автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Биотехническая система экспресс-оценки группы гематологических параметров в одной микропробе

р г В ОА

На правах рукописи

Уманский Олег Семенович

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ГРУППЫ ГЕМАТОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ОДНОЙ МИКРОПРОБЕ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1996

Работа выполнена в Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университете (г, Томск)

Научные руководители: - д.т.н., профессор, заслуженный

деятель науки и техники РСФСР Ананьев Л.М., - к.т.н., доцент, академик РАМТН, академик МАЭИН Пеккер Я.С.

Официальные оппоненты: - д.т.н., профессор, академик РАЕ,

академик РАИ Кулешов В.К., - д.м.н., профессор, академик МАВШ Новицкий В.В.

Ведущее предприятие - МГТУ им. Н.Э.Баумана

Защита диссертации состоится 1996 г. в

часов на заседании диссертационного совета Д 063.80.05 в Томском политехническом университете по адресу: 634028, г. Томск, ул. Савиных, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета / ---- Б.Б.Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Случайные колебания химического и морфологического состава крови, а также ее физико-химических свойств, в нормально функционирующем (здоровом) организме быстро выравниваются. С другой стороны, всевозможные нарушения функций отдельных органов и систем (печени, почек, сердечнососудистой системы и т. д.) приводят к соответствующим относительно устойчивым сдвигам ее состава и свойств. Это позволяет рассматривать кровь, как высокочувствительный многопараметрический индикатор состояния организма. Поэтому, неслучайно, гематологические исследования занимают значительный удельный вес среди анализов, проводимых в клинико-диагностических и экспериментальных лабораториях.

К сожалению, среди традиционных гематологических параметров, такие как показатель гематокрита, осмолярность плазмы и многие др., известен ряд "неспецифических" высоко информативных в различных областях медицины показателей системы крови, которые в силу недостаточной методической обеспеченности не получили широкого внедрения в клинической лабораторной практике.

Это касается ультразвуковой резистентности эритроцитов, являющейся ранним индикатором сердечно-сосудистых патологий и заболеваний онкологического характера при отсутствии изменений основных гематологических показателей (СОЭ, содержание гемоглобина, количество эритроцитов и т. д.), удельных электронроводно-стей плазмы крови и цитоплазмы (их эффективных осмолярностей), характеризующих уровень их общей электролитемии и имеющих исключительно важное значение для диагностики и прогнозирования целого ряда заболеваний, связанных со сдвигами водно-электролитного баланса, а также различных сердечно-сосудистых нарушений.

Стремление получить при исследовании системы крови больший объем объективной информации о состоянии здоровья, как правило, сопровождается разработкой новых, не связанных между собой, методов и технических средств. Это, естественно, приводит к необходимости увеличения общего объема исследуемой пробы, а также к увеличению перечня используемых химических реактивов, времени пробоподготовки и проведения анализа вцелом.

В связи с изложенным, актуальной является разработка высокоэффективных лабораторно-диагностических систем анализа крови,

которые позволяли бы производить одновременную оценку нескольких диагностически значимых параметров в одной микропробе за короткий промежуток времени.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование и разработка экспресс-метода и соответствующих технических средств для оценки группы параметров крови в одной микропробе без специальной пробоподготовки и использования химических реактивов.

В работе решались следующие основные задачи:

1. Изучение возможностей применения физико-химических методов и технических средств для одновременной оценки группы параметров в одной микропробе цельной крови без специальной пробоподготовки и использования химических реактивов.

2. Разработка математической модели динамики электропроводности крови при гемолизе.

3. Анализ физических аспектов взаимодействия ультразвука с цельной кровью и определение оптимальных параметров излучения для инициации гемолиза в цельной крови.

4. Разработка алгоритма идентификации параметров математической модели гемолиза.

5. Исследование метрологических характеристик метода.

6. Техническая реализация метода и его лабораторные испытания.

Методы исследования. Поставленные задачи решались в соответствии с основными принципами поэтапного моделирования теории биотехнических систем, разработанной в МГТУ им. Н.Э.Баумана и Санкт-Петербургском электротехническом университете, путем сочетанного использования теоретических и экспериментальных методов исследования.

Синтез математической модели динамики электропроводности крови при гемолизе осуществлялся на основе теории электропроводности дисперсных систем с непроводящей дисперсной фазой.

