автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Джоульметрические системы экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов

На правах рукописи

ГЕРАЩЕНКО Сергей Михайлович

ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Автореферат диссертации на соисканне ученой степени доктора технических наук

1 7 МАЙ 2012

ПЕНЗА-2012

005043997

005043997

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

ВОЛЧИХИН Владимир Иванович

Официальные оппоненты: ВИХРОВ Сергей Павлович

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет», заведующий кафедрой биомедицинской и полупроводниковой электроники;

СУШКОВА Людмила Тихоновна

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», заведующий кафедрой биомедицинской инженерии;

ЧУВЫКИН Борис Викторович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры информационно-вычислительных систем

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится » мая 2012 г. в

й-

часов на

заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан « ¿¡^ » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проведении медицинских исследований и диагностике различных заболеваний в последние годы стали применяться методы, основанные на оценке электрохимических свойств тканей органов И жидкостей человека, Электрохимические характеристики тканей отражают нарушение структуры органов и выполняемых ими функций в процессе формирования патологии я организме- Жидкости, выделяемые организмом, рри формировании воспалительных процессов способны характеризовать его активность. Экссудаты и гнойные экссудаты являются типичными электролитами с различными электрохимическими свойствами. В хирургии для удаления гнойного экссудата производится установка дренажа, по которому образующаяся жидкость откачивается из очага воспаления. Исследуя электрохимические свойства жидкости, можно определять активность воспалительного процесса. Перспективность этих методов заключается в простоте их реализации и высокой эффективности по сравнению с известными методами.

Конкретные результаты, полученные в работах А. Ф. Калашника, Н. Н. Каншина, А. П. Хачатряна, С. И. Щукина, А. И. Мартяшина, А. Ю. Демина, И. Р. Добровинского, придают этим исследованиям теоретическую направленность и практическую значимость.

На основе признаков, характеризующих электрохимические параметры тканей и жидкостей, реализуются экспертные системы, решающие задачи получения информации для диагностики заболевания и распознавания образа исследуемого участка органа. Эти системы используют достаточно простой и эффективный математический аппарат искусственных нейронных сетей, описанный в работах Н. П. Абовского, А. И. Галушкина, А. Н. Горбаня, Т. Кохонена, А. И. Иванова и других и способный решать различные задачи обработки данных, в том числе и задачи классификации биомедицинских объектов.

С середины 1990-х гг. стало развиваться новое направление в диагностике биомедицинских объектов — джоульметрия. Джоульметрические исследования нашли отражение в работах В. И. Волчихина, С. И. Геращенко, В. И. Никольского, С. В. Сергеева, Е. Г. Юткиной, Д. Н. Хотько. Наряду с интегральной оценкой электрохимических свойств биомедицинских объектов, этот метод позволяет формировать многопараметрическое при-

знаковое пространство, которое можно использовать при решении задач классификации различных форм патологий биомедицинских объектов.

В джоульметрических системах распознавания образа возникает проблема выбора структуры нейросетевого классификатора, поскольку он применяется для распознавания биомедицинских объектов с существенно отличающимися свойствами и характеристиками. Значения параметров различных классов могут отличаться на порядки, значительно меняется число наиболее информативных параметров (от 4 до 64 и выше). С учетом временных ограничений требуется разработка методов автоматического программирования нейросетевых экспертных систем. В настоящее время не разработаны четкие рекомендации по выбору конкретных архитектур и методов обучения нейросетей для всех классов встречающихся задач. На практике используются метод многократных испытаний возможных вариантов архитектур и оценки результата методами статистики.

Для отслеживания момента наступления критических состояний и заблаговременного принятия соответствующих мер необходимо решать задачи распознавания образов и прогнозирования состояния биомедицинских объектов, которые основываются на точной оценке состояния организма.

Поскольку время на принятие решения при определении границ резекции в хирургии при удалении новообразований, гангрен, ишемических участков кишечника и т.д. ограничено, существует проблема продолжительности осуществления процедур оценки параметров при реализации методов сканирования поверхности органов.

Ключевым вопросом при создании диагностических устройств экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов является разработка информационно-измерительной системы, отличающейся способностью в рамках коротких промежутков времени, отводимого на исследования, формировать необходимое количество значимых параметров, и реализацией вычислительных процедур.

Для решения задачи разработки приборов и систем экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов, основанных на использовании декомпозиционного джоульметрического метода, необходима разработка теоретических основ и инженерной методики проектирования, поскольку прямых аналогов подобных систем не существует.

Это делает проблему создания джоульметрических систем экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов актуальной. Ее решение представляет важную народно-хозяйственную задачу.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и практическая реализация декомпозиционного джоульметри-ческого метода для экспресс-оценки состояния тканей и жидкостей в хирургии, оториноларингологии, онкологии, урологии, ортопедии.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Исследование потенциальных возможностей реализации экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов с ионным типом проводимости, представляющих диагностическую информацию для измерительных систем в реальном масштабе времени, основанных на использовании декомпозиционного джоульметрического метода.

2. Разработка и исследование математической модели процессов взаимодействия приборов с биомедицинскими объектами для сокращения времени оценки и оптимизации измерительных процедур.

3. Разработка и исследование вариантов многоэлектродных систем, реализующих джоульметрический декомпозиционный метод для точечных оценок состояния в процессе сканирования поверхностей органов, тканей и биомедицинских жидкостей.

4. Разработка принципов построения и математических моделей декомпозиционных джоульметрических систем, реализующих оперативное получение и обработку данных о состоянии биомедицинских объектов.

5. Разработка и исследование нейросетевых систем распознавания, основанных на джоульметрическом декомпозиционном методе и позволяющих повысить достоверность получаемых результатов классификации за счет использования дополнительных информативных признаков.

6. Разработка теоретических основ и инженерной методики проектирования приборов, основанных на джоульметрическом декомпозиционном методе, решающих проблемы экспресс-оценки динамики воспалительных процессов при гайморитах, абсцессах живота, панкреанекрозе, эмпиеме плевры, определения степени созревания косного регенерата, определения границ резекции патологических участков органов и тканей при проведении хирургических операций, солевого состава конкрементов при мочекаменной болезни.

7. Выполнение комплекса экспериментальных исследований созданных приборов, основанных на использовании декомпозиционного джоуль-метрического метода, для проверки основных теоретических положений.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, статистической обработки данных, нелинейной цифровой фильтрации и обработки сигналов, теории ро-бастных систем регулирования, теория автоматического управления, теории распознавания образов.

Научная новизна:

1. Впервые разработана математическая модель с замкнутой структурой, описывающая физико-химические процессы в межэлектродном пространстве, учитывающая специфику биомедицинских объектов и позволяющая осуществлять выбор рациональных вариантов конструкции, режимов работы и схемных решений при разработке средств контроля, осно-' ванных на оценке в динамике значений межэлектродных потенциалов и токов.

2. Разработаны теоретические основы и методики проектирования приборов, позволяющих производить экспресс-оценку состояния биомедицинских объектов на базе нового декомпозиционного джоульметриче-ского метода.

3. Предложены декомпозиционный джоульметрическйй метод, реализуемый в гальваническом и потенциостатическом режимах работы, и методика идентификации и формирования дополнительных признаков на основе полиномиальных коэффициентов линейных авторегрессионных моделей и модели пространства состояний, позволяющие формировать двухмерное признаковое пространство и предоставляющие возможность выбора наиболее информативных признаков с целью увеличения эффективности алгоритмов нейросетевой классификации состояния биомедицинских объектов.

4. Предложены алгоритмы формирования измерительных токо-потенциальных воздействий на биомедицинские объекты для джоульмет-рического декомпозиционного метода, позволяющие повысить достоверность оценки состояния биологических жидкостей непосредственно в очаге воспаления и по отделяемому экссудату из дренажа и биологических тканей путем сканирования их поверхности.

5. Для сокращения времени проведения исследований предложены новые варианты конструкций систем электродов для декомпозиционных

джоульметрических систем, обеспечивающих оперативную оценку состояния биомедицинских объектов и сканирования поверхности органов с варьируемой глубиной исследования да счет изменения площади поверхности активного элеетредз:

6. Дм снижения процента ошибок распознавания и расширения области применения дзадулшетрических систем разработан алгоритм обучения и оптимизации структуры нейреестевоге классификатора на основе минимизации процента ошибок раепвЗНввания ДЛЯ признакового пространства, описывающего состояние биомедицинских объектов.

7. Впервые предложены приборы и методики их применения, позволяющие осуществлять оценку в реальном масштабе времени с требуемой точностью представления результатов для решения проблем оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреанекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах для решения задач определения границ резекции в хирургии с целью реализации тканесохраняю-щих методик.

Практическая значимость. Полученные в диссертационной работе результаты заключаются в выработке системных знаний, позволяющих развивать данное научное направление в практическом плане. Основные научные положения реализованы в джоульметрических приборах и комплексах на базе персональных ЭВМ. Джоульметрические диагностические приборы и методики их применения позволяют решать задачи оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреанекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах для решения задач определения границ резекции в хирургии с целью реализации тканесохраняю-щих методик проведения операций. В целом результаты проведенных исследований обеспечивают создание нового класса приборов медицинского назначения для экспресс-оценки состояния биологических объектов. Их использование позволяет внедрять в медицинскую практику методики прогнозирования состояния пациентов при острых формах воспалительных процессов и осуществлять тканесохраняющие методики проведения хирургических операций.

Реализация и внедрение результатов:

1. Приборы и методики определения динамики воспалительных процессов при гнойном гайморите и эмпиеме плевры, оценки джоульметриче-

ских свойств полипозных тканей и тканей поджелудочной железы в состоянии «нормы» и «патологии», реализованы в ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко».

2. Прибор и методика определения границ резекции и джоульметри-ческий комплекс для определения границ резекции новообразований внутренних органов реализованы в ГБУЗ «Областной онкологический диспансер» (г. Пенза).

3. Прибор и методика оценки состояния биологических жидкостей и костного регенерата реализованы в ГБОУ ДПО «Пензенский институт усовершенствования врачей» Минздравсоцразвития России.

4. Выпущена промышленная серия приборов «ДИВО» для оценки динамики воспалительных процессов - ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» имени М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской области).

5. Прибор и методика исследования мочекаменных конкрементов реализованы в НИИ фундаментальной и клинической уронефрологии ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского» Минздравсоцразвития России.

6. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре «Медицинские информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

7. Работа выполнялась в соответствии с грантами:

- «Разработка приборов для определения динамики воспалительных процессов в лобных пазухах и абсцессов живота» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г/к № 4250р/6689 от 26 июня 2006 г.);

- «Разработка и исследование джоульметрических методов и систем для оперативного контроля динамики воспалительных процессов» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (г/к № 02.740.11.0843 от 11 июня 2010 г.);

- «Развитие теории нелинейных динамических систем и нечетких регуляторов на основе экспертных оценок для джоульметрических информационных систем» по тематическому плану научно-исследовательских работ Пензенского государственного университета, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ в 2009-2011 гг.;

- «Исследование закономерностей протекания воспалительного процесса при панкреонекрозе джоульметрическим методом», научно-исследовательская работа ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», проводимая в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ в 2012-2014 гг.

На защиту выносятся:

1. Комбинированный способ формирования измерительных токов и выявленные особенности и рекомендации его применения для разработки измерительных приборов медицинского назначения, предназначенных для оценки состояния биомедицинских объектов.

2. Нейросетевой классификатор, основанный на математической модели взаимодействия биологических объектов и измерительного прибора на основе декомпозиционного джоульметрического метода, отличающийся применением расширенного информационного пространства за счет использования увеличенного диапазона измерительных токов.

