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

На правах рукописи □□3457254

ГОЛОТЁНКОВ Николай Олегович

ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальности: 05.11.17-Приборы, системы и изделия медицинского назначения; 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (п] ^ е)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2008

1 г й?'л

003457254

Работа выполнена на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Геращенко Сергей Иванович;

кандидат технических наук, доцент Кичкидов Анатолий Андреевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мясникова Нина Владимировна; доктор технических наук Иванов Александр Иванович.

Ведущая организация - ФГУП ПО «Старт» (г. Заречный Пензенской области).

Защита диссертации состоится 26 декабря 2008 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте: www.pnzgu.ru

Автореферат разослан « Я. Г » НО-^Ур^ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важных задач, стоящих в различных областях медицины, является задача оценки состояния биологических тканей и жидкостей человека.

Существует ряд методов, позволяющих производить оценку состояния тканей (рентгенологические, ультразвуковые, компьютерная томография и др.), но из-за оказания повышенной лучевой нагрузки на организм человека, высокой стоимости и больших габаритов аппаратуры возможности их ограничены.

В этой связи актуальной является задача создания медицинской аппаратуры, не оказывающей влияния на организм человека, имеющей более высокую информативность и низкую стоимость.

В последнее время для решения поставленной задачи ряд ученых стали применять электрохимические методы (Калашник А. Ф., Ха-чатрян А. П., Никольский В. И., Геращенко С. И. и др.), основанные на измерении электрических параметров биообъектов при пропускании через них электрического тока. К достоинствам данных методов можно отнести: безопасность для здоровья человека, низкую стоимость аппаратуры, простоту реализации. Наиболее близкими для решения поставленных задач являются импедансные и джоульметриче-ские методы.

В импедансометрии исследуемый объект представляется схемой замещения, параметры которой определяются на основании оценки его частотных свойств. Результаты исследований, проведенных с помощью импедансных методов (Давыдов А. В., Ткаченко С. С., Руц-кий В. В.), подтвердили целесообразность использования электрохимических методов.

В основу джоульметрического метода положено соответствие между работой, совершаемой внешним источником электрической энергии, и изменением состояния исследуемого объекта. Джоуль-метрический метод обладает высокой чувствительностью и малыми временными затратами на исследование. К недостаткам метода можно отнести низкую воспроизводимость результатов измерений.

В связи с этим предлагается повысить эффективность джоульметрического метода за счет стабилизации режимов электрохимической системы, что позволяет существенно повысить воспроизводимость

получаемых в процессе идентификации параметров, оценивающих свойства биообъектов.

При разработке законов управления стабилизацией режимов необходимо учитывать особенности электрохимических объектов, связанные с их нестационарностью, нелинейностью и высоким уровнем шумов в обрабатываемых сигналах. Это существенным образом сказывается на степени неопределенности исследуемой системы, выступающей в роли регулируемого объекта. Поэтому решение задачи построения регулятора сформулировано в классе синтеза робастных систем управления в условиях параметрической неопределенности.

Целью диссертационной работы является увеличение количества информативных признаков джоульметрической системы.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Анализ биологических объектов, их электрических и электрохимических свойств. Исследование электрохимических свойств биологических объектов в состоянии «норма» и «патология».

2. Разработка математических моделей биологических объектов, адекватно описывающих их электрохимические свойства в состоянии «норма» и «патология».

3. Модернизация джоульметрического метода оценки состояния биологических объектов.

4. Разработка алгоритмов построения робастных регуляторов для джоульметрических систем.

5. Разработка системы обработки данных и управления, использующей модернизированный джоульметрический метод.

6. Экспериментальная оценка эффективности предложенного модернизированного джоульметрического метода.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического анализа линейных и нелинейных динамических систем, теория идентификации, теория матриц, теория автоматического управления, Нм-теория, электрохимические методы анализа, математическое моделирование.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели биологических объектов, описывающие их электрохимические свойства в состоянии «норма»

и «патология», позволяющие адекватно описывать их состояние в широком динамическом диапазоне рабочих токов.

2. Предложен джоульметрический декомпозиционный метод со ступенчатым комбинированным способом задания входных токов, позволивший повысить воспроизводимость результатов и расширить признаковое пространство.

3. Разработаны алгоритмы настройки робастных регуляторов для джоульметрических измерительных систем, позволяющие автоматически синтезировать регуляторы без участия пользователя.

4. Разработана структура джоульметрической системы для контроля состояния биологического объекта, позволяющая получать более 64 некоррелированных параметров.