Выбор и обоснование режимов облучения (параметров ультразвуковых колебаний) исследуемого образца для инициации гемолиза в цельной крови осуществлялись с учетом основных физико-математических положений распространения упругих колебаний в сложных полидисперсных средах.

При разработке алгоритма идентификации параметров математической модели гемолиза использованы прямые и градиентные оптимизационные методы отыскания минимума целевой функции.

Разработка конструкции измерительной ячейки и электродов, а также выбор и обоснование их материалов базировались на положениях электрохимии, теплообмена и теплопереноса.

Результаты экспериментов при оценке адекватности разработанной математической модели обрабатывались с применением непараметрических методов математической статистики, используемых для малых выборок.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Доказана принципиальная возможность создания лаборатор-но-диагностических методов и систем оценки показателей биологических жидкостей (сложных полидисперсных сред) без применения химических реактивов и специальной пробоподготовки на основе идентификации параметров динамической модели процессов, протекающих под действием заданного возмущения.

2. Впервые разработана адекватная математическая модель динамики электропроводности цельной крови при гемолизе ультразвуком с учетом основных параметров исследуемого объекта, влияющих на этот процесс.

3. Определены режимы энергетического воздействия на исследуемую биопробу и контроля динамики ее свойств, обеспечивающие соблюдение принципов адекватности и идентификации информационной среды.

4. Разработан экспресс-метод оценки ультразвуковой резистентности эритроцитов и удельной электропроводности цитоплазмы.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанный автоматизированный гематологический комплекс прошел экспериментальную апробацию и внедрен в лаборатории патофизиологии экстремальных состояний НИИ кардиологии Томского научного центра РАМН и в центральной научно-исследовательской лаборатории Сибирского государственного медицинского университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедр "Промышленная и медицинская электроника" ТПУ (Томск, 1988, 1996), "Биологическая и медицинская кибернетика" СГМУ (Томск, 1994, 1996), а также на III Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы техники в медицине" (Томск, 1983), Всесоюзной научной конференции "Применение медицинской техники в хирургии" (Иркутск, 1985), IV Всесоюзной конференции "Проблемы техники в

медицине" (Тбилиси, 1986), VIII Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение" (Москва, 1986), IX Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение" (Москва, 1989). По результатам диссертационной работы принят доклад на X Международную конференцию "Математическое и компьютерное моделирование" (Бостон, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы, из них 4 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (223 наименования, из них 33 иностранных) и приложений. Работа выполнена на 183 машинописных листах, содержит 41 рисунок и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, поставлена цель и обозначены задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе анализа литературных данных представлено качественно-количественное описание объекта исследования - крови, как сложной полидисперсной среды. Показана высокая диагностическая значимость гематологических показателей в различных областях медицины.

Среди традиционных параметров крови (показатель гематокри-та, осмолярность плазмы) отмечены ряд "неспецифических" (ультразвуковая резистентность эритроцитов, удельные электропроводности плазмы и цитоплазмы - их эффективные осмолярности), позволяющих осуществлять раннюю диагностику сердечнососудистых патологий, нарушений водно-электролитного баланса, заболеваний онкологического характера.

С учетом особенностей объекта исследования, определены основные требования к методам и соответствующим техническим средствам анализа состава и свойств крови, составляющих основу биотехнической системы лабораторного анализа (БТС-ЛА):

- простота и низкая трудоемкость при эксплуатации;

- экспрессность;

- высокая точность;

- минимальная пробоподготовка;

- высокая избирательность и информативность;

- минимальное использование химических реактивов;

- возможность исследования микрообъемной пробы.

Проведен анализ существующих инструментальных методов

исследования системы крови и возможных путей их использования для одновременной оценки выше упомянутых параметров в одной микропробе без использования химических реактивов и специальной пробоподготовки. С точки зрения выдвинутых требований, произведен обоснованный выбор интегрального кондуктометрического способа для решения поставленных задач.

В результате теоретического анализа и экспериментальных исследований существующих математических моделей, описывающих электропроводность крови, как дисперсной системы в стационарных условиях, показано, что наиболее адекватной во всем физиологически значимом диапазоне изменений показателя гематокрита является формула Де ла Рю и Тобиас:

а = ср{1-Н)32, (1)

где а, о р - удельные электропроводности цельной крови и плазмы, соответственно; Н- показатель гематокрита.