3. Структурно-алгоритмические и технические решения реализаций джоульметрических систем с комбинированным заданием измерительных токо-потенциальных воздействий на биомедицинские объекты в реальном масштабе времени для оперативной оценки их состояния.

4. Конструктивные решения и результаты экспериментальных исследований многоэлектродных систем для зондирования биомедицинских жидкостей и сканирования поверхности тканей и органов с варьируемой глубиной области зондирования.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приборов, реализующих джоульметрический декомпозиционный метод, для прогнозирования динамики протекания воспалительных процессов при абсцессах живота, гайморитах, панкреанекрозе, эмпиеме плевры и оценки состояния тканей полипов и поджелудочной железы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международном форуме «Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины - 98» (Турция - Кем ер, 1998); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 1998-2010); II Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в медицине» (Пенза, 1999); III Международной конференции «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» (Москва, 1999); Российской научно-технической конференции «Медико-технические технологии на страже здоровья» (Москва, 1999); Междисциплинарной конференции с международным участием «Новые биокибер-

нетические и телемедицинские технологии XXI века для диагностики и лечения заболеваний человека» (Петрозаводск, 2002); XI Международном симпозиуме «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системе медико-экологической безопасности» (Испания - Коста Дуарда, 2002); XV научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2003» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы» (Самара, 2005); II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика — 2005» (Москва, 2005); VIII съезде травматологов-ортопедов России (Самара, 2006); Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2006); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006, 2007); Межрегиональной научной конференции «Актуальные проблемы медицинской науки и образования» (Пенза, 2007); XXVIII Российской школе «Наука и технологии» (Миасс, 2008); V съезде Общества биотехнологов России им. Ю. А. Овчинникова (Москва, 2008); Международной конференции «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 2009, 2010), I Международной научно-практической конференции «Современные проблемы отечественной медико-биологической и фармацевтической промышленности. Развитие инновационного и кадрового потенциала Пензенской области» (Пенза, 2011).

Достоверность научных положений и выводов подтверждается тем, что в теоретических построениях использовались законы и положения электрохимии, справедливость которых общепризнана, а также известный и хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат, вводимые допущения и ограничения мотивировались известными из практики фактами. Обоснованность рекомендаций по инженерному проектированию джоуль-метрических приборов и систем, выбору их параметров и организации алгоритмов работы подтверждается полученными положительными результатами экспериментальных исследований в реальных условиях лечебно-профилактических учреждений.

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 94 печатные работы, в том числе 2 монографии, 5 патентов РФ, 2 свидетельства на полезную модель РФ, 14 статей в изданиях из списка ВАК, 50 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 282 страницах машинописного текста, включая 80 рисунков, 9 таблиц. Библиографический список содержит 192 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы, перечислены методы исследования, приведены сведения об апробации работы и публикациях, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе осуществлен анализ особенностей оценки состояния биомедицинских объектов и методов, применяемых на практике в настоящее время.

На основе анализа существующих электрохимических методов исследования биомедицинских объектов делается вывод о том, что наиболее близкими для решения поставленной задачи являются импедансные методы. В сравнении с другими электрохимическими методами они обеспечивают высокую точность оценки и дают обширную информацию о процессах электрохимической кинетики и свойствах объема исследуемого объекта.

Основные недостатки импедансного метода заключаются в том, что отличительные свойства тканей часто проявляются в области низких частот, где начинают сказываться фарадеевские составляющие, меняющие проводимость объекта, и, как следствие, вносятся изменения в измеряемый импеданс.

С целью обоснования целесообразности разработки проведено теоретическое описание электрохимических процессов применительно к джо-ульметрическим системам. Получена система уравнений кинематики концентрации вещества с учетом потенциала поля носителей заряда, которая подробно описывает процессы, происходящие в электрохимической ячейке при протекании через нее электрического тока. Структура электрохимической ячейки в дальнейшем разбита на три подобласти, каждая из которых описывается с позиции движения в поле заряженных частиц. Связь концентрации носителей заряда с потенциалом поля носителей раскрыта при помощи уравнения Пуассона.

Установлена связь скорости протекающей реакции в электрохимической ячейке с плотностью тока для объектов с ионным типом проводимости. В результате исследования установлено, что, зная свойства реакции в ячейке, можно судить о том, какой вклад вносит каждая из составляющих /-го вещества в значение межэлектродного напряжения и, как следствие, в интегральное значение работы, совершаемой током в ячейке. Проанализирована математическая модель физико-химических процессов внутри электрохимической ячейки применительно к джоульметрическому методу исследования.

На основе проведенных исследований определены основные проблемы, возникающие в процессе оценки состояния биомедицинских объектов. Поставлена цель исследований, связанная с реализацией метода, основанного на разбиении общего значения работы на отдельные составляющие, характеризующие различные по природе процессы, протекающие в электрохимической ячейке.

Во второй главе проведены исследования с использованием замкнутой математической модели электрохимических процессов и средств контроля объектов с ионным типом проводимости и разработка теоретических основ декомпозиционного джоульметрического метода для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов и вариантов его реализации.

На основе результатов моделирования и анализа значения энтропии электрохимических систем сделано заключение о возможности использования в качестве обобщенного интегрального показателя, характеризующего изменение электрохимических свойств биологических объектов, значения работы, затраченной на перевод их из одного состояния в другое. В основу джоульметрического метода положено соответствие между работой, совершаемой внешним источником электрической энергии, и изменением состояния исследуемого объекта.

На основе рассмотрения динамических процессов преобразования разных видов энергии в электрохимической ячейке осуществлена разработка теоретических основ декомпозиционного джоульметрического метода для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов и вариантов его реализации в гальваническом и комбинированном режимах.

В гальваническом режиме на электроды подается стабилизированный ток J(t) = const и регистрируется зависимость падения напряжения на них от времени £/мэ(/). Работа, совершаемая в объекте, в соответствии

с рисунком 1, на временном интервале от toi До hu раскладывается на следующие четыре составляющие:

- первая характеризует активность электрохимических реакций:

А=А

[>2,

JÏW'M-M^i-'U)

Vu

где {У„1 — падение напряжения в момент окончания заряда двойного электрического слоя;

— вторая характеризует сопротивление электрохимической реакции:

где и0] - падение напряжения на электрохимической ячейке в момент коммутации тока;

- третья характеризует емкость двойного электрического слоя:

л

'il

JÎW'M-^oiOH-'OI)

,'01

- четвертая характеризует межэлектродное сопротивление:

two

Рисунок 1 - Графики, поясняющие джоульметрический декомпозиционный метод с воздействием разнополярными импульсами тока различной амплитуды на объект исследования

В комбинированном режиме регулированием амплитуды измерительного тока достигается стабилизация временного интервала заряда двойного электрического слоя и последующее поддержание межэлектродного напряжения на заданном уровне. Значение напряжения иР и момент времени Гц задаются регулятором согласно рисунку 2 и для исследуемых объектов остаются неизменными. Свойства объекта проявляются в изменении значений тока ДО, обеспечивающего требуемую зависимость изменения напряжения £/мэ(0- В комбинированном режиме принцип декомпозиции проще пояснить на совмещенном графике, характеризующем изменение {/(О, ДО и мощности Общая работа, совершенная током ДО на временном интервале от /01 до /21 (рисунок 2), раскладывается на следующие составляющие:

Декомпозиция позволяет повысить чувствительность джоульмет-рического метода и увеличить число формируемых информативных признаков.

Разработан также многоуровневый джоульметрический метод для гальванического (рисунок 1) и комбинированного (рисунок 2) режимов работы. В нем осуществляется ступенчатое изменение значения рабочего тока. Этот метод предназначен для исследования нелинейных свойств объектов.

Совместное использование ступенчатой формы тока и декомпозиции отклика позволяет формировать двухмерное признаковое пространство. Отдельные составляющие признакового пространства в виде п векторов, состоящих из четырех значений работ (к = 4) на каждом из и уровней, задаваемых рабочими токами /„ для комбинированного режима, приведены на рисунке 2.

/

\

А' 3,=

£/мэ(/>

иРя

101 'н '21 (]

кп Ь п

Рисунок 2 - Составляющие многоуровневого признакового пространства, представленные в виде п векторов для комбинированного режима

Применяя декомпозицию сигнала на различных энергетических уровнях, в джоульметрии можно формировать признаковое пространство в виде матрицы

А{4,п} =

А\ А\2 ... А\п А2у А22 ... А2п А 3[ А 32 ■•• А 3„ А42 ... А4„_

С помощью джоульметрического декомпозиционного метода со ступенчатой формой задания тока получено расширенное признаковое пространство для описания состояния биологических объектов.

Достоверность результатов измерений связана с их воспроизводимостью от опыта к опыту. Установлено, что основными причинами ее снижения являются заряд двойных электрических слоев и изменение состояния поверхности электродов.

В этой связи разработан джоульметрический декомпозиционный метод с воздействием разнополярным током различной амплитуды (рисунок 1). При этом изменения, происходящие на поверхности электродов и в при-электродном пространстве при пропускании через исследуемый объект импульса тока в обратном направлении, частично компенсируются за счет разряда электрохимической ячейки.

В третьей главе разработаны и исследованы системы электродов для оценки состояния биомедицинских объектов, позволяющие осуществлять точечные оценки и сканирование поверхности органов, и принципы построения виртуальных моделей декомпозиционных джоульметрических систем, реализующих оперативное получение и обработку данных о состоянии биомедицинских объектов.

Для исследования биомедицинских объектов предложены различные варианты систем электродов (СЭ), приведенных на рисунке 3.

Для определения границ резекции новообразований предложена конструкция матричной системы электродов, использование которой позволяет проводить несколько измерений при одной установке матрицы с электродами на поверхности сканируемого биомедицинского объекта (рисунок 3,а). При этом выполнение электродов с округлой рабочей поверхностью, контактирующих с исследуемой тканью, по сравнению с игольчатыми датчиками снижает травматичность при осуществлении измерений.

Использование двухэлектродных систем на основе активного электрода обусловлено тем, что с уменьшением площади одного электрода (активного) по сравнению с другим (пассивным) плотность тока вблизи активного электрода увеличивается пропорционально соотношению площадей. В результате плотность тока имеет наибольшее значение вблизи активного электрода, поэтому межэлектродное напряжение в наибольшей степени отражает свойства биологического объекта, расположенного вблизи точки контакта. Это позволяет получить высокую разрешающую способность и воспроизводимость результатов при сканировании поверхности биологических объектов, а за счет изменения площади поверхности активного электрода возможно варьирование глубиной исследования.

Рисунок 3 - Конструктивные решения систем электродов: 1 - коммутатор;

2 — тоководы; 3 - диэлектрическая основа; 4 - электроды; 5 - пассивный электрод; 6 - изолирующие прокладки; 7 - проводящие сегменты активного электрода; 8 - диэлектрический цилиндр; 9 - активные электроды;

10-диэлектрический слой; 11 - диэлектрическая трубка;

12 - токовые электроды; 13 - индикаторные электроды

На рисунке 3,6 приведена конструкция СЭ для контроля состояния биологических тканей с коммутацией активных электродов различной площади, что позволяет получать несколько измерений при одной установке активных электродов на поверхности биомедицинского объекта и оптимизировать процесс исследований за счет достижения необходимой плотности тока в точках контакта СЭ с исследуемым объектом.

На рисунке 3,в приведена конструкция СЭ, сочетающая в себе преимущества конструкций матричной СЭ (рисунок 3,а) и двухэлектродной системы на основе активного электрода (рисунок 3,6).

Для оценки состояния костного регенерата непосредственно на участке сочленения предложена конструкция двухэлектродной системы (рисунок 3,г).

Для оценки динамики гнойно-воспалительных процессов разработаны следующие конструкции СЭ: двухэлектродная (рисунок 3,д), предназначенная для изучения биологических и электрохимических процессов, протекающих непосредственно в очаге воспаления, и четырехэлектродная система проточного типа (рисунок 3,е), предназначенная для исследования отделяемого экссудата.