Практическая значимость. Полученные в диссертационной работе теоретические и практические результаты обеспечивают возможность создания нового класса приборов медицинского назначения для оценки состояния биологических объектов.

Реализация и внедрение результатов.

1. Методика оценки состояния костного регенерата - Пензенская областная больница им. Н. Н. Бурденко.

2. Прибор для оценки динамики воспалительных процессов -ФГУП ПО «СТАРТ».

3. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедрах: «Медицинские приборы и оборудование» и «Автономные информационные и управляющие системы» ГОУВПО «Пензенский государственный университет».

На защиту выносятся:

• Джоульметрический декомпозиционный метод задания комбинированным способом входных токов различной амплитуды.

• Математические модели биологических объектов, позволяющие адекватно описывать их состояние в широком динамическом диапазоне рабочих токов.

• Структура джоульметрической системы, использующая роба-стное управление при комбинированном задании входных воздействий.

• Результаты экспериментальных исследований свойств биологических жидкостей, костного регенерата, тканей желудка и почки в состоянии «норма» и «патология».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2001, 2002); Научно-технической конференции «Безопасность информационных технологий» (Пенза, 2002); XI Международном симпозиуме «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системе медико-экологической безопасности» (Испания, Коста Дуарда, 2002); XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Крым, 2003); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» «Вооружение, безопасность, конверсия» (Пенза, 2003); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 9 статей и 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста, включая 65 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список использованной литературы содержит 92 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 рассматриваются особенности исследуемых биологических объектов, их физические, электрические и электрохимические свойства, приводится анализ методов исследования биологических объектов.

На основе анализа существующих методов исследования предлагается использовать электрохимические методы, поскольку они имеют низкую стоимость, достаточно просто реализуются, практиче-

ски безопасны для здоровья человека и оперативны в использовании. Наиболее близкими из электрохимических методов для оценки состояния биологических объектов являются импедансные и джоуль-метрические методы.

Для оценки состояния исследуемых объектов предлагается использовать джоульметрический метод, обладающий высокой чувствительностью и позволяющий увеличить количество информативных признаков.

Также рассматриваются различные типы датчиков, используемых для исследования состояния биологических объектов.

Объектами исследования в данной работе являются биологические жидкости, отобранные у больных с диагнозом гайморит, костная ткань пациентов с переломами нижних конечностей и ткани желудка и почки с ярко выраженными границами новообразования, удаленные в процессе проведения хирургических операций.

На основе проведенных исследований определены основные задачи, возникающие в процессе исследования биологических объектов; поставлена цель исследований, намечены основные пути их решения.

Во второй главе приводится методика для описания исследуемых объектов, обеспечивающая формирование многомерного параметрического признакового пространства.

Для увеличения количества формируемых информативных признаков предлагается использовать джоульметрический комбинированный ступенчатый метод задания воздействий током различной амплитуды на объект идентификации. Он позволяет сформировать устойчивые признаки, сократить время измерений и получить для каждого уровня декомпозицию работы тока, что обеспечивает реализацию процедур многопараметрической идентификации.

Суть комбинированного метода заключается в следующем. Регулированием амплитуды рабочего тока достигаются стабилизация временного интервала заряда двойного электрического слоя и последующее поддержание межэлектродного напряжения на заданном уровне. Значения напряжений ир\,„ задаются регулятором и для исследуемых объектов остаются неизменными. Свойства объекта проявляются в изменении значений тока ДО на участках Н\..Л\2, , („\...(„2, обеспечивающего требуемую зависимость изменения напряжения им э(/).

На рисунке 1 показаны зависимости тока, напряжения и мощности для комбинированного ступенчатого режима задания входных воздействий.

ит(()

Рисунок 1 - Зависимости тока, напряжения и мощности для комбинированного ступенчатого режима задания входных воздействий

В начальный момент времени на датчик коммутируется ток 1\, а затем оцениваются значения работ, затрачиваемых на заряд двойного слоя. После заряда двойного слоя напряжение С/мэ стабилизируется за счет изменения тока 1\, что исключает вступление в электрохимическую реакцию ионов более высоких потенциальных уровней. Затем процесс повторяется для следующего уровня и т. д. Из рисунка 1 следует, что для любой исследуемой системы процесс заряда двойного электрического слоя и процесс протекания электрохимических реакций характеризуются определенным положением точек ¿ц, /2ь ..., ¿„1 и стабилизированными значениями напряжений (/мэ(7) на участках и\..Л\2, Н\---Нг, •••

Значения работ, затрачиваемых на заряд двойного электрического слоя и электрохимические превращения, с учетом стабилизации напряжения ит(() на втором участке определяются соответственно зависимостями:

Адв= ] {1{1)ию(ф, (1)

'("-1)2

Аэп =Е/р"|(/(*))<*. (2)

Производится декомпозиция обобщенного значения работы каждого из токов на отдельные составляющие, которые используются в качестве самостоятельных признаков (имеется патент 1Ш № 2217049 «Способ прогнозирования воспалительного процесса и устройство для его осуществления»).