Однако, модель (1) справедлива лишь при условии непроводящей дисперсной фазы. В результате анализа электрических спектров цельной крови и крови, подвергнутой воздействию различных физико-химических факторов, полученных различными авторами, установлено, что эритроциты являются диэлектриками на частотах до 100 кГц.

На основе модели (1) с учетом состава крови и физических процессов, протекающих при искусственно введенном внешнем воздействии на эритроциты, сформирована гипотетическая качественная модель изменения электропроводности среды при гемолизе. При этом отмечены основные характеристики объекта исследования, оказывающие непосредственное влияние на этот процесс - резистентность эритроцитов, показатель гематокрита, удельные электропроводности плазмы и цитоплазмы. Показаны преимущества ультразвука, как лизирующего (разрушающего) агента: возможность дозирования и простота автоматизации процессом управления.

Учитывая особенности реализации динамического метода контроля и оценки параметров исследуемой биопробы при нормированном внешнем возмущающем воздействии, разработана структурно-

функциональная схема (СФС) БТС-JIA динамического типа, позволившая выделить основные звенья сопряжения биологических и технических элементов с целью максимального соблюдения принципов адекватности и единства информационной среды.

На основе анализа представленной СФС БТС-ЛА определены основные задачи последующих исследований.

Вторая глава посвящена математическому моделированию динамики электропроводности крови под действием ультразвука.

Проведены теоретические исследования гемолизирующего действия ультразвука и определены параметры излучения (частота 20 -=-100 кГц, интенсивность 1-^2 Вт/см2), обеспечивающие адекватность ультразвукового гемолиза механическому разрушению. При этом учитывалось возможное влияние квадратичных эффектов действия ультразвука на изменение электропроводности исследуемого образца, не связанного непосредственно с деструкцией эритроцитов. Аналитически доказана невозможность получения ультразвукового гемолиза цельной крови в докавитационном режиме.

Синтез математической модели динамики электропроводности крови при гемолизе осуществляли в следующей последовательности.

За основу была принята статическая модель (1). Для динамических условий она приведена к виду

a(0=as(*).[l-tf(i)]3/2, (2)

где as - удельная электропроводность проводящей суспендирующей среды.

С целью выяснения закона изменения во времени при гемолизе параметра Н использовано известное дифференциальное уравнение, описывающее кинетику клеток крови в сосудистом русле:

^ = (3)

dt

dN

где - - изменение количества эритроцитов в сосудистом

dt

русле за малый промежуток времени; Р и D - продукция и деструкция эритроцитов, соответственно.

В условиях in vitro продукция эритроцитов Р = 0. Принимая деструкцию эритроцитов D пропорциональной их количеству в исследуемой пробе N, получим

D = к ■ N,

где к - коэффициент, обратная величина которого характеризует среднее время жизни эритроцитов под действием лизина постоянной силы на всем протяжении исследований (резистентность эритроцитов). Тогда решение уравнения (3) принимает вид

N = Ще~к(, (4)

где А'о - начальное количество эритроцитов в пробе крови. Учитывая, что гематокритное число Н пропорционально количеству эритроцитов в исследуемой пробе -¡V, выражение (4) можно записать как

Н = Ще~к1, (5)

где Щ - начальное значение показателя гематокрита. Изменение электропроводности суспендирующей (проводящей) среды за счет смешения плазмы и высвобождающейся цитоплазмы без учета обрывков мембран происходит в соответствии с аддитивной формулой смеси растворов:

= °РУ р{*) + асУ с{*). (6)

где стс - удельная электропроводность цитоплазмы; у р, ус -

объемные доли плазмы и цитоплазмы, соответственно.

Очевидно, что характер изменения во времени объемных долей плазмы и цитоплазмы должен соответствовать характеру закона изменения гематокрита (4). Однако, если Ур(^) при этом уменьшается,

то ус(^) - увеличивается:

у,(й) = (1-Я)/(1-Яе-"); (7)

= (8)

где для упрощения записи принято Щ — Н. С учетом (2), (5) - (8) получена многомерная математическая модель динамики электропроводности цельной крови при гемолизе разрушающим агентом постоянной силы:

с(*)= ар(1- Н) + асН^1-е-к^ ■ "Л - Не"Ы . (9)

При анализе полного дифференциала модели (9) установлены уровни предельных относительных ошибок определения к и И=<зс^с>р, что позволило определить границы отрезков на экспе-

риментальной кривой, в пределах которых ошибка минимальна (см. рис. 1).

t, С

1

9 13 17 21 25 29 33

I-it =0,05 с"1; II -к= 0,10 с'1; III - к = 0,15 с"1

а:

5Д,%

15

35

55

75

I - Ък = 2 % ; II - 5* = 5 % ; III - Ьк = 10 % ; к = ОД с"1

б:

ii = 0,4; R = 0,4; = 1,66 См/ м; 5с0 = 5ар = бо^ = 5а£ = 0,5 % Рис. 1. Динамика предельных относительных ошибок идентификации к (8к) и R (ЬЯ) при различных исходных данных в физиологически допустимых пределах.