Принцип работы декомпозиционных джоульметрических систем поясняется обобщенной структурной схемой, приведенной на рисунке 4. Она содержит формирователь измерительных токо-потенциальных воздействий (ФИВ), систему электродов (СЭ), объект измерения (ОИ), коммутатор (К), формирователь признаков (ФП), устройство обработки данных (УОД) и устройство управления (УУ).

Рисунок 4 - Обобщенная структурная схема джоульметрических систем

Схема работает следующим образом. Ток с ФИВ, пройдя через ФП, коммутируется на СЭ. Формируемое на ОИ напряжение поступает через ФП и далее на УУ и УОД. В ФП производится оценка значений тока, поступающего на объект и формируемого на электродах напряжения. Их значения в зависимости от алгоритма обработки и метода формирования информативных признаков преобразуются в соответствующие значения

параметров. УОД формирует обобщенное значение информативных параметров, характеризующих состояния исследуемого биомедицинского объекта.

Предложена обобщенная схема ФИВ, представленная на рисунке 5, состоящая из формирователя уровней воздействия (ФУВ), регулятора (Р), сумматора (С) и источника стабилизированного тока управляемого напряжением (ИТУН). Блоки ФУВ и ИТУН используются для формирования измерительных воздействий на биомедицинские объекты в гальваническом режиме (связь обозначена пунктирной линией на рисунке 5), в комбинированном режиме - дополнительно задействуется регулятор с петлей обратной связи и сумматором.

Рисунок 5 - Обобщенная структурная схема формирователя измерительных токо-потенциальных воздействий

На выходе ФУВ в зависимости от сигнала управления ЛЕ и времени формируются значения иР„. В гальваническом режиме они поступают на ИТУН, в нем генерируется соответствующий стабилизированный ток, поступающий далее через коммутатор на систему электродов.

В комбинированном режиме значения С/Р„ поступают на ИТУН через С и Р. В зависимости от разности напряжения и?п и напряжения на электродах исследуемого объекта ииэ = /;К/р„(/)1 регулятор, в соответствии с законом регулировки, формирует управляющее воздействие С1Р„ (/), которым корректируется значение тока /„(?) ИТУН.

При разработке регулятора учитывались особенности электрохимических объектов, связанные с их нестационарностью, высоким уровнем шумов в обрабатываемых сигналах и нелинейными свойствами. Сказанное существенным образом отражается на степени неопределенности исследуемой системы, выступающей в роли регулируемого объекта. В этих ус-

ловиях задача проектирования регулятора заключается в синтезе закона регулировки, который сохраняет отклик системы и сигналы рассогласования в пределах заданного допуска, несмотря на неопределенности исследуемой системы.

Предложенный вариант реализации формирователя измерительных токо-потенциальных воздействий позволяет проводить исследования в реальном масштабе времени с исключением процедур предварительной настройки режимов работы джоульметрических систем.

В четвертой главе осуществлена реализация декомпозиционных джоульметрических методов экспресс-оценки состояния биологических объектов на основе робастных регуляторов и нейросетевой системы распознавания образов биомедицинских объектов.

Процесс получения признаков разделен на два вида.

Для первого формируются джоульметрические признаки, характеризующие значения отдельных компонент значений работ на различных энергетических уровнях. Представленные в работе алгоритмы обработки вольт-амперных кривых основаны на градиентных методах выявления характерных точек на каждом из уровней. Для реализации алгоритмов разработан пользовательский интерфейс в среде графического программирования ЬаЬУ1е\¥. В результате исследований разработана программа, позволяющая получать до 32 хорошо воспроизводимых параметров для биомедицинских объектов с различными свойствами с учетом присутствия шумов в обрабатываемых сигналах.

Для второго параллельно с оценкой джоульметрических характеристик реализуются процедуры идентификации. В качестве исходных применялись линейные динамические модели. Исследование процедур идентификации заключалось в нахождении типа модели, выборе ее порядка, определении значений коэффициентов полиномов, при которых представленная модель наилучшим образом описывает наборы наблюдаемых данных. Использование значений коэффициентов полиномов в качестве информативных признаков позволило расширить признаковое пространство на 32 параметра. С учетом присутствия шумов во входном и выходном сигналах наиболее приемлемой оказалась модель выходной ошибки второго порядка.

Нейросетевой классификатор реализован в виде специального программного обеспечения, состоящего из модуля формирования признаково-

го

го пространства, модуля нейросетевой классификации и модуля формирования результата (рисунок 6).

Модуль формирования признакового пространства

Блок I Джоульметрический декомпозиционный метод Блок II Метод авторегрессионных параметрических моделей

1'

Наборы параметров, описывающих серию кривых

Набор параметров I Набор параметров II

Модуль нейросетевой классификации

Модуль Модуль Модуль Модуль

нейросетевой нейросетевой нейросетевой пейросетевой

классифика- классифика- классифика- классифика-

ции I ции II ции III ции IV

1 + 1 1

Результат работы модулей нейросетевой классификация Для модели: значение «норма» - «патология» и средний процент ошибки распознавания

Для реальных данных: значение «норма» - «патология»

Модуль формирования результата

Рисунок 6 - Обобщенная блок-схема нейросетевого классификатора

Отличительная особенность разработанного нейросетевого классификатора заключается в использовании четырех независимых нейросете-вых структур, каждая из которых обучается на основе определенного набора параметров и имеет в качестве цели обучения значение «норма» — «патология».

Каждый нейросетевой классификатор представляет собой совокупность архитектуры, функций и параметров обучения. Выбор структуры и оптимизация производятся на основе минимальной средней ошибки обучения на существенно уменьшенном контрольном множестве значений «норма» - «патология» методом взвешенной суммы с учетом влияния на конечный результат каждого оптимизированного классификатора на осно-

вании среднего процента ошибки распознавания. Использование предварительно настроенных четырех нейросетевых структур с последующим выбором наиболее эффективной позволяет существенно сократить время, связанное с подготовкой данных для ее обучения и осуществления процедур настройки сети.

В пятой главе рассмотрены основные принципы создания джоуль-метрических систем для экспресс-оценки состояния биологических тканей и жидкостей и их внедрение в медицинскую практику хирургических, ото-риноларингологических, онкологических, урологических и ортопедических отделений и разработка полиномиальных математических моделей для прогнозирования динамики воспалительных процессов на основе джо-ульметрических параметров.

Приведены общие методы построения джоульметрических приборов и систем для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов. Они основаны на концепции практического использования рассмотренных в работе джоульметрических методов и электродных систем в реальном масштабе времени. Техническая реализация связана с созданием дополнительных систем, обеспечивающих сопровождение джоульметрических измерений и представление результатов в наиболее простой и удобной для врачей форме.

На рисунке 7 приведена обобщенная структурная схема джоульмет-рического измерительного комплекса. Она содержит систему электродов (СЭ), джоульметрический прибор (ДП), состоящий из измерительного тракта (ИТ) и процессора цифровой обработки сигналов (ПЦОС), и персональную ЭВМ (ПЭВМ).

дп

СЭ «— —р- ИТ о ПЦОС о ПЭВМ

Рисунок 7 - Обобщенная структурная схема джоульметрического измерительного комплекса

Для реализации отработанных методик исследования биомедицинских объектов при известных режимах работы предложены конструктивные варианты портативных автономных микропроцессорных приборов. В них режимы работы устанавливаются на заранее заданные уровни для

определенной конструкции электродной системы. Обеспечение режимов работы, получение, преобразование и представление информации осуществляет ДГГ. Отличительной особенностью этих приборов является простота конструкции и использования. В основном они предназначены для оценки динамики воспалительных процессов.

Для исследовательских целей и оценки состояния биологических тканей разработаны джоульметрические измерительные комплексы на базе ПЭВМ. Управление работой данной системы осуществляется с помощью специального программного обеспечения, состоящего из следующих функциональных модулей:

— модуля взаимодействия с ДП, который предназначен для обмена информацией между ДП и специализированным программным обеспечением по шине USB;

- модуля конфигурирования, предназначенного для выбора режима измерений, типа используемых датчиков, передачи управляющей информации на ДП, запуска и остановки процесса измерений;

- модуля отображения информации, осуществляющего функции визуализации результатов измерений в виде гистограмм значений работ и графиков измерений;

— модуля анализа информации и принятия решений, осуществляющего обработку при помощи специализированных алгоритмов поступающей от измерительного комплекса информации и принятие решения о состоянии исследуемого объекта;

— модуля управления базой данных, осуществляющего функции работы с базой данных: чтение, запись в базу данных, поиск по базе и т.д.;

- базы данных, содержащей информацию о пациентах и результатах измерений.

Применение данной архитектуры позволило решить задачу обработки, анализа информации и принятия решений с использованием специализированного программного обеспечения, работающего на ПЭВМ. ДП выполняет функции проведения измерений, хранения результатов последнего измерения и передачи результатов измерений на ПЭВМ.

Отработка программного обеспечения джоульметрического комплекса осуществлена в системе визуального моделирования SIMULINK пакета MATLAB с применением технологий системного моделирования. Библиотечные функции MATLAB используются в качестве субблоков, на базе которых собраны отдельные функциональные блоки. Библиотечные

функции составлены из специальных подпрограмм, реализующих необходимые алгоритмы обработки данных и представления результатов. Блок распознавания реализован на базе нейросетевого классификатора. При его настройке учитывались: четыре типа архитектуры нейросети, функции обучения и параметры обучения. Для обучения сети использовались данные, характеризующие биологические объекты с ярко выраженными признаками «нормы» и «патологии».

Отработка программы для джоульметрического декомпозиционного метода производилась в среде графического программирования Lab View.

С использованием разработанных джоульметрических приборов и систем проведены экспериментальные исследования биомедицинских объектов.

Исследования тканей онкологически пораженных органов проводились в ГБУЗ «Областной онкологический диспансер» (г. Пенза). Исследовались ткани различных органов с ярко выраженными границами новообразования, удаленные в процессе проведения хирургических операций.

В результате проведенных исследований тканей удаленных органов у нескольких больных было установлено, что значения работы тока в пораженных участках существенно больше значений работ тока на здоровых участках и резко уменьшаются при движении датчика от здоровой ткани к пораженной. Так, при исследовании пораженных тканей на предмет обнаружения границ резекции применение разработанных алгоритмов робастного управления позволило получить до 16 уровней тока в диапазоне 5... 190 мкА. Экспериментально установлено, что при классификации тканей почки в состоянии «нормы» и «патологии», а также для определения границ поражения органа достаточно 8 уровней тока, а для тканей желудка — 10 уровней. Вероятность правильной классификации при этом составляет 95 %.

Исследования биологических жидкостей проводились в оторинола-рингологическом отделении ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко». Исследовались жидкости, взятые у больных гнойным гайморитом, на протяжении периода лечения. Для исследований использовался четырехэлектродный датчик проточного типа.

В результате исследований было установлено, что при прогрессиро-вании воспалительного процесса в околоносовых пазухах значения работы тока увеличиваются, а по мере снижения воспалительного процесса значения работы тока уменьшаются. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что с помощью комбинированного джоульметрического

метода можно осуществлять контроль за протеканием воспалительного процесса у больных гнойным гайморитом и по оценкам джоульметриче-ских параметров судить о его активности. Экспериментально установлено, что при классификации активности воспалительного процесса достаточно четырех уровней тока в диапазоне 5... 180 мкА. Вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса при этом составляет 95 %.

Исследования костной ткани проводились в ГБОУ ДПО «Пензенский институт усовершенствования врачей» Минздравсоцразвития России. Данные были получены в результате исследования пациентов с переломом нижних конечностей.