Работа, совершенная током /„ (и = 1, ..., 16) каждого уровня, согласно декомпозиционному методу слагается из четырех компонент (см. рисунок 1):

А„=А1п+А2п+АЗ„+А4п. (3)

Значения каждой из них можно вычислить, если принять значение времени ^ за момент окончания процесса заряда двойного электрического слоя, значение времени - за момент окончания процесса электрохимических реакций, ир„ - за падение напряжения на электрохимической ячейке и значение 1/о„ - за падение напряжения на электрохимической ячейке в момент коммутации тока, по следующим зависимостям:

~*{п-\)г)

(4)

характеризует межэлектродное сопротивление;

ЛЗ„=(/„-/0„)

'«1

| иыъ{1)с11-ип{1пХ-((пЛ)1)

характеризует емкость двойного электрического слоя;

А2п = (Урп - )(/0„ ~ /о(и-1) )(?и2 характеризует сопротивление электрохимической реакции; '«2

Ап = | - - и0п )/0и «п2 - /я1) '»1

характеризует активность электрохимических реакций.

Значения этих работ выступают в качестве информативных признаков.

Структурная схема джоульметрической системы, реализующая комбинированный метод задания входных воздействий, представлена на рисунке 2.

(5)

(6) (7)

ФЭУ

УИТ /(0 Исследуемый объект 1М0

\ Регулятор

Система управлениям обработки информации

гглт

Блок ввода/вывода информации

Рисунок 2 - Структурная схема устройства, реализующего джоульметрический комбинированный ступенчатый декомпозиционный метод

Биологические объекты являются нелинейными нестационарными системами. Чаще всего сложная динамика процессов, происходящих в физиологических системах, связана с одновременным функционированием некоторого числа биорегуляторов, обладающих различными быстродействием и степенями свободы. В таком случае для моделирования целесообразно воспользоваться методом пространства состояний, где модель объекта представлена выражением

(х(0=А*(0+Вм<0; 1к0=с*(0+Ви<0,

где х(1) - вектор состояний системы; м'(/) - внешний вход системы, у(1) - вектор измеряемых выходов; А, В, С, О - постоянные матрицы соответствующих размерностей.

Идентификация системы в пространстве состояний позволяет представить модель системы в функции определенных переменных состояния, с одной стороны, имеющих формальное математическое выражение, а с другой - обладающих определенным биофизическим смыслом. Это связано с тем, что переменная состояния описывает процесс, моделируемый дифференциальным уравнением первого порядка, описывающим большинство закономерностей элементарных биологических процессов.

Из-за нестационарности свойств биологических объектов в джо-ульметрических системах процесс получения информации, обработки данных и выдачи результатов ведется в реальном масштабе времени. В этой связи для описания биологических объектов применяются рекуррентные методы идентификации, основанные на последовательной обработке измеряемых входных и выходных данных. Они позволяют отслеживать изменения, происходящие в исследуемом объекте, непосредственно в процессе измерений при априорном использовании информации, содержащейся в наблюдаемых данных. Для оценки параметров линейных динамических моделей использовался рекуррентный метод наименьших квадратов. Оценка адекватности модели осуществлялась путем анализа ошибок прогнозирования (невязок). При использовании рекуррентных методов идентификации по результатам эксперимента соответствие модели биологического объекта в форме пространства состояний 5-го порядка реальному объекту составило 96,5 %.

Третья глава посвящена теоретической разработке методики стабилизации межэлектродного напряжения джоульметрического датчика.

Практика применения оптимальных систем управления показала, что системы, синтезированные по квадратичному критерию качества, являются чувствительными к параметрам модели реального объекта и характеристикам входных воздействий. Такие системы иногда теряют не только оптимальность, но и работоспособность в тех случаях, когда априорная информация об объекте и внешней среде известна не точно, а лишь с некоторой достоверностью, задаваемой классами неопределенности.