С использование прямых и градиентных методов нелинейной оптимизации (Ньютона-Гаусса, Хука-Дживса) разработан алгоритм идентификации параметров модели (9). Проведены метрологические исследования разработанного алгоритма. Показано, что непосредст-

венная идентификация параметров модели (9) с использованием экспериментальных значений изменения электропроводности исследуемого образца в процессе гемолиза при случайной равномерно распределенной ошибке < + 0,5 % не позволяет обеспечить требуемой точности их определения.

Для повышения точности идентификации параметров модели осуществлялось ее доопределение, то есть сокращение количества неизвестных (идентифицируемых) параметров. Это достигалось путем измерения электропроводности полностью гемолизированной крови ск , которая из модели (9) при t = ж определяется как

ак=ар{1-Н) + аеН. (10)

С учетом (10) модель (9) сводилась к функции двух параметров Н и к.

СТ° \е-к*

л/1- Я

VI - Не кг , (И)

где ст0 - удельная электропроводность цельной крови; аК - усредненное на конечном отрезке экспериментального массива значение удельной электропроводности полностью гемолизированной крови. На основе модели (11) с использованием градиентного (Ньютона-Гаусса) и прямого (Хука-Дживса) методов минимизации целевой функции разработан алгоритм идентификации параметров Н и к, структура которого представлена на рис. 2. Для исключения накопления ошибки из экспериментального массива стэ(-0 отсекался отрезок, лежащий в пределах заданного уровня ошибки измерения ( блок 3, рис. 2). Определялись верхняя Ь^ и нижняя Ь^ границы отрезка, в рамках которого предельная относительная ошибка Ък принимает минимальные значения (блок 4, рис. 2).

Статистические испытания данного алгоритма показали удовлетворительную точность идентификации лишь для параметра к. Поэтому было предпринято дальнейшее доопределение модели (9), выражающееся во введении в нее в качестве известного параметра

показателя гематокрита Н, который определялся из статической модели (1) на основе экспериментально измеренных значений удельных электропроводностей цельной крови и плазмы. В данном случае в основу алгоритма идентификации (минимизации целевой функции одной переменной) был положен метод золотого сечения.

1 СЧИТЫВАНИЕ ИЗ ФАЙЛА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАССИВА о„(241)

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛНОСТЬЮ ГЕМОЛИЗИРОВАННОЙ КРОВИ 241 ¿=196

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ ДЛИНЫ МАССИВА 1 = / ИЗ УСЛОВИЯ - аэ(у) < 1А

4 ВЫЧИСЛЕНИЕ ГРАНИЦ: Ц, = . А, =

5 ПОИСК Н И к ПУТЕМ МИНИМИЗАЦИИ ЛИБО МЕТОДОМ ХУКА-ДЖИВСА (НЬЮТОНА-ГАУССА)

6 РАСЧЕТ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ЗАПИСЬ В ФАЙЛ Н, 8Н, к, 5к

Рис. 2. Структура алгоритма идентификации параметров функции двух переменных Ни к.

Последовательность процедуры идентификации отражена на рис. 3 в виде обобщенной структуры алгоритма идентификации. После идентификации к из (11) определялись верхняя ТЕ^ и нижняя ТЛх границы отрезка, в пределах которого уровень предельной относительной ошибки 57? принимает минимальные значения (блок 7,

рис. 3). С использованием измеренного значения ар, расчетного Н,

предварительно идентифицированного к осуществляли идентификацию /? с использованием модели (9) (блок 8, рис. 3) в виде

После этого рассчитывалось значение удельной электропроводности цитоплазмы (TL = К- ср (блок 9, рис. 3).

Полученные в результате статистических испытаний ошибки идентификации всех выше упомянутых параметров не превышали 3,5 % при уровне случайной равномерно распределенной моделируемой ошибке измерений электропроводности < ± 0,5 %.