В результате исследований костной ткани у больных с переломами нижних конечностей и с необходимостью удлинения конечностей было установлено, что по мере преобразования костного регенерата в костную ткань значения работы тока уменьшаются и постепенно становятся постоянными, приближаются к значениям работы, измеренным в нормальной кости. Экспериментально установлено, что при классификации состояния костного регенерата достаточно четырех уровней тока в диапазоне 5... 150 мкА. Вероятность правильной классификации состояния костной ткани при этом составляет 97 %.

Исследования полипов проводились в оториноларингологическом отделении ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко». Цель исследований заключалась в возможности определения четырех основных гистологических вариантов типов полипов полости носа неинвазивным джоульметрическим методом. В результате исследований экспериментально установлено, что для их классификации достаточно восьми уровней тока в диапазоне 10-120 мкА. Вероятность правильной классификации типа полипа составляет 81 %.

На базе ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко» проведено обследование тканей поджелудочной железы при панкреанекрозе джоульметрическим методом. Цель исследований заключалась в создании системы распознавания трех стадий воспалительного процесса: малоизмененная поджелудочная железа, нечетко дифференцированные изменения в ткани поджелудочной железы и выраженные некротические изменения поджелудочной железы. Параллельно проводились морфологические исследования. Экспериментально установлено, что чем выраженнее некротические изменения в ткани поджелудоч-

ной железы, тем выше значения работы тока. В 32 случаях (46,4 %) джо-ульметрические параметры более чем на сутки опережают появление негативной динамики со стороны маркеров воспаления. Для определения выраженных некротических изменений с вероятностью 85 % необходимо восемь уровней тока в диапазоне 5.. .210 мкА.

На базе ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н, Н. Бурденко» проведены исследования стадий воспаления эмпиемы плевры. Цель исследований заключалась в создании джоульметрической системы распознавания фибринозной, фибринозно-гнойной и репаратив-ной стадий плеврита. Установлено, что для этого достаточно четырех уровней тока в диапазоне 10...80 мкА. Вероятность правильной классификации составляет 78 %.

Совместно с НИИ фундаментальной и клинической уронефрологии ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского» Минздравсоцразвития России проведены исследования мочекаменных конкрементов в растворе соляной кислоты с целью возможности применения джоульметрического метода для распознавания уратов, фосфатов и оксалатов. Установлено, что при классификации конкрементов достаточно четырех уровней тока в диапазоне 10...270 мкА. Вероятность правильной классификации составляет 97 %.

В приложениях приведены таблицы данных, фотоиллюстрации и документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Доказана принципиальная возможность, с позиции движения в поле заряженных частиц, джоульметрического принципа оценки состояния объектов, обладающих ионным типом проводимости. Обсуждены основные подходы к направленному изменению метрологических характеристик джоульметрического метода. Установлено, что работа тока, определяемая на основе оценки значений межэлектродных потенциалов и токов в динамике, является интегральным показателем, характеризующим состояние и активность электрохимических процессов объекта, заключенного в межэлектродном пространстве системы электродов.

2. Рассмотрены процессы, учитывающие потенциал поля носителей заряда, происходящие в электрохимической ячейке при протекании через нее электрического тока различной плотности. Моделирование показало

возможность применения ступенчатой формы задания внешних воздействий с целью расширения признакового пространства на основе рассмотрения процессов на различных энергетических уровнях.

3. Разработан, теоретически обоснован и применен на практике новый декомпозиционный джоульметрический метод, основанный на использовании оценки четырех составляющих значения работы, затрачиваемой на перевод объекта исследования из одного состояния в другое. Информативными составляющими метода являются: работа тока, затрачиваемая на омическую составляющую электрохимической ячейки; работа тока, затрачиваемая на заряд двойного электрического слоя электрохимической ячейки; работа тока, затрачиваемая на электрохимические реакции; работа тока, затрачиваемая на омическую составляющую межэлектродного сопротивления. Показано, что работа тока, затрачиваемая на электрохимические реакции, является наиболее информативным признаком. Это значение целесообразно применять в автономных джоульметрических приборах с целью снижения их сложности.

4. Представлены способы реализации декомпозиционного джоуль-метрического метода в гальваническом и комбинированном режимах работы, позволяющие формировать признаковое пространство до 32 параметров. Главная особенность декомпозиционного метода заключается в последовательном вовлечении в электрохимический процесс различных групп ионов на разных энергетических уровнях. Это позволяет осуществлять процедуры создания образа исследуемого объекта и на их основе производить детектирование отдельных комплексов ионов.

5. Рассмотрены новые подходы к использованию систем электродов. Предложены новые варианты алгоритмов формирования входных воздействий на биомедицинские объекты в гальваническом и потенциостатиче-ском режимах. Их отличительная особенность заключается в реализации исследований в реальном масштабе времени. При этом исключаются процедуры предварительной настройки режимов работы джоульметрических систем, что способствует существенному сокращению времени подготовки и проведения исследований.

6. Разработаны конструкции систем электродов для декомпозиционных джоульметрических систем. Показана принципиальная возможность использования активного электрода в качестве основного чувствительного элемента для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов. Это существенно упрощает процедуры практического использования джоуль-

метрических методов и расширяет функциональные возможности и область применения за счет реализации процедуры сканирования поверхности органов разноповерхностными электродами и возможности направленного изменения глубины исследования.

7. Представлена методика идентификации и формирования дополнительных признаков на основе полиномиальных коэффициентов линейных авторегрессионных моделей и модели пространства состояний, позволяющая увеличить количество информативных признаков от 8 до 32 при прогнозировании активности воспалительных процессов.

8. Разработаны алгоритм оптимизации структуры нейросетевого классификатора и алгоритм его обучения, на основе минимизации процента ошибок распознавания, для расширенного признакового пространства, описывающего состояние биомедицинских объектов, при оценке динамики воспалительных процессов, что позволяет достичь максимального качества обучения нейросетевого классификатора и снизить процент ошибок распознавания.

9. Впервые разработаны диагностические приборы и методики их применения в биомедицинской практике для решения задач оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреонекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах, для решения задач определения границ резекции в хирургии. Доказано, что джоульметрические приборы обеспечивают воспроизводимость результатов при экспресс-оценке стадии воспалительного процесса в тканях и жидкостях. Показано, что джоульметрические приборы, основанные на декомпозиционном методе, выгодно отличаются от предыдущих приборов и существенно упрощают процедуру оценки активности воспалительного процесса.

10. Представлены обобщенные результаты проведенных биомедицинских исследований, позволившие впервые установить полиномиальные зависимости, характеризующие динамику воспалительных процессов при абсцессах живота, риносинуите, панкреонекрозе, эмпиеме плевры. Установлена высокая корреляция результатов джоульметрических параметров с результатами морфологических исследований. Это позволяет осуществлять процедуры прогнозирования тяжести состояния пациентов, оперативно менять тактику терапии и принимать реабилитационные методы заблаговременно.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Геращенко, С. М. Джоульметричеекие медицинские приборы и системы / В. И. Волчихин, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко // Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. - М. : РАН, 2008.-131 с.

2. Геращенко, С. М. Методы обработки информации в джоульмет-рических системах экспресс-контроля состояния биологических объектов / С. М. Геращенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. - 130 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

3. Геращенко, С. М. Джоульметричеекие информационно-измерительные системы контроля биологических объектов / С. М. Геращенко // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки»,-2005.-№ 33.-С. 211-214.

4. Геращенко, С. М. Выбор оптимальной структуры нейросети для фильтрации сигнала в задаче джоульметрического метода оценки состояния биологических объектов / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, И. Ю. Мартынов // Известия Таганрогского государственного радиотехнического университета (ТРТУ). - 2006. - № 11(66). - С. 68-69.

5. Геращенко, С. М. Диагностика гайморитов прибором «ДИВО» / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, В. Т. Елистратов, JI. Г. Комарова,

B. Н. Мишин, Н. Н. Янкина, И. Ю. Мартынов // Новые промышленные технологии. - 2006. - № 3. - С. 54-56.

6. Геращенко, С. М. Оптимизация выбора структуры нейросетевого классификатора с помощью метода рейтинговых оценок в джоульметриче-ских системах распознавания состояния биологических объектов /

C. М. Геращенко, С. И. Геращенко, В. Т. Елистратов и др. // Новые промышленные технологии. — 2006. — № 4. - С. 57-61.

7. Геращенко, С. М. Разработка новых медицинских приборов и систем для экспресс-диагностики состояния биологических объектов и реализации тканесохраняющих методик проведения операций / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, В. Т. Елистратов и др. // Новые промышленные технологии.-2008,-№5.-С. 15-18.

8. Геращенко, С. М. Оценка параметров линейных динамических моделей биологических тканей / С. М. Геращенко // Известия высших

учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. -2008.-№3,-С. 63-70.

9. Геращенко, С. М» Оптимизация структур» нрйросстеврге классификатора, используемого при диагнчетике § оториноларингологии / С. М. Геращенко, С, И, Геращенко, Н, Н, Янкина, Ц. Ю. Мартынов,

B, С, Абубекиром // Нейрокомпьютеры; разработка применение, г- 2008. -№ 3-4. - С. 53-57.

10. Герашенко, С, М, Комбинированный джоудшетринеевий метод

на базе робастных регуляторов / Н. О. Голотенков, С. М. Геращенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.-2008,-№ 1.-С. 105-112.

11. Геращенко, С. М. Джоульметрический метод контроля объектов с ионной проводимостью // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - № 2. - С. 106-114.

12. Геращенко, С. М. Использование нейросетевого классификатора для идентификации новообразований / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, Н. Н. Янкина, Ф. Ш. Енгалычев // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. - 2008. - № 9. - С. 77-79.

13. Геращенко, С. М. Джоульметрический декомпозиционный метод контроля состояний биологических объектов и его реализация / С. М. Геращенко, А. А. Митин, С. И. Геращенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2009. — № 4. — С. 93-100.

14. Геращенко, С. М. Вопросы моделирования электрохимических методов и средств контроля динамики воспалительных процессов /

C. М. Геращенко, С. И. Геращенко, Е. В. Кучумов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 20Ю.-№3.-С. 165-172.

15. Геращенко, С. М. Построение замкнутой математической модели электрохимических методов и средств оценки состояния биологических объектов / С. М. Геращенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2011. - № 2. - С. 90-97.

16. Геращенко, С. М. Исследование взаимосвязи джоульметрических параметров с воспалительными изменениями тканей пародонта / С. М. Геращенко, П. В. Иванов, JI. А. Зюлысина и др. // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - № 6. - URL: www.science-education.ru/100-5086 (дата обращения: 24.12.2011).

Патенты РФ

17. Пат. 2217049 Российская Федерация. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство для его осуществления / Волчихин В. И., Енгалычев Ф. Ш., Геращенко С. М., Сергеев С. В., Янкина Н. Н., Голотенков Н. О. ; патентообладатель Пензенский государственный университет. - №2002102164/14 ; заявл. 23.01.2002 ; опубл.

27.11.2003, Бюл. №33.

18. Пат. 2218077 Российская Федерация. Устройство для прогнозирования динамики воспалительного процесса / Волчихин В. И., Геращенко С. И., Геращенко С. М., Енгалычев Ф. Ш., Чистова Ю. С., Иванов А. В. ; патентообладатель Пензенский государственный университет. — № 2002102163 ; заявл. 23.01.2002 ; опубл. 10.12.2003, Бюл. № 34.

19. Пат. 2224458 Российская Федерация. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство для его осуществления / Волчихин В. И., Енгалычев Ф. Ш., Геращенко С. И., Геращенко С. М., Ки-реев А. В., Голотенков Н. О. ; патентообладатель Пензенский государственный университет. - № 2002108201 ; заявл. 01.04.2002, опубл.

