемлемой для решения ряда современных медицинских задач.

Практическая полезность разработанных средств исследования легких существенно возрастает за счет раздельного измерения параг метров вентиляции каждого легкого, определения величин базовые сопротивлений обеих сторон ГК на частотах 50 и 500 кГц, применения режима локального исследования дыхания. Проведенные на пульмонологических больных эксперименты продемонстрировали возможность выявления этими приемами односторонних и регионарных нарушений в легких, оценки их степени и характера. Впервые в клини-нической практике были получены записи петли "поток-объем" форсированного дыхания для каждого легкого в отдельности, через импе-дансный сигнал. Данные локального Оиоимпедансного обследования легких хорошо согласуются с рентгенологическими заключениями с регионарном состоянии легких и результатами хирургического обследования больных.

Важнейшие результаты диссертационных исследований приводятся в выводах: к каждой главе диссертации и обобщаются в заключении.

о ,

В приложении' представлены акты о клинических испытаниям аппаратуры и внедрении результатов диссертационных исследований, приведены некоторые таблицы и иллюстрации, дополняющие материал! основной части работы. ■*

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован метод неинвазивного исследования легких, обеспечивающий .измерение общих, раздельных и локальных вентиляционных показателей по данным биоимпедансных измерений^ поверхности грудной клетки. Разработана аппаратура, позволяющая реализгзать этот метод и использовать его для решения практических задач клинической пульмонологии и прикладной физиологии.

2. На основе построения и анализа математических моделей легочной паренхимы и грудной клетки получены уравнения взаимосвязи между вентиляционными и электроимпедансными параметрами биобъек-та, исследована роль анатомофизиологических факторов и положения электродов в формирование импедансной пневмограммы.

3. Экспериментально определены диапазоны дыхательных изменений электрического импеданса грудной клетки и его составляющих, юследована их зависимость от частоты зондирующего тока, положе-шя электродов и характера дыхания.

4. Теоретически обоснована и подтверждена экспериментально 5ависимость импедансного пневмокоэффициента (ИПК, Ом/л) от рос-'а, веса и возраста обследуемых. Получено уравнение линейной мно-гественной регрессии, позволяющее рассчитать индувидуальное зна-[ение ИПК по совокупности вышеперечисленных признаков-, с пргреш-гастью не более 12% относительно эмпирически наблюдаемых значений.

5. По результатам теоретических и экспериментальных исследо-аний обоснованы структура и технические характеристики биоимпе-ансной аппаратуры для неинвазивного количественного исследования ыхания. Определены особенности реализации традиционных узлов вп-аратуры, показана целесообразность включения в ее состав блоков

амплитудной коррекции регистрируемого сигнала, условно-спирометрической калибровки импедансной пневмограммы, ультразвукового

«

контроля межэлектродаого расстояния. Разработаны конструкции электродных систем и полифункциональных датчиков, повышающих эффективность функционирования этой аппаратуры и комфортность обследования пациентов.

6. Найденные решения реализованы в комплексе технических средств для неинвазивного исследования кардиореспираторной системы, включающем реоплетизмограф легких РПГ2-05, ритмокардиопневмо-метр РКПМ 2-02 и набор датчиков и электродов для одновременного съема сигналов ЭКГ, дыхания и пульсового кровотока легких Эта аппаратура обеспечивает углубленный анализ легочных функций, оценку резервных показателей легких, длительный контроль за динамикой состояния, кардиореспираторной системы.

На базе ПЭВМ ibm pc/at и указанной аппаратуры создан образец медицинского автоматизированного комплекса "УНИКАРС-500", предназначенного для мониторного и клинико-диагностического исследования легких.

7. В процессе клинической верификации метода и апробации разработанных технических средств установлено, что среднеквадра-тическое отклонение при определении временных параметров дыханш относительно спирографического метода не превышает 1-2%, объемны) и относительных параметров 6-8%, скоростных показателей - 12-15%. Вероятность раннего обнаружения легочной патологии возрастаем благодаря раздельному измерению функциональных параметров каждог< легкого и исследованию локальных функций легких.