При сравнительных статистических испытаниях разработанных алгоритмов с использованием различных оптимизационных методов, различных критериев в процедуре минимизации (среднеквадратического и Чебышевского - минимум суммы разности модулей), а также с расчетом границ отрезков для идентификации к и В и без такового, установлено:

- сходимость алгоритма на основе метода Ньютона-Гаусса быстрее, чем при использовании метода Хука-Дживса;

- оценки параметров, полученные методом Хука-Дживса, меньше отличаются от истинных значений;

- среднеквадратический критерий для решения поставленной задачи дает лучшие оценки параметров;

- введение модулей определения границ отрезков для последующей идентификации к и Л существенно улучшает их оценки.

С учетом амплитудной спектральной характеристики модели (9) при различных значениях параметров, входящих в нее, установлена минимально допустимая частота дискретизации для регистрации динамики электропроводности при гемолизе (1 Гц).

В результате проведенных исследований определены основные требования к техническим средствам анализатора гематологических параметров, реализующего предлагаемый метод и разработана соответствующая СФС, которая изображена на рис. 4.

<71

■(/)=СГр\\-н + к-н[{

е

1 СЧИТЫВАНИЕ ИЗ ФАЙЛА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАССИВА сэ(241) И ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПЛАЗМЫ ор

2 (а У^ РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЯ ГЕМАТОКРИТА Н = 1--

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛНОСТЬЮ ГЕМОЛИЗИРОВАННОЙ КРОВИ 241 /=196

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ ДЛИНЫ МАССИВА /_ = / ИЗ УСЛОВИЯ |стк - аэ(у)| < ^

5 ВЫЧИСЛЕНИЕ ГРАНИЦ: = , ^ =

6 ПОИСК к ПУТЕМ МИН1 1 ГГ с л г. ^ ^ 4МИЗАЦИИ ФУНКЦИИ е"*' - Не'1"' У''2 - сг, 0*)| "ОГО СЕЧЕНИЯ

' "к "к /— ;=/„„ _ V VI-МЕТОДОМ 30/ Н) 101

®

7 ВЫЧИСЛЕНИЕ ГРАНИЦ: ТЯН = ТЯВ = 77?н + ТК,

8 ПОИСК к ПУТЕМ МИНИМИЗАЦИИ ФУНКЦИИ Р= I (о- + + Й )- (=//<„ V 1 МЕТОДОМ ЗОЛОТОГО СЕЧЕНИЯ

9 РАСЧЕТ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЦИТОПЛАЗМЫ ас = к -ар И ЗАПИСЬ В ФАЙЛ Я, к, к, <7С

Рис. 3. Структура алгоритма независимой идентификации к и Л.

от С П 1

Б П

д

У к к

и Б И Э С АЦП

п

ТГ "Г г

с в т

и

сп

Б И Э С- блок измерения электрического сигнала; У К К - устройство кондуктометрического контроля; СП - средство преобразования (ультразвуковой генератор с излучателем); АЦП- аналого-цифровой преобразователь; Д - датчик; С В Т - средства вычислительной техники (компьютер); И - источник; Б Т - блок термостатирования; П- приемник.

Рис. 4. Структурно-функциональная схема анализатора

Б Т

Третья глава посвящена решению вопросов технической реализации БТС-ЛА группы параметров крови в одной микропробе- В результате анализа кондуктометрических методов произведен выбор и обоснование амплитудного переменнотокового контактного метода для решения поставленной задачи, позволяющего осуществлять измерения в любом объеме пробы, на любой частоте при линейной передаточной характеристики. Экспериментально полученные зависимости электропроводности плазмы крови и физиологического раствора от частоты зондирующего тока позволили определить нижнюю границу частотного диапазона, выше которой влиянием поляризационных эффектов можно пренебречь (>30 кГц).

Теоретические исследования электрических эквивалентных схем замещения двухэлектродных контактных кондуктометрических ячеек позволили определить оптимальную конструкцию измерительной ячейки и материал контактирующей поверхности электродов (платина) с исследуемым объектом. Аналитически установлена максимально допустимая верхняя граница частоты зондирующего тока (< 50 кГц), до которой методическая погрешность определения активной составляющей электропроводности цельной крови при контроле модуля полного импеданса не превышает 0,25 %.