27.02.2004, Бюл. № 6.

20. Свидетельство на полезную модель РФ № 24088. Устройство для диагностики заболеваний и лечения слизистой оболочки придаточных пазух носа / Сергеев С. В., Геращенко С. М., Никольский В. И. ; патентообладатель Пензенский государственный университет. - № 2002104189/20 ; заявл. 18.02.2002 ; опубл. 27.07.2002, Бюл. № 21.

21. Пат. 2264796 Российская Федерация. Устройство для контроля состояния дистракционного костного регенерата / Геращенко С. И., Кислое А. И., Геращенко С. М., Янкина Н. Н., Кибиткин А. С., Спиридонов В. А.; патентообладатель Пензенский государственный университет. -№2003132627/14 ; заявл. 06.11.2003 ; опубл. 27.11.2005, Бюл. №33.

22. Пат. 2338461 Российская Федерация. Устройство для диагностики состояния биологических объектов / Геращенко С. И., Геращенко С. М., Капустин К. А., Мартынов И. Ю. ; патентообладатель Геращенко С. И. -№ 2006130943/14 ; заявл. 28.08.2006 ; опубл. 20.11.2008, Бюл. № 32.

23. Свидетельство на полезную модель РФ № 86431. Диагностический датчик/ Геращенко С. И., Геращенко С. М., Калашникова С. Ю., Логинов С. Н., Сергацкий К. И., Юткина Е. Г. ; патентообладатель Геращенко С. И. - № 2009113522/22 ; заявл. 10.04.2009 ; опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25.

Публикации в других изданиях

24. Калашникова, С. Ю. Использование метода джоульметрии в диагностике различных форм полипозного риносинуита / С. Ю. Калашникова, С. В. Сергеев, С. М. Геращенко // Российская оториноларингология. -2009.-№ 5 (42).-С. 63-66.

25. Геращенко, С. М. Цифровая фильтрация при джоульметриче-ском контроле в медицине / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, Н. Н. Янкина, И. Ю. Мартынов, А. И. Кислов, А. С. Кибиткин // Мир измерений. -2006. -№ 12. - С. 102-105.

26. Геращенко, С. М. Многопараметрические джоульметрические системы контроля / С. М. Геращенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Серия «Медицинские науки». - 2002. - № 2. -С. 98-103.

27. Геращенко, С. М. Оценка состояния костного регенерата джо-ульметрическим методом / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, А. И. Кислов, Н. Н. Янкина, А. С. Кибиткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2007. - № 1. - С. 12-22.

28. Геращенко, С. М. Обеспечение электробезопасности джоуль-метрического медицинского аппаратно-программного комплекса / С. М. Геращенко, Д. А. Толмачев, Ф. Ш. Енгалычев, Н. Н. Янкина, Н. О. Голотенков, А. В. Иванов // Надежность и качество : труды Международного симпозиума (Россия, Пенза, 21-31 мая 2001 г.). - Пенза : Инф.-изд. центр ПензГУ, 2001 - С. 411-413.

Научное издание

ГЕРАЩЕНКО Сергей Михайлович

ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.17- Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Редактор Ю. В. Коломиец Технический редактор А. Г. Темникова Компьютерная верстка А. Г. Темниковой

Распоряжение № 12/2012 от 27.02.2012. Подписано в печать 28.02.2012. Формат 60х8471б. Усл. печ. л. 1,86. Заказ № 34. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

1 АНАЛИЗ БИОМЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ СОСТОЯНИЯ.

1.1. Особенности оценки состояния биомедицинских объектов.

1.2. Основные закономерности функционирования электрохимических ячеек.

1.3. Методы, применяемые для оценки состояния электрохимических ячеек.

Выводы.

2 ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ В ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

2.1 Разработка меатематической модели, описывающей физикохимические процессы в межэлектродном пространстве.

2.2 Описание джоульметрического метода и вариантов его реализации.

Выводы.

3 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДЕКОМПОЗИЦИОННЫХ ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1 Системы электродов для исследования биомедицинских объектов

3.1.1 Двухэлектродные системы.

3.1.2. Четырехэлектродные системы.

3.2. Обобщенная структурная схема джоульметрических систем

3.3 Регуляторы тока джоульметрических систем.

Выводы.

4 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ В ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

4.1 Основные методы обработки сигналов в джоульметрии.

4.1.1 Пороговый метод.

4.1.2 Графико-аналитический метод.

4.1.3 Градиентный метод.

4.1.4 Динамический метод.

4.2 Особенности описания моделями биомедицинских объектов.

4.3 Описание моделей биомедицинских объектов джоульметрическими параметрами.

4.4 Методы идентификации в классе линейных динамических и нелинейных статических моделей.

4.5 Параметризация моделей биомедицинских объектов.

4.6 Обобщенная модель информативных признаков для описания исследуемых объектов.

4.7 Нейросетевая система распознавания образов биомедицинских объектов.

4.8 Разработка виртуального прибора для реализации алгоритмов обработки вольт-амперных кривых.

4.9 Разработка нейросетевого классификатора.

Выводы.

5 ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ

ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ.

5.1 Джоульметрический измерительный комплекс.

5.2 Джоульметрический прибор для оценки динамики гнойно-некротических процессов при панкреонекрозе.

5.3 Джоульметрический прибор для оценки динамики гнойно-воспалительных процессов в околоносовых пазухах и исследования мочекаменных конкрементов.

5.3.1 Джоульметрический прибор для оценки динамики гнойно-воспалительных процессов в околоносовых пазухах.

5.3.2 Прибор для исследования джоульметрических свойств мочекаменных конкрементов.

5.4 Джоульметрический прибор для оценки состояния дистракционного костного регенерата при удлинении конечности.

5.5 Джоульметрический прибор для оценки состояния полипозной ткани при полипозном риносинуите.

5.6 Джоульметрический комплекс для оценки динамики гнойно-воспалительных процессов при эмпиеме плевры.

Выводы.

Актуальность темы. При проведении медицинских исследований и диагностике различных заболеваний в последние годы стали применяться методы, основанные на оценке электрохимических свойств тканей органов и жидкостей человека. Электрохимические характеристики тканей отражают нарушение структуры органов и выполняемых ими функций в процессе формирования патологии в организме. Жидкости, выделяемые организмом, при формировании воспалительных процессов способны характеризовать его активность. Экссудаты и гнойные экссудаты являются типичными электролитами с различными электрохимическими свойствами.

В хирургии для удаления гнойного экссудата производится установка дренажа, по которому образующаяся жидкость откачивается из очага воспаления. Исследуя электрохимические свойства жидкости, можно определять активность воспалительного процесса. Перспективность этих методов заключается в простоте их реализации и высокой эффективности по сравнению с известными методами.

Конкретные результаты, полученные в работах А. Ф. Калашника, Н. Н. Каншина, А. П. Хачатряна, С. И. Щукина, А. И. Мартяшина, А. Ю. Демина, И. Р. Добровинского, придают этим исследованиям теоретическую направленность и практическую значимость.

На основе признаков, характеризующих электрохимические параметры тканей и жидкостей, реализуются экспертные системы, решающие задачи получения информации для диагностики заболевания и распознавания образа исследуемого участка органа. Эти системы используют достаточно простой и эффективный математический аппарат искусственных нейронных сетей, описанный в работах Н. П. Абовского, А. И. Галушкина, А. Н. Горбаня, Т. Кохонена, А. И. Иванова и других и способный решать различные задачи обработки данных, в том числе и задачи классификации биомедицинских объектов.

С середины 1990-х гг. стало развиваться новое направление в диагностике биомедицинских объектов - джоульметрия. Джоульметрические исследования нашли отражение в работах В. И. Волчихина, С. И. Геращенко, В. И. Никольского, С. В. Сергеева, Е. Г. Юткиной, Д. Н. Хотько. Наряду с интегральной оценкой электрохимических свойств биомедицинских объектов, этот метод позволяет формировать многопараметрическое признаковое пространство, которое можно использовать при решении задач классификации различных форм патологий биомедицинских объектов.

В джоульметрических системах распознавания образа возникает проблема выбора структуры нейросетевого классификатора, поскольку он применяется для распознавания биомедицинских объектов с существенно отличающимися свойствами и характеристиками. Значения параметров различных классов могут отличаться на порядки, значительно меняется число наиболее информативных параметров (от 4 до 64 и выше). С учетом временных ограничений требуется разработка методов автоматического программирования нейросетевых экспертных систем. В настоящее время не разработаны четкие рекомендации по выбору конкретных архитектур и методов обучения нейросетей для всех классов встречающихся задач. На практике используются метод многократных испытаний возможных вариантов архитектур и оценки результата методами статистики.

Для отслеживания момента наступления критических состояний и заблаговременного принятия соответствующих мер необходимо решать задачи распознавания образов и прогнозирования состояния биомедицинских объектов, которые основываются на точной оценке состояния организма.

Поскольку время на принятие решения при определении границ резекции в хирургии при удалении новообразований, гангрен, ишемических участков кишечника и т.д. ограничено, существует проблема продолжительности осуществления процедур оценки параметров при реализации методов сканирования поверхности органов.

Ключевым вопросом при создании диагностических устройств экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов является разработка информационно-измерительной системы, отличающейся способностью в рамках коротких промежутков времени, отводимого на исследования, формировать необходимое количество значимых параметров, и реализацией вычислительных процедур.

Для решения задачи разработки приборов и систем экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов, основанных на использовании декомпозиционного джоульметрического метода, необходима разработка теоретических основ и инженерной методики проектирования, поскольку прямых аналогов подобных систем не существует.

Это делает проблему создания джоульметрических систем экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов актуальной. Ее решение представляет важную народно-хозяйственную задачу.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и практическая реализация декомпозиционного джоульметрического метода для экспресс-оценки состояния тканей и жидкостей в хирургии, оториноларингологии, онкологии, урологии, ортопедии.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Исследование потенциальных возможностей реализации экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов с ионным типом проводимости, представляющих диагностическую информацию для измерительных систем в реальном масштабе времени, основанных на использовании декомпозиционного джоульметрического метода.

2. Разработка и исследование математической модели процессов взаимодействия приборов с биомедицинскими объектами для сокращения времени оценки и оптимизации измерительных процедур.

3. Разработка и исследование вариантов многоэлектродных систем, реализующих джоульметрический декомпозиционный метод для точечных оценок состояния в процессе сканирования поверхностей органов, тканей и биомедицинских жидкостей.

4. Разработка принципов построения и математических моделей декомпозиционных джоульметрических систем, реализующих оперативное получение и обработку данных о состоянии биомедицинских объектов.

5. Разработка и исследование нейросетевых систем распознавания, основанных на джоульметрическом декомпозиционном методе и позволяющих повысить достоверность получаемых результатов классификации за счет использования дополнительных информативных признаков.

6. Разработка теоретических основ и инженерной методики проектирования приборов, основанных на джоульметрическом декомпозиционном методе, решающих проблемы экспресс-оценки динамики воспалительных процессов при гайморитах, абсцессах живота, панкреанекрозе, эмпиеме плевры, определения степени созревания косного регенерата, определения границ резекции патологических участков органов и тканей при проведении хирургических операций, солевого состава конкрементов при мочекаменной болезни.

7. Выполнение комплекса экспериментальных исследований созданных приборов, основанных на использовании декомпозиционного джоульметрического метода, для проверки основных теоретических положений.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, статистической обработки данных, нелинейной цифровой фильтрации и обработки сигналов, теории робастных систем регулирования, теория автоматического управления, теории распознавания образов.

Научная новизна:

1. Впервые разработана математическая модель с замкнутой структурой, описывающая физико-химические процессы в межэлектродном пространстве, учитывающая специфику биомедицинских объектов и позволяющая осуществлять выбор рациональных вариантов конструкции, режимов работы и схемных решений при разработке средств контроля, основанных на оценке в динамике значений межэлектродных потенциалов и токов.