8. Достигнутая информативность метода и созданные на его основе приемы обследования легких позволяют исключить из многих ме

дицинских экспериментов малокомфортные и затрудняющие процесс дыхания загубники и маски, снизить число назначений рентгенологического обследования легких, существенно упрощают проблему оценки вентиляционных показателей каждого легкого в отдельности. Не-

I „

инвазивный характер |получения данных о внутрилегочных процессах делает биоимпедансную аппаратуру перспективным звеном медицинских информационно-измерительных и управляющих комплексов, таких, как системы массовых профилактических осмотров, медицинского контроля состояния операторов, искусственной вентиляции легких и.др.

По результатам исследований опубликованы следующие работы:

1. БольшовВ.М., Ярмолинский В.И. Разработка импедансного тневмографа для количественных измерений // Метрологическое обес-течение измерений в медицине и биологии: Тез. докл. научно-техн. сонф. - Таллин, 1983. - С. 151-152.

2. Ярмолинский В.И. Особенности построения импедансных пнев-юграфов для количественного контроля легочной вентиляции // VII ' юсп. съезд терапевтов БССР: Тез. докл.- Минск,1984,- С. 187-188.

3. Гришанович А.П., Ярмолинский В.И. Опыт разработки и цлше-[ения емкостных электродов //Мед. техника.- 1984,- № I.- С.35-39.

4. Ярмолинский В.И. Импедансная пневмография, как метод про-илактического обследования дыхательной системы // Автоматизиро-анные электронные системы для массовых профилактических осмотров аселения: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Л.,1985. - С. 11-12.

5. Гришанович А.П., Ярмолинский В.И. Перспективы техническо-о обеспечения' автоматизированной системы ммассовых кардиологи-еских обследований // Проблемы создания технических средств для

- 21 -

массовой диспансеризации населения. - Тез. докл. Всесоюз, науч.-техн. конф. - М., 1985. - 0. 7-8.

6. Ярмолинский В.И., Большов'В.М- Импедансная диагностика вентиляционных нарушений дыхания // Проблемы создания технических средств для массовой диспансеризации населения: Тез. докл. Всесоюз. конф. - М., 1985. - С. 96-97.

7. Разработать математические методы, программы и некоторые технические средства для обеспечения массовых кардиологических обследований населения. // Закл.отчет о НИР. £ гос.per. 8I08I824. Шифр темы ГБ/81-85.74. Науч.рук.- Гришанович А.П. Исп. В.И. Ярмолинский, С.П. Антонович, В.В. Кеда и др. - Минск, 1985. - 112 с.

8 - Ярмолинский В.И., Антонович С.П, Большов В.М. Метод и устройство для экспресс-оценки локальной вентиляции легких // Бионика и биомедкибернетика-85 / Медицинская кибернентика: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Л., 1985. - С. 217-219.

9. Ярмолинский В.И., Милькаманович В.К., Большов В.М. Объективная оценка состояния внешнего дыхания в экстремальных условиях // Проблемы оценки функциональных возможностей человека и прогнозирование здоровья: Тез.докл. Всесоюз. конф. - М.,1985. - С. 478.

10. Ярмолинский В.И., Большов В.М., Гришанович А.П. и др. Импедансная пневмография: состояние и перспективы // Физические факторы и технические средства в медицине: Тез. докл. -респ. конф. БНМТО и БШОФиК. - Минск, 1986. -С. 46-47.

11. 'Гришанович А.П., Лазюк Д.Г., Ярмолинский В.И. Новые разработки электродной техники для электрокардиографии и реографии // Физические факторы и технические средства в медицине: Тез. докл. респ. конф'. БНМТО и БНМОФиК - Минск, 1986. - С. 8-9.