На основе анализа возможных термических эффектов, возникающих при облучении крови ультразвуком, а также с учетом величины температурного коэффициента сопротивления крови (1,5 -

2 %/°С ), показана необходимость обеспечения теплоотвода от исследуемого образца при измерениях.

Эта задача решена с использованием основных положений теорий теплообмена и теплопереноса путем выбора соответствующих материала (медь) и конструкции измерительных электродов. При этом показано, что только за счет использования двух медных электродов массой всего лишь по 10 г возможные изменения температуры исследуемого образца при облучении его ультразвуком снижаются на порядок. Кроме того, время теплопереноса получается меньшим промежутка времени, в течение которого такое же количество тепла поглотилось бы в исследуемой пробе при ее облучении.

С целью минимизации поляризационных погрешностей на границе электрод - кровь, а также снижения стоимости, контактирующая поверхность электродов платинировалась электрохимическим способом.

Учитывая возможную модуляцию электропроводности исследуемого образца за счет перераспределения дисперсной фазы под действием ультразвука, показана необходимость обеспечения взаимной перпендикулярности силовых линий электрического тока и направления распространения упругих колебаний.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции измерительной ячейки и электродов, которые изображены на рис. 5.

Предложена конструкция пакетного ультразвукового излучателя с экспоненциальным концентратором, обеспечивающая возбуждение низкочастотных упругих колебаний в микрообъемной пробе (см. рис. 5).

Для стабилизации амплитуды колебаний рабочего торца излучателя разработана схема ультразвукового генератора, содержащая контур электроакустической обратной связи.

При разработке измерительного тракта устройства кондукто-метрического контроля проведен обоснованный выбор потенциомет-рической схемы преобразователя импеданс-напряжение, обеспечивающей линейность передаточной характеристики при высокой чувствительности и возможность непрерывной автоматической регистрации модуля импеданса. Представлена структурная схема устройства вцелом, позволившая определить необходимые технические характеристики его основных блоков.

С учетом значения константы разработанной ячейки, а также физиологически значимого диапазона изменений удельных электро-проводностей плазмы, цельной крови и полностью гемолизированной крови, установлено минимально допустимое значение выходного сопротивления преобразователя напряжение-ток > 760 кОм.

Определены допустимые границы постоянной времени амплитудного детектора (20 мкс « ИС « 2 с) для неискаженного восстановления непрерывного сигнала, характеризующего изменение электропроводности исследуемого образца при гемолизе.

Для обеспечения требуемой точности термостатирования исследуемой пробы (Д£<±0,05 °С), с учетом особенностей конструкции измерительной ячейки и электродов, определены необходимый закон регулирования, термочувствительные и исполнительные элементы, а также места их размещения (см. рис. 5).

При решении вопросов сопряжения с ЭВМ всех модулей, обозначенных на рис. 4, в силу невысокой плотности потока данных

приемник (пъвэадатчик)

тврмистор

платиновое гкясрытие тврмистор

измер*тгельный алеюрод

нагревательный элемент (транзистор)

рабочий объем

Рис. 5. Конструкции измерительной ячейки, электродов и ультразвукового излучателя

выбран программный ("по готовности") способ ввода-вывода (ВВ) информации. Разработаны структура порта ВВ, алгоритм и соответствующая программа, обеспечивающие обмен данными.

В результате проведенных исследований разработан автоматизированный гематологический комплекс, позволяющий проводить экспресс-оценку ультразвуковой резистентности эритроцитов, показателя гематокрита, удельных электропроводностей плазмы и цитоплазмы.

Представлены результаты лабораторных испытаний комплекса на модельных животных (белых беспородных мышах, самцах, массой 20 - 25 г) с первичным гипотиреозом и контрольной группе, подтверждающие справедливость сделанных в работе заключений и свидетельствующие о работоспособности предложенного метода и его преимуществах. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с использованием методов непараметрической статистики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Изучены возможности различных физико-химических методов и обоснованно выбран кондуктометрический способ для оценки группы параметров крови в одной микропробе без специальной про-боподготовки и использования химических реактивов.

2. Разработана адекватная математическая модель динамики электропроводности цельной крови при гемолизе ультразвуком с учетом параметров исследуемого объекта, влияющих на этот процесс.

3. Доказана принципиальная возможность создания лаборатор-но-диагностических методик и систем оценки показателей биологических жидкостей (сложных полидисперсных сред) без применения химических реактивов и специальной пробоподготовки на основе идентификации параметров динамической модели процессов, протекающих под действием заданного возмущения.