2. Разработаны теоретические основы и методики проектирования приборов, позволяющих производить экспресс-оценку состояния биомедицинских объектов на базе нового декомпозиционного джоульметрического метода.

3. Предложены декомпозиционный джоульметрический метод, реализуемый в гальваническом и потенциостатическом режимах работы, и методика идентификации и формирования дополнительных признаков на основе полиномиальных коэффициентов линейных авторегрессионных моделей и модели пространства состояний, позволяющие формировать двухмерное признаковое пространство и предоставляющие возможность выбора наиболее информативных признаков с целью увеличения эффективности алгоритмов нейросетевой классификации состояния биомедицинских объектов.

4. Предложены алгоритмы формирования измерительных токо-потенциальных воздействий на биомедицинские объекты для джоульметрического декомпозиционного метода, позволяющие повысить достоверность оценки состояния биологических жидкостей непосредственно в очаге воспаления и по отделяемому экссудату из дренажа и биологических тканей путем сканирования их поверхности.

5. Для сокращения времени проведения исследований предложены новые варианты конструкций систем электродов для декомпозиционных джоульметрических систем, обеспечивающих оперативную оценку состояния биомедицинских объектов и сканирования поверхности органов с варьируемой глубиной исследования за счет изменения площади поверхности активного электрода.

6. Для снижения процента ошибок распознавания и расширения области применения джоульметрических систем разработан алгоритм обучения и оптимизации структуры нейросетевого классификатора на основе минимизации процента ошибок распознавания для признакового пространства, описывающего состояние биомедицинских объектов.

7. Впервые предложены приборы и методики их применения, позволяющие осуществлять оценку в реальном масштабе времени с требуемой точностью представления результатов для решения проблем оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреанекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах для решения задач определения границ резекции в хирургии с целью реализации тканесохраняющих методик.

Практическая значимость. Полученные в диссертационной работе результаты заключаются в выработке системных знаний, позволяющих развивать данное научное направление в практическом плане. Основные научные положения реализованы в джоульметрических приборах и комплексах на базе персональных ЭВМ. Джоульметрические диагностические приборы и методики их применения позволяют решать задачи оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреанекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах для решения задач определения границ резекции в хирургии с целью реализации тканесохраняющих методик проведения операций. В целом результаты проведенных исследований обеспечивают создание нового класса приборов медицинского назначения для экспресс-оценки состояния биологических объектов. Их использование позволяет внедрять в медицинскую практику методики прогнозирования состояния пациентов при острых формах воспалительных процессов и осуществлять тканесохраняющие методики проведения хирургических операций.

Реализация и внедрение результатов:

1. Приборы и методики определения динамики воспалительных процессов при гнойном гайморите и эмпиеме плевры, оценки джоульметрических свойств полипозных тканей и тканей поджелудочной железы в состоянии «нормы» и «патологии», реализованы в ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко».

2. Прибор и методика определения границ резекции и джоульметрический комплекс для определения границ резекции новообразований внутренних органов реализованы в ГБУЗ «Областной онкологический диспансер» (г. Пенза).

3. Прибор и методика оценки состояния биологических жидкостей и костного регенерата реализованы в ГБОУ ДПО «Пензенский институт усовершенствования врачей» Минздравсоцразвития России.

4. Выпущена промышленная серия приборов «ДИВО» для оценки динамики воспалительных процессов - ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» имени М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской области).

5. Прибор и методика исследования мочекаменных конкрементов реализованы в НИИ фундаментальной и клинической уронефрологии

ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского» Минздравсоцразвития России.

6. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре «Медицинские информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

7. Работа выполнялась в соответствии с грантами:

- «Разработка приборов для определения динамики воспалительных процессов в лобных пазухах и абсцессов живота» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г/к № 4250р/6689 от 26 июня 2006 г.);

- «Разработка и исследование джоульметрических методов и систем для оперативного контроля динамики воспалительных процессов» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (г/к № 02.740.11.0843 от 11 июня 2010 г.);

- «Развитие теории нелинейных динамических систем и нечетких регуляторов на основе экспертных оценок для джоульметрических информационных систем» по тематическому плану научно-исследовательских работ Пензенского государственного университета, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ в 20092011 гг.;

- «Исследование закономерностей протекания воспалительного процесса при панкреонекрозе джоульметрическим методом», научно-исследовательская работа ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», проводимая в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ в 2012-2014 гг.

На защиту выносятся:

1. Комбинированный способ формирования измерительных токов и выявленные особенности и рекомендации его применения для разработки измерительных приборов медицинского назначения, предназначенных для оценки состояния биомедицинских объектов.

2. Нейросетевой классификатор, основанный на математической модели взаимодействия биологических объектов и измерительного прибора на основе декомпозиционного джоульметрического метода, отличающийся применением расширенного информационного пространства за счет использования увеличенного диапазона измерительных токов.

3. Структурно-алгоритмические и технические решения реализаций джоульметрических систем с комбинированным заданием измерительных токо-потенциальных воздействий на биомедицинские объекты в реальном масштабе времени для оперативной оценки их состояния.

4. Конструктивные решения и результаты экспериментальных исследований многоэлектродных систем для зондирования биомедицинских жидкостей и сканирования поверхности тканей и органов с варьируемой глубиной области зондирования.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приборов, реализующих джоульметрический декомпозиционный метод, для прогнозирования динамики протекания воспалительных процессов при абсцессах живота, гайморитах, панкреанекрозе, эмпиеме плевры и оценки состояния тканей полипов и поджелудочной железы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международном форуме «Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины - 98» (Турция - Кемер, 1998); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 1998-2010); II Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в медицине» (Пенза, 1999); III Международной конференции «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» (Москва, 1999); Российской научно-технической конференции «Медико-технические технологии на страже здоровья» (Москва, 1999); Междисциплинарной конференции с международным участием «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии XXI века для диагностики и лечения заболеваний человека» (Петрозаводск, 2002); XI Международном симпозиуме «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системе медико-экологической безопасности» (Испания - Коста Дуарда, 2002); XV научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2003» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы» (Самара, 2005);

II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2005» (Москва, 2005); VIII съезде травматологов-ортопедов России (Самара, 2006); Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2006); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006, 2007); Межрегиональной научной конференции «Актуальные проблемы медицинской науки и образования» (Пенза, 2007); XXVIII Российской школе «Наука и технологии» (Миасс, 2008); V съезде Общества биотехнологов России им. Ю. А. Овчинникова (Москва, 2008); Международной конференции «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 2009, 2010), I Международной научно-практической конференции «Современные проблемы отечественной медико-биологической и фармацевтической промышленности. Развитие инновационного и кадрового потенциала Пензенской области» (Пенза, 2011).

Достоверность научных положений и выводов подтверждается тем, что в теоретических построениях использовались законы и положения электрохимии, справедливость которых общепризнана, а также известный и хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат, вводимые допущения и ограничения мотивировались известными из практики фактами. Обоснованность рекомендаций по инженерному проектированию джоульметрических приборов и' систем, выбору их параметров и организации алгоритмов работы подтверждается полученными положительными результатами экспериментальных исследований в реальных условиях лечебно-профилактических учреждений.

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 94 печатные работы, в том числе 2 монографии, 5 патентов РФ, 2 свидетельства на полезную модель РФ, 14 статей в изданиях из списка ВАК, 50 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 282 страницах машинописного текста, включая 80 рисунков, 9 таблиц. Библиографический список содержит 192 источника.

Выводы

1. Впервые разработаны диагностические приборы и методики их применения в биомедицинской практике для решения задач оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреонекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах, для решения задач определения границ резекции в хирургии. Доказано, что джоульметрические приборы обеспечивают воспроизводимость результатов при экспресс-оценке стадии воспалительного процесса в тканях и жидкостях. Показано, что джоульметрические приборы, основанные на декомпозиционном методе, выгодно отличаются от предыдущих приборов и существенно упрощают процедуру оценки активности воспалительного процесса.

2. Для исследовательских целей и оценки состояния биологических тканей разработаны джоульметрические измерительные комплексы на базе ПЭВМ. Управление работой данной системы осуществляется с помощью специального программного обеспечения, применение которого позволило решить задачу обработки, анализа информации и принятия решений с использованием специализированного программного обеспечения, работающего на ПЭВМ.

3. Отработка программного обеспечения джоульметрического комплекса осуществлена в системе визуального моделирования 81МиЫ№С пакета МАТЬАВ с применением технологий системного моделирования. Библиотечные функции МАТЬАВ используются в качестве субблоков, на базе которых собраны отдельные функциональные блоки. Библиотечные функции составлены из специальных подпрограмм, реализующих необходимые алгоритмы обработки данных и представления результатов. Блок распознавания реализован на базе нейросетевого классификатора. При его настройке учитывались: четыре типа архитектуры нейросети, функции обучения и параметры обучения. Для обучения сети использовались данные, характеризующие биологические объекты с ярко выраженными признаками «нормы» и «патологии».

4. Представлены обобщенные результаты проведенных биомедицинских исследований, позволившие впервые установить полиномиальные зависимости, характеризующие динамику воспалительных процессов при абсцессах живота, риносинуите, панкреонекрозе, эмпиеме плевры. Установлена высокая корреляция результатов джоульметрических параметров с результатами морфологических исследований. Это позволяет осуществлять процедуры прогнозирования тяжести состояния пациентов, оперативно менять тактику терапии и принимать реабилитационные методы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соотвествии с целями и задачами представляемой диссертационной работы были получены следующие результаты.

1. Доказана принципиальная возможность, с позиции движения в поле заряженных частиц, джоульметрического принципа оценки состояния объектов, обладающих ионным типом проводимости. Обсуждены основные подходы к направленному изменению метрологических характеристик джоульметрического метода. Установлено, что работа тока, определяемая на основе оценки значений межэлектродных потенциалов и токов в динамике, является интегральным показателем, характеризующим состояние и активность электрохимических процессов объекта, заключенного в межэлектродном пространстве системы электродов.

2. Рассмотрены процессы, учитывающие потенциал поля носителей заряда, происходящие в электрохимической ячейке при протекании через нее электрического тока различной плотности. Моделирование показало возможность применения ступенчатой формы задания внешних воздействий с целью расширения признакового пространства на основе рассмотрения процессов на различных энергетических уровнях.

3. Разработан, теоретически обоснован и применен на практике новый декомпозиционный джоульметрический метод, основанный на использовании оценки четырех составляющих значения работы, затрачиваемой на перевод объекта исследования из одного состояния в другое. Информативными составляющими метода являются: работа тока, затрачиваемая на омическую составляющую электрохимической ячейки; работа тока, затрачиваемая на заряд двойного электрического слоя электрохимической ячейки; работа тока, затрачиваемая на электрохимические реакции; работа тока, затрачиваемая на омическую составляющую межэлектродного сопротивления. Показано, что работа тока, затрачиваемая на электрохимические реакции, является наиболее информативным признаком. Это значение целесообразно применять в автономных джоульметрических приборах с целью снижения их сложности.

4. Представлены способы реализации декомпозиционного джоульметрического метода в гальваническом и комбинированном режимах работы, позволяющие формировать признаковое пространство до 32 параметров. Главная особенность декомпозиционного метода заключается в последовательном вовлечении в электрохимический процесс различных групп ионов на разных энергетических уровнях. Это позволяет осуществлять процедуры создания образа исследуемого объекта и на их основе производить детектирование отдельных комплексов ионов.