12. Ярмолинский В.№. Выбор оптимальных условий количественной импедансной пневмографии // Измерения в медицине и их метро- 22 -

логическое обеспечение : Тер. докл. viii Всесоюз. конф.- M.t 1986. - С. 99-100.

13. Орехов ПЛ., Ярмолинский В.И. Регрессионная модель зависимости импедансного пневмографического коэффициента от антропометрических признаков // Реализация математических методов с ис-тользованием ЭВМ в клинической и экспериментальной медицине: Тез. цокл. Ii'Всесоюз. конф. - M..I986. - С. 270-273.

14.. Ярмолинский В.И. Реоплетизмограф легких РПГ2-05 для не-швазивного исследования функций легких // Труды института: ' При-Зоры и системы для функциональных и клинико-физиолигических исследований. - Вып.1. - М.: ВНИИИМТ, 1987. - С. 59-64.

15. Ярмолинский В.И., Большов В.М. Аппаратура, методы и ре-5ультаты импедансшх изменений в пульмонологии // Актуальные вопросы применения радиоэлектроники в медицине: Тез. докл. Всесоюз. ¡аучн.- техн. конф.- Москва-Куйбышев, 1988. - С. II.

16. Семененко 1.В., Ярмолинский В.И., Маскевич Ю.В. Автоматизированный комплекс для исследования электрических параметров-, )ргашзма и выбора характеристик импедансного томографа //' Акту-¡льные вопросы применения радиоэлектроники в медицине: Тез. докл. !сесоюз. науч.- техн. конф.- Куйбышев, 1988.- С. 51.

17. Дмитриева В.В., Ярмолинский В.И., Чуясов В.Н. Автоматизация исследований кардиореспираторной системы человека-опера-'ора // Актуальные вопросы применения радиоэлектроники в медицине: 'ез. докл. Всесоюз. науч.- техн. конф.- Куйбышев, 1988.- 0. 161.

• у

18. Большов В.М., Ярмолинский В.И. Измерение общей и раздель-гой вентиляции легких на основе импедансной пневмографии // Взаи-юдействие моторных и вегетативных функций при различных видах шшечной активности человека: Межведомственный темат. сб. науч.

трудов / Калининский ГУ - Калинин, 1988. - С. III-II6.

19. Большов В.М., Ярмолинский В.И., Милькаманович В.К., Орехов Н.И. Количественная оценка вентиляционных показателей легки; по данным импедансной пневмографии // Труды института: Исследования, разработка, испытание и применение медицинской техники дл! диагностики. - Вып. 10. - М.: ВНИИИМТ, 1989. - С. 69-82.

20. Ярмолинский В.И., Врубель М.М. Обоснование характерно™ управляемых полосовых фильтров в выходных каскадах биоимпедансно! аппаратуры для исследования функций'легких // Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение: Тез. докл. ix Всесоюз. конф - М., 1989. - 0. 29.

21. Разработать информационно-измерительный комплекс для ав томатизации профилактических кардиологических обследований насе ления // Зазслюч. отчет .о НИР. Л гос.per. 01 870034928. Инв. № 0; 880015436. - Науч. рук. Гришанович А.П. Исп.- Ярмолинский В.И. Антонович С.П., Бурное В.В. и др. - Минск, 1989. - 112 с.

22. Способ локального исследования вентиляции легких и уст ройство для его осуществления / В.И. Ярмолинский, В.М. Большов С.П. Антонович С.П. и др. -Авт. свид-во СССР I6324I7, МКИ A6I В 5/08, 5/085. - ОпубЛ. 07.03.91, БИ й 9. .

23. Bolshov V. ,'Jarmolinski V. Bioimpedance measurement о respiratore volumes in telemetry'// Eleventh international sym posium on biotelemetry: Program and Abstracts Book, August 29 September 4, 1390. - Yokohama Int. Conf. Center, Japan, 1990. P. 84.