4. Проведен анализ физических аспектов взаимодействия ультразвука с цельной кровью и определены параметры излучения, обеспечивающие преимущественно механическую деструкцию эритроцитов.

5. Разработан алгоритм идентификации параметров математической модели (параметров крови) с использованием прямого и градиентного методов оптимизации.

6. Проведены метрологические исследования и статистические испытания разработанного алгоритма при различных значениях параметров, входящих в модель, и уровнях случайной ошибки, накладываемой на регистрируемый процесс. Определены целесообразные участки на кривой гемолиза для идентификации соответствующих параметров модели и допустимый уровень суммарной инструментальной погрешности регистрации электропроводности.

7. Изучены возможности различных кондуктометрических методов для анализа жидких сред и произведено обоснование применения амплитудного контактного переменнотоковоГч) способа для решения поставленной задачи.

8. Определены состав, структура и функциональное назначение основных блоков, реализующих методику определения группы параметров крови в одной микропробе.

9. Проведены выбор и обоснование наиболее целесообразного закона регулирования блока термостатирования для обеспечения заданной точности поддержания температуры исследуемого объекта, а также основных его элементов (датчика и исполнительных элементов).

10. Разработаны конструкции и проведен обоснованный выбор материалов измерительной ячейки и электродов одновременно обеспечивающих:

- анализ микрообъемной пробы;

- минимизацию поляризационных эффектов;

- равномерность распределения силовых линий электрического поля по всему объему;

- термостатирование и минимизацию влияния квадратичных эффектов действия ультразвука.

11. Разработаны конструкция ультразвукового излучателя, позволяющая озвучивать микро объемную пробу и ультразвуковой генератор, обеспечивающий автоматическую стабилизацию амплитуды колебаний рабочего торца концентратора путем введения контура электроакустической обратной связи.

12. Разработаны алгоритм функционирования и соответствующее программное обеспечение автоматизированного гематологического комплекса для экспресс-анализа ультразвуковой резистентности эритроцитов, показателя гематокрита, удельных электропроводно-стей плазмы крови (эффективной осмолярности) и цитоплазмы,

В ходе выполнения работы разработай и изготовлен автоматизированный гематологический комплекс не имеющий прямых отечественных и зарубежных аналогов.

Работа велась в рамках решения Комитета по новой медицинской технике Министерства здравоохранения СССР.

Результаты диссертационной работы внедрены в лаборатории патофизиологии экстремальных состояний НИИ Кардиологии Томского научного центра АМН России, в Центральной научно-исследовательской лаборатории Сибирского государственного медицинского университета, в учебный процесс на кафедрах биологической и медицинской кибернетики и нормальной физиологии Сибирского государственного медицинского университета.

Комплекс экспонировался на ВДНХ СССР, где удостоен серебряной медали (Удостоверение № 30975. Постановление №958-Н от 25/Х1 1988 г.).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Парахин С.П., Уманский О.С. Устройство контроля осмотических свойств растворов // Разработка и исследование радиотехнических систем и устройств: Тез. докл. обл. науч.-техн. конф. - Томск, 1983. - С. 65 - 66.

2. Парахин С.П., Уманский О.С. Устройство для эксресс-диагностики нарушений водно-солевого обмена // Проблемы техники в медицине: Тез докл. III Всесоюзн. науч.-техн. конф. - Томск, 1983.

- С. 50 - 51.

3. Пеккер Я.С., Парахин С.П., Уманский О.С. Применение пьезоэлектрических преобразователей в криоскопии // Ультразвуковые пьезоэлектрические датчики и двигатели. - Томск, 1984. - С. 125

- 129.

4. Слепушкин В.Д., Парахин С.П., Уманский О.С. Вопросы оценки состояния водно-солевого гомеостаза в автоматизированных системах массовых профосмотров // Роль организационных и медицинских АСУ в диспансеризации населения. - М., 1985. - С. 166 -170.

5. Осмометр как индикатор состояния водно-солевого равновесия в хирургической практике / В.Д.Слепушкин, Я.С.Пеккер, С.П.Парахин, О.С.Уманский // Применение медицинской техники в

хирургии: Тез. докл. Всесоюзн. науч. конф. - Иркутск, 1985. -С. 184.