5. Рассмотрены новые подходы к использованию систем электродов. Предложены новые варианты алгоритмов формирования входных воздействий на биомедицинские объекты в гальваническом и потенциостатическом режимах. Их отличительная особенность заключается в реализации исследований в реальном масштабе времени. При этом исключаются процедуры предварительной настройки режимов работы джоульметрических систем, что способствует существенному сокращению времени подготовки и проведения исследований.

6. Разработаны конструкции систем электродов для декомпозиционных джоульметрических систем. Показана принципиальная возможность использования активного электрода в качестве основного чувствительного элемента для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов. Это существенно упрощает процедуры практического использования джоульметрических методов и расширяет функциональные возможности и область применения за счет реализации процедуры сканирования поверхности органов разноповерхностными электродами и возможности направленного изменения глубины исследования.

7. Представлена методика идентификации и формирования дополнительных признаков на основе полиномиальных коэффициентов линейных авторегрессионных моделей и модели пространства состояний, позволяющая увеличить количество информативных признаков от 8 до 32 при прогнозировании активности воспалительных процессов.

8. Разработаны алгоритм оптимизации структуры нейросетевого классификатора и алгоритм его обучения, на основе минимизации процента ошибок распознавания, для расширенного признакового пространства, описывающего состояние биомедицинских объектов, при оценке динамики воспалительных процессов, что позволяет достичь максимального качества обучения нейросетевого классификатора и снизить процент ошибок распознавания.

9. Впервые разработаны диагностические приборы и методики их применения в биомедицинской практике для решения задач оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреонекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах, для решения задач определения границ резекции в хирургии. Доказано, что джоульметрические приборы обеспечивают воспроизводимость результатов при экспресс-оценке стадии воспалительного процесса в тканях и жидкостях. Показано, что джоульметрические приборы, основанные на декомпозиционном методе, выгодно отличаются от предыдущих приборов и существенно упрощают процедуру оценки активности воспалительного процесса.

10. Представлены обобщенные результаты проведенных биомедицинских исследований, позволившие впервые установить полиномиальные зависимости, характеризующие динамику воспалительных процессов при абсцессах живота, риносинуите, панкреонекрозе, эмпиеме плевры. Установлена высокая корреляция результатов джоульметрических параметров с результатами морфологических исследований. Это позволяет осуществлять процедуры прогнозирования тяжести состояния пациентов, оперативно менять тактику терапии и принимать реабилитационные методы заблаговременно.

1. Каншин H.H. Закрытое лечение нагноительных процессов методом активного промывания // Хирургия, 1980. № 11. - С18. - 23.

2. Заверзный Л. Г. Частота и диагностика внутрибрюшных абсцессов в раннем послеоперационном периоде / Л. Г. Заверзный, А. И. Пойда, В. М. Мельник//Вестник хирургии, 1993.-Т. 150.-№ 3 4. - С. 131м136.

3. Никольский В. И. Абсцессы живота / В. И. Никольский, А. Ю. Сапожков. Пенза, 1994. - 204 с.

4. Сухарев B.C. Применение тепловидения при абсцессах брюшной полости // Вестник хирургии, 1993. Т 25. - № 9. - С. 118-123.

5. М.Ф. Мазурик, И.А. Гиленко, Д.Г. Демянюк, С.М. Мазурик. Диагностика и лечение подпеченочных абсцессов после операций на органах брюшной полости//Хирургия, 1985.-№11.-С. 115-118.

6. Пискунов Г.З. Дифференциальный подход в лечении хронического полипозного риносинуита / Г.З. Пискунов, Р.Г.Миракян // Российская ринология, 2008 №2. - С. 4-7.

7. Попков A.B. Оперативное удлинение бедра методом Г.А. Илизарова: учебно методические разработки. - Курган: Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. Г. А. Илизарова, 1994. - 19 с.

8. Трапезников H.H. Онкология: Учебник / Н.Н.Трапезников, А.А.Шайн. М.: Медицина, 1992. - 400 с.

9. Владимиров Ю.А. Биофизика: Учебник/ Ю. А. Владимиров, Д. И. Рощупкин , А. Я. Потапенко. М.: Медицина, 1983. - 272 с.

10. Ю.Семенов Н. В. Биохимические компоненты и константы жидких сред и тканей человека. М.: Медицина, 1971.-152с.

11. Мазурик М.Ф. Цитологическая характеристика гнойных ран и ее прогностическое значение в зависимости от рН среды / М.Ф. Мазурик, А.Д.Щербань, И.А. Гиленко // Хирургия, 1980. -№11.- С.27-29.

12. Калашник А. Ф. Прогнозирование гнойных осложнений послеоперационных ран / А. Ф. Калашник, А. Я. Кульберг, А. М. Бартова, И. Ф. Биляк // Сов. медицина. 1983. - № 2. - С. 22м25.

13. Хачатрян А. П. Прогнозирование острого гнойного лактационного мастита методом электроимпедансометрии / А. П. Хачатрян, Ю. В. Торнуев, Р. Г. Хачатрян // Вестник хирургии, 1990. Т. 144.-№ 6.-С. 31-33.

14. Кочнев О.С. Физико-химические параметры желчи в оценке течения воспалительного процесса в желчных путях / О.С. Кочнев, Х.М. Халилов, В.Н. Биряльцев, P.M. Минабутдинов // Хирургия, 1992. № 1. -С.42^7.

15. Биосенсоры: основы и приложения: Пер. с англ. / Под ред. Э.Тернера, И.Карубе, Дж.Уилсона. М.: Мир, 1992. - 614 с.

16. Феттер К. Электрохимическая кинетика. М.: Химия, 1967.856 с.

17. Электро-химический импеданс / 3. Б. Стойнов, Б. М. Графов, Б. Н. Савова-Стойнова, В. В. Елкин. -М.: Наука, 1991. 336 с.

18. Трейер В. В. Электрохимические приборы. М.: Сов. радио, 1978.-88 с.

19. Лапидес Л. М. Химотроника. М.: Воениздат, 1980. - 362 с.

20. Справочник по электрохимии / Под ред. A.M. Сухотина, Л.: Химия, 1981.

21. Калашников С.Г. Электричество. -М.: «Наука», 1964. 668 с.

22. Пригожин И. Химическая термодинамика / И. Пригожин, Р. Дрейф. Новосибирск: Наука, 1966. — 509 с.

23. Применение вариационного принципа для решения задач химической кинентики / Турусов Б. Г., Маланичев А. Г. // Доклады академии наук. 1994. - Т. 339 -№ 6. - С. 771—775.

24. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том 1. М.: «Наука»,1970.-492 с.

25. Волобуев А.Н. Биофизика: Научное издание. Самара: «Самар. Дом печати», 1999. - 168 с.26.0лейник O.A. Лекции об уравнениях с частными производными -2-е изд., испр. и доп. М.: «БИНОМ. Лаборатория знания», 2005. - 260 с.

26. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики: Учеб. пособие. 6-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1999. -799 с.

27. Левич, В.Г. Курс теоретической физики / В.Г. Левич 2-е изд., перераб. - М.: «Наука», 1969, том I - 912 с.

28. Курс физической химии, т. II, под ред. чл.-корр. АН СССР проф. Я.И. Герасимова. Изд. 2, испр., М.: «Химия», 1973. - 624 с.

29. Захаров, М.С. Хронопотенциометрия (Методы аналитической химии) / М.С. Захаров, В.И. Баканов, В.В. Пнев М.: «Химия», 1978. - 200 с.

30. Путилов, К.А. Термодинамика / К.А. Путилов М.: «Наука»,1971.-376 с.

31. Базаров, И.П. Термодинамика: Учеб. для вузов / И.П. Базаров 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 376 с.

32. Пригожин, И. Введение в термодинамику необратимых процессов / И. Пригожин М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1961. - 160 с.

33. Байрамов, В.М. Основы химической кинетики и катализа: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В.М. Байрамов М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 256 с.

34. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М. Душина. 6-е изд., перераб. и доп. - Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.-480 с.

35. Галюс 3. Теоретические основы электрохимического анализа, пер. с польск., М., 1974. 370 с.

36. Кантаре В.М. Потенциометрические и титрометрические приборы / В.М. Кантаре, А.В.Казаков, М.В. Кулаков. М.: Машиностроение, 1970. -304 с.

37. Джоульметрический метод оценки состояния биологических объектов / С.М. Геращенко, В.И. Никольский, В.И. Волчихин и др. // Доклады III Междунар. конф. "Радиоэлектроника в медицинской диагностике". М., 1999. - С. 50-51.

38. Пат. 2033606 РФ, МКИ в 01 N 33/48. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство его осуществления / С. И. Геращенко, В. И. Никольский (РФ). № 4883438/14; Заявл. 19.09.90; Опубл. 20.04.95; Бюл. №11.

39. Геращенко С.М. Построение замкнутой математической модели электрохимических методов и средств оценки состояния биологическихобъектов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2011. - № 2. - С. 90-97.

40. Дамаскин, Б.Б. Введение в электрохимическую кинетику / Б.Б. Дамаскин, O.A. Петрий 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1983.-400 с.

41. Васильев, В.А. Автоволновые процессы / В.А. Васильев, Ю.М. Романовский, В.Г. Яхно. Под ред. Д.С. Чернавского. М.: Наука, 1987. -240 с.

42. Маркин, B.C. Теория возбудимых сред / B.C. Маркин, В.Ф. Пастушенко, Ю.А. Чизмаджиев. М.: Наука, 1981. - 276 с.

43. Геращенко С.М. Джоульметрический метод экспресс-контроля состояния биологических объектов // Наука и технологии: Тезисы докладов XXVIII Российской школы. Миасс. 24 26 июня 2008. - Миасс: МСНТ, 2008.-С. 143.

44. Геращенко С.М. Методы обработки информации в джоульметрических системах экспресс-контроля состояния биологических объектов Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун - та, 2010.- 172 с.

45. Геращенко С.М. Джоульметрический метод контроля объектов с ионной проводимостью // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки. 2008. - № 2. - С. 106-114.

46. Волчихин В.И., Геращенко С.И., Геращенко С.М. Джоульметрические медицинские приборы и системы. Избранные труды

47. Российской школы по проблемам науки и технологий. М.: РАН, 2008. -131 с.

48. Геращенко С.М., Митин A.A., Геращенко С.И. Джоульметрический декомпозиционный метод контроля состояний биологических объектов и его реализация // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. - № 4. - С. 93100.

49. Геращенко С.М., Голотенков Н.О. Комбинированный джоульметрический метод на базе робастных регуляторов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки. 2008. - № 1.-С. 105-112.

50. Патент РФ № 2040204 Cl, А61В5/00. Микроэлектрод. Авторы: Бородин Ю.И., Кузнецов A.B., Головнев В.А. Номер заявки 4846004/14, дата начала действия патента: 23.05.60, опубликовано: 25.07.95.

51. Патент РФ 2134537, МКИ А 61 В 5/05. Диагностический датчик / С. И. Геращенко, В. И. Никольский, В. И. Волчихин и др. (РФ). -№ 96123655/14 (030256); Заявл. 14.12.96; Опубл. 20.08.99; Бюл. № 23.

52. Патент на полезную модель РФ № 86431 Ul, А61В5/05. Диагностический датчик. Авторы: Геращенко С.И., Геращенко С.М.,

53. Калашникова С.Ю., Логинов С.Н., Сергацкий К.И., Юткина Е.Г. Номер заявки № 2009113522/22, дата начала действия патента: 10.04.09, опубликовано: 10.09.2009. Бюл. № 25.

54. МГИЭМ (Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)).

55. Попов В. С. Принципы построения измерителей активной мощности / В. С. Попов, И. О. Хомеркин // Приборы и системы управления. 1998. - № 2. - С. 47-53.

56. Pappas Т., Laub А., Sandel N. On the numerical solution of the discrete-time algebraic Riccati equation. // 1980 IEEE Trans. Autom. Contr., vol. AC-25, pp. 631-641.