Основная идея синтеза робастного управления состоит в том, чтобы единственным регулятором обеспечить устойчивость замкнутой системы не только для номинального объекта, но и для любого объекта, принадлежащего к множеству «возмущенных» объектов, определяемых классом неопределенности.

В Нда-теории управления применяется другая форма представления объекта управления [см. выражение (8)], в которую вводятся обобщенный входной и обобщенный выходной векторы x(t) = A x(t) + В] w(t) + B2u(t), • z(t) = С! *(/) + D,! w(t) + D12 u{t) , XO = C2 x(t) + D21 tv(0 + D22 u(t).

При этом регулятор получается в форме наблюдателя: (xc(t) = Acx(t)c+Bcy(t); \u(t) = Ccxc(t),

где Ас, Вс, Сс - постоянные матрицы регулятора соответствующих размерностей (рисунок 3).

Задача синтеза Hoo-субоптимального регулятора состоит в нахождении того из допустимых регуляторов К«,, который минимизирует Ню-норму передаточной функции ||TW2| замкнутой системы (9):

(И)

(9)

(10)

Twz = А+[В, В2](1-где I - единичная матрица соответствующей размерности.

"Dil D12" Г1 "cf

Ü21 D22. .С2.

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления, замкнутая робастным регулятором

Нщ-субоптимальный регулятор для системы (9) будет гарантировать минимум Цт^, когда будут выполняться следующие условия:

1. ЗХоэ > 0 - решение обобщенного алгебраического уравнения Риккати управления

АТХ00+Х00А-Х00(В2В|-У_2В1В?,)Х00+С/,С1 = 0; (12)

2. ЗУда > 0 - решение обобщенного алгебраического уравнения Риккати фильтрации

АУ00+У00АТ-У00(С1С2-У-2С|С1)У00+В]В/'=0; (13)

3. Спектральный радиус р(Х(вУо0) < у2.

Параметры Нш-субоптимального регулятора будут определяться согласно выражениям

Асоо=А-В2В^00-а-у"2У00Х00)-1¥00с|+у-2В?'в1Х00, Всоо=(1-у"2У00Х00Г1У00С1, (14)

ССоо = -В^Хоо.

Алгоритм синтеза Н^-субоптимального регулятора включает 10 этапов:

1. Ввод матриц пространства состояний объекта управления А, В], В2, Сь С2 и точности г.

2. Задание начального значения р(Х00У00) = 0.

3. Ввод начального значения у.

4. Решение уравнения Риккати (12).

5. Решение уравнения Риккати (13).

6. Присвоение ро(Х00У00) = р(Х00Уоэ).

7. Вычисление нового значения спектрального радиуса рСХ^Уда).

8. Проверка выполнения неравенства р(Х00У00)<у'2. Если неравенство не выполняется, задание нового значения у больше предыдущего и переход к шагу 4.

9. Проверка выполнения неравенства |ро(Х00У00)-р(Х00Усо)|<8.

Если неравенство не выполняется, задание нового значения у меньше предыдущего и переход к шагу 4.

10. Вычисление постоянных матриц Н«,-субоптгшального регулятора согласно выражениям (14).

Для Нг-оптимального регулятора уравнения Риккати будут иметь вид

АтХ2 + Х2А-Х2В2В;[Х2+С1С?,=0; (15)

АУ2 + У2АТ-У2С|С2У2 + В1В[ =0. (16)

Задача синтеза Н2-регулятора состоит в нахождении того из допустимых регуляторов К2 для системы (9), который минимизирует Н2-норму передаточной функции замкнутой системы |ТИ,2||2. При этом

НЫ2 ЧМ2 +|РА II2 =||0сь2||2 +Цс,с^.

Параметры Н2-регулятора будут определяться согласно выражениям

Ас2=А+В2Р2+Ь2С2,

Вс2=У2С1, (17)

Сс2 = -В2Х2-

Алгоритм синтеза Н2-регулятора включает четыре этапа:

1. Ввод матриц пространства состояний объекта управления А, Вь В2, Сь С2.

2. Решение уравнения Риккати (15).

3. Решение уравнения Риккати (16).

4. Вычисление постоянных матриц Н2-регулятора согласно выражениям (17).

Как видно из алгоритма, синтез Ню-регулятора является более трудоемким в отличие от Н2-регулятора, так как имеет разветвленную структуру и не может быть определен фиксированным числом операций.

В четвертой главе с использованием построенной математической модели объекта управления (9) и алгоритмов синтеза робастных Н2- и Ноо-регуляторов, параметры которых определялись согласно формулам (14), (17), была решена задача проектирования Н2- и Ню-регуляторов, заданных в пространстве состояний в виде (10).

В результате моделирования системы управления, представленной на рисунке 4, в среде МаИаЬ/ЗтиПпк были получены реакции замкнутых систем по управляемой переменной и сигналы управления, формируемые соответствующими регуляторами, на различные виды внешнего возмущения (рисунки 5-7).

Как видно из графиков переходных процессов (см. рисунок 5), Н2-регулятор имеет худшую реакцию на детерминированный сигнал по сравнению с Ню-регулятором.

Реакция системы на возмущение в виде белого шума (см. рисунок 6) для обоих регуляторов отличается незначительно, однако по величине управления (см. рисунок 7) видно, что худшими показателями обладает Ню-регулятор.

Sigrul Buildcc

Signal I

Signal Builder)

С

4

1 „ * = Ах*Ви —

1 * у» Cx+Du

1 Object г*- +

Stjfe-spaee2

H_2 Controller

НИН

1

1 k * - Ак+Bu

1 * у» Cx*Du

Objectl StJte-$pace1

□

Scopel

dr

Scope2

Рисунок 4 - Схема моделирования системы управления, замкнутой Н2-и Ню-регуляторами, выполненная в среде МаНаЬ/БтиНпк

CQ

1-Г

Система, замкнутая Н2-рсгулятором

Система, замкнутая Н,я-регулятором

о 0.2 а4 0.s 0.3 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

.3

Time (Sec) к10

Рисунок 5 - Реакция системы на ступенчатое возмущение при нулевом задающем воздействии

0.04 0.03 0.02

m

В 0.01

S?

0 ■0 01 -0.02

■0.03

О 0 5 1 1.5 2 2.5 3 25 4 4.5 5

Time (Sec) „1о'э

Рисунок 6 - Реакция системы на внешнее воздействие в виде белого шума

0.4

0.3

0.2

01

ш „ 0

и и

О -0.1 ■0.2 ■аз

■0.4 ■0.5

О 0.5 1 1.5 2 15 3 3.5 4 4.5 5

Time (Sec) x1£J"3

Рисунок 7 - Графики управления при воздействии возмущения в виде белого шума

Обобщая результаты сравнительного моделирования, можно сделать вывод о том, что оба вида робастных регуляторов эффективно подавляют внешнее воздействие, однако Н2-регулятор целесообразнее применять при входном воздействии в виде белого шума, а Н„- субоптимальный регулятор - при детерминированном сигнале.

Далее приводятся результаты экспериментальных исследований свойств биологических жидкостей, костной ткани и тканей онкологически пораженных органов, полученные с помощью предложенного джоульметрического комбинированного метода с использованием робастного управления.

Измерялись значения работы, затрачиваемой током на изменение состояния исследуемых биообъектов, осуществлялись синхронная запись и оцифровка входного и выходного сигналов при каждом измерении, которые использовались в процедурах идентификации, и при получении характеризующих биологические жидкости параметров.

Для распознавания образов биообъектов в состоянии «норма» и «патология» использовались радиально-базисные нейронные сети. Оптимизация полученных признаков осуществлялась с помощью факторного анализа, позволяющего сократить количество полученных признаков посредством выделения главных компонент. Для обучения сети использовались данные, характеризующие биологические объекты с ярко выраженными признаками «нормы» и «патологии».

Исследования тканей онкологически пораженных органов проводились в хирургическом отделении областного онкологического диспансера. 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 здоровых участков 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 12 уровней тока, а для тканей желудка - 16 уровней. Вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса при этом составляет 95 %. На рисунке 8 представлены результаты исследования онкологически пораженных тканей желудка.

Норма Патология

а б

Рисунок 8 - Динамика общей работы тока, при движении джоульметрического датчика по тканям желудка от нормы к патологии (о); зависимость вероятности правильной классификации состояния тканей от количества энергетических уровней (б)

Исследования биологических жидкостей проводились в оторино-ларингологическом отделении областной клинической больницы им. Н. Н. Бурденко. Исследовались жидкости, отбираемые у больных гнойным гайморитом на протяжении периода лечения. Для исследований использовался четырехэлектродный датчик проточного типа.

В результате исследований было установлено, что при прогресси-ровании 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 с гнойным гайморитом и по оценкам джоульметрических параметров судить о его активности. При этом применение разработанных алгоритмов роба-стного управления