6. A.c. 1192788 СССР, МКИ А 61 В 10/00; G 01 N 33/48, 29/02. Способ определения осмолярности биологических жидкостей и устройство для его осуществления / Л.М.Ананьев, В.Д.Слепушкин, Я.С.Пеккер, С.П.Парахин, О.С.Уманский (СССР). - 1985. - 4 с.

7. A.c. 1193527 СССР, МКИ G 01 N 13/04. Осмометр / Л.М.Ананьев, В.Д.Слепушкин, Я.С.Пеккер, С.П.Парахин, О.С.Уманский (СССР). - 1985. - 2 с.

8. Пеккер Я.С., Уманский О.С. Применение электрофизических методов для гематологических анализов в АСПОН // Автоматизированные электронные системы для массовых профилактических осмотров населения: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Л., 1985. - С. 17.

9. Ананьев Л.М., Пеккер Я.С., Уманский О.С. Автоматический экспресс-анализатор ультразвуковой резистентности эритроцитов // Проблемы техники в медицине: Тез. докл. IV Всесоюзн. конф. - Тбилиси, 1986. - С. 49 - 50.

10. Пеккер Я.С., Уманский О.С. Кондуктометрический способ регистрации гемолиза эритроцитов // Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение: Тез. докл. VIII Всесоюзн. конф. - М., 1986. - С. 206.

11. Жесткая регуляция - одно из важных свойств биологического гомеостата / В.Д.Слепушкин, Г.К.Золоев, Я.С.Пеккер, О.С.Уманский // Гомеостаты и гомеостатные сети управления, их приложения в биологических, природных и технических системах: -Иркутск, 1986. - С. 61.

12. Уманский О.С. Метрологические аспекты определения показателя гематокрита // Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение: Тез. докл. VIII Всесоюзн. конф. - М., 1986. -С. 213.

13. A.c. 1297799 СССР, МКИ А 61 В 5/05. Способ измерения электропроводности биологических жидкостей / Л.М.Ананьев, В.Д.Слепушкин, Я.С.Пеккер, О.С.Уманский, С.П.Парахин (СССР). -1986. - 4 с.

14. Вендров З.И., Пеккер Я.С., Уманский О.С. Применение автоматизированного экспресс-анализа некоторых гематологических параметров при профессионально-ориентированных медицинских осмотрах // Автоматизированные медико-технологические системы в лечебно-профилактических учреждениях здравоохранения. - М., 1986. - С. 99 - 107.

15. Уманский О.С., Соловьева Э.В. К вопросу определения показателя гематокрита // Молодые ученые и специалисты - ускорению НТП: Тез. докл. V Рег. науч.-практ. конф. - Томск, 1986. -С. 58.

16. А.с. 1347013 СССР, МКИ О 01 N 33/48. Способ определения ультразвуковой резистентности эритроцитов / Л.М.Ананьев, С.П.Парахин, Я.С.Пеккер, В.Д.Слепушкин, О.С.Уманский, (СССР). -1987. - 4 с.

17. Пеккер Я.С., Уманский О.С. Микропроцессорный комплекс для гематологии // Применение микропроцессоров и микроЭВМ в медицинском приборостроении. - М., 1987. - Вып. 8.

С. 27 - 28.

18. Уманский О.С., Фикс И.И. Синтез и анализ математической модели динамики электропроводности крови при гемолизе ультразвуком // Применение математических методов и ЭВМ в медико-биологических исследованиях. - Томск, 1988. С. 128 - 132.

19. Пеккер Я.С., Уманский О.С. Определение параметров крови на основе кондуктометрического способа регистрации гемолиза // Измерительная техника. - 1989. - № 1. - С. 65 - 66.

20. Идентификация параметров математической модели гемолиза ультразвуком / И.С.Голованова, Я.С.Пеккер, О.С.Уманский, И.И.Фикс // Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение: Тез. докл. IX Всесоюзн. конф. - М., 1989. - С. 83.

21. Фикс И.И., Уманский О.С., Пеккер Я.С. Идентификация параметров математической модели гемолиза ультразвуком // Медико-биологические аспекты нейро-гуморальной регуляции. - Томск, 1994. - С. 89 - 90.

22. Камашев И.Ю., Уманский О.С., Козлов Ю.А. Исследование ультразвуковой резистентности эритроцитов при гипотиреозе // Медико-биологические аспекты нейро-гуморальной регуляции. - Томск, 1994. - Вып. 3. - С. 77 - 78.