57. Исии Т., Симояма И., Иноуи X. Мехатроника М.: Мир, 1988.318 с.

58. Методы классической и современной теории автоматического управления. В 5-ти тт. Т.З. Синтез регуляторов систем автоматическогоуправления / Под ред. Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.-616 с

59. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: Учебник / Под ред. Н.Д. Егупова; издание 2-ое, стереотипное. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 744 с.

60. Квакернаак X., Сиван Р.Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977.

61. Ларин В.Б. Методы решения алгебраического уравнения Риккати. Известия АН СССР: Техническая кибернетика. 1983. №2.

62. State-spase solution to Standart Tf° and H2 -control problems / J. C. Doyle, K. Glover, P.P. Khagonekar, B.A. Francis // IEEE Transactions on automatic control, vol. 34, №8, 1989. - pp. 882-883.

63. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.- 188 с.

64. Кашьяп Р.Л. Построение динамических стохастических моделей по экспериментальным данным / Р.Л. Кашьяп, А.Р. Pao. М.: Наука, 1983.-384 с.

65. Александровский Н. М. Методы определения динамических характеристик нелинейных объектов (обзор) / Н. М. Александровский, А. М. Дейч // Автоматика и телемеханика, 1968. № 1. - С. 167 - 188.

66. Бунич А. Л. Идентификация нелинейного объекта дисперсионными методами / А. Л. Бунич, Н. С. Райбман. Докл. АН СССР, 1976. - Т. 226. - № 5. - С. 1032—1033.

67. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника. Теория и практика. -М.: Мир, 1992.

68. Горбань А.Н. Обучение нейронных сетей. М.: СП ПараГраф,1991.

69. Неймарк Ю.И. Динамическая система как основная модель современной науки//Автоматика и телемеханика. 1999. - № 3. - С. 196 -201.

70. Войтенков И.Н. Методы и средства дифференциального оценивания и идентификации моделей / Ин-т проблем моделирования в энергетике. Киев: Наук, думка, 1989. - 288 с.

71. Дисперсионная идентификация / Под ред. Н.С.Райбмана. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981. 426 с.

72. Геращенко С. М. Разработка джоульметрических информационно-измерительных систем контроля биологических объектов: Дис. на соис. канд. техн. наук / Пензенский государственный университет -Пенза, 2000.- 161 с.

73. Мармарелис П. Анализ физиологических систем (метод белого шума) / П. Мармарелис, В. Мармарелис: Пер. с англ. М.: Мир, 1981. -480 с.

74. Геращенко С.М. Джоульметрические информационно-измерительные системы контроля биологических объектов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». 2005. - № 33. - С. 211-214.

75. Льюинг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. / Под ред. Я.З. Цыпкина. М.: Наука, Гл. Ред. физ.-мат. лит., 1991. -432 с.

76. Геращенко С.М. Идентификация биологических объектов. // Российская НТК "Медико-технические технологии на страже здоровья". Тезисы докладов 4.1. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. С. 50-51.

77. R. Babuska, H.B. Verbruggen. Fuzzy identification of Hammerstein systems // In Proceedings Seventh IFSA World Congress. Prague, Czech Republic, 1997. V. 2. P. 348-353.

78. Геращенко С.М. Оптимизация структуры линейных динамических моделей для описания биометрических объектов / С.М.

79. Современные методы идентификации систем / Под ред. Эйкхоффа П. М.: Мир, 1983. - 400 с.

80. Войтенков И.Н. Методы и средства дифференциального оценивания и идентификации моделей / Ин-т проблем моделирования в энергетике. Киев: Наук, думка, 1989. - 288 с.

81. Штейнберг Ш. Е. Идентификация в системах управления. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 80 с.

82. Ljung L. System Identification Toolbox User's Guide. Computation. Visualization. Programming. Version 5. The MathWorks, Inc., 2000.

83. Геращенко C.M. Оценка параметров линейных динамических моделей биологических тканей // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2008. - № 3. - С. 6370.

84. Методы робастного, нейро-нечеткого и аддитивного управления. / Под ред. Н.Д. Егупова. (Методы теории автоматического управления).- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 744 с.

85. Ljung L. and L. Guo. The role of model validation for assessing the size of the unmodeled dynamics // IEEE Trans. Automat. Contr. 1997. N. 42. P. 1230-1239.

86. Soderstorm T. On a method for model structure selection in system identification // Automatica. 1981. - Vol. 17. - P.387-388.

87. Геращенко С.М. Многопараметрические джоульметрические системы контроля // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. 2002. - № 2. - С. 98-103.

88. Медведев В. С., Потемкин В. Г. Нейронные сети. Матлаб 6. -М.: Диалог МИФИ, 2002. 496 с.

89. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. Серия книг «Нейрокомпьютеры и их применение». Книга 1. Москва, ИПРЖР-2000г. -416 с.

90. Геращенко С.И., Геращенко С.М., Янкина H.H., Енгалычев Ф.Ш. Использование нейросетевого классификатора для идентификации новообразований. // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2008. -№ 9. - С.77-79.

91. Комарцова Л.Г. Нейрокомпьютеры: Учеб. пособие для вузов / Л. Г. Комарцова, А. В. Максимов. М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 320 с.

92. Горбань А. Н. Нейронные сети на персональном компьютере / А. Н. Горбань, Д.А. Россиев. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. - 276с.

93. Каллан Р. Основные концепции нейронных сетей. М: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 288 с.

94. Головко В. А. Нейронные сети: обучение, организация и применение. Кн. 4: Учеб. пособие для вузов / Общая ред. А. И. Галушкина. М.: ИПРЖР, 2001. - 256с.

95. Elman, J. L. Finding structure in time // Cognitive Science, 1990. V. 14. P. 179-211.

96. Горбань A. H. Обучение нейронных сетей. M.: ПараГраф, 1990.- 160 с.

97. Сизиков B.C. Математические методы обработки результатов измерений: учеб. для студ.вузов по прикладной математике. СПб.: Политехника, 2001. - 240 с.

98. Нейроинформатика /А. Н. Горбань, В. Л. Дунин-Барковский, А. Н. Кирдин, Е. М. Миркес, А. Ю. Новоходько, Д. А. Россиев, С. А. Терехов, М. Ю. Сенашева, В.Г. Царегородцев. Новосибирск: Наука, 1998.- 296 с.

99. Moller М. F. A scaled conjugate gradient algorithm for fast supervised learning. // Neural Networks, 1993. V. 6. P. 525-533.

100. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1998. 122 с.

101. Богомолов A.B. Диагностика состояния человека: математические подходы / A.B. Богомолов, Л.А. Гридин, Ю.А. Кукушкин.- М.: Медицина, 2003. 464с.

102. Hagan, М.Т., and М. Menhaj. Training feedforward networks with the Marquardt algorithm // IEEE Transactions on Neural Networks, 1994. V. 5. N. 6. P. 989-993.

103. Геращенко С.И., Геращенко С.М., Янкина H.H., Мартынов И.Ю., Абубекирова B.C. Оптимизация структуры нейросетевого классификатора, используемого при диагностике в оториноларингологии. // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2008. - № 3-4. - С.53-57.

104. A.A. Митин, С.М. Геращенко. Джоульметрический комплекс для наблюдения состояний биологических тканей и жидкостей человека // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы:

105. Материалы конференции (Россия, Рязань, 2-5 декабря 2009 г.). Рязань: РГРТУ, 2009.-С. 71-73.

106. Дж. Пейтон, В. Волш Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994 352 с.

107. Фремке A.B. Электрические измерения. М.: Энергия 1996.

108. Болл Стюарт Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. 360 с.

109. У. Кестер Аналого-цифровое преобразование М.: Техносфера, 2007. 1016с.

110. П. Гель Как превратить компьютер в измерительный комплекс: Пер. с фр. 2-е изд., испр. М.: ДМК Пресс, 2001. 144 с.

111. Jim Williams. High Speed Amplifier Techniques. Linear Technology AN-47, August, 1991.

112. Агуров В.П. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 576с.

113. Елистратов В.Т., Комарова Л.Г., Мишин В.Н., Старостин О.В., Волчихин В.И., Геращенко С.И., Кислов А.И., Геращенко С.М., Кибиткин

114. A.C. Разработка новых медицинских приборов и систем для экспресс-диагностики состояния биологических объектов и реализации тканесохраняющих методик проведения операций // Новые промышленные технологии. 2008. - № 5. - С. 15-18.

115. М.Ф. Мазурик, И.А. Гиленко, Д.Г. Демянюк, С.М. Мазурик. Диагностика и лечение подпеченочных абсцессов после операций на органах брюшной полости // Хирургия. 1985. №11. С. 115-118.

116. Патент РФ № 2218077 С2, 7А61В5/05. Устройство для прогнозирования динамики воспалительного процесса. Авторы: Волчихин

117. B.И., Геращенко С.И., Геращенко С.М., Енгалычев Ф.Ш., Чистова Ю.С., Иванов A.B. Номер заявки 2002102163, дата начала действия патента: 23.01.02, дата утверждения: 10.12.03. Бюл. № 34.

118. В. Г. Зенгер. Хронический гайморит. Лечащий Врач, 2003, №8. С. 8-13.

119. Геращенко С.И., Геращенко С.М., Елистратов В.Т., Комарова Л.Г., Мишин В.Н., Янкина H.H., Мартынов И.Ю. Диагностика гайморитов прибором «ДИВО». // Новые промышленные технологии. 2006. - № 3. -С. 54-56.

120. Разработка приборов для определения динамики воспалительных процессов в лобных пазухах и абсцессов живота: Отчет о

121. НИР (заключительный) / ООО НПЭВМ «Грот»; Руководитель С.М. Геращенко. № ГР 01200609167; Инв. № 9. - Пенза, 2007. - 54 с.

122. А. Д. Наумов. Влияние разных ритмов дистракции на костеобразование, концентрацию циклических нуклеотидов и гемодинамику в удлиняемой кости / А.Д. Наумов, Н.И. Гордиевских, С.А. Ерофеев // Гений ортопедии 1996 - №1 - С. 34 - 36.

123. В.И. Шевцов. Осложнения при удлинении бедра в высокодробном автоматическом режиме / В.И. Шевцов, A.B. Попков, Д.А. Попков // Гений ортопедии. 1997. - №4. - С.24 - 27.

124. Оценка состояния костного регенерата джоульметрическим методом / С.И. Геращенко, С.М. Геращенко, А.И. Кислов, H.H. Янкина, A.C. Кибиткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Медицинские науки. 2007. - № 1. - С. 12-22.

125. Лопатин A.C. Медикаментозное и хирургическое лечение полипозного риносинусита. Лечение синусита, ассоциированного с бронхиальной астмой / A.C. Лопатин// Российская ринология 1999. - № 1.-С. 65-68.

126. Рязанцев C.B. Полипозные риносинуиты: этиология, патогенез, клиника и современные методы лечения: Метод. Рекомендации / C.B. Рязанцев, A.A. Марьяновский. Спб, 2006. - 28 с.

127. Использование метода джоульметрии в диагностике различных форм полипозного риносинуита/ Калашникова С.Ю., Сергеев C.B., С.М. Геращенко // Российская оториноларингология. 2009. - № 5 (42). -С. 63-66.

128. Геращенко С.И., Геращенко С.М., Янкина H.H., Мартынов И.Ю., Кислов А.И., Кибиткин A.C. Цифровая фильтрация при джоульметрическом контроле в медицине. // Мир измерений 2006. - № 12. - С.102-105.

129. Геращенко С.М., Митин A.A., Геращенко С.И. Джоульметрический декомпозиционный метод контроля состояний биологических объектов и его реализация // Известия высших учебныхзаведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. - № 4. - С. 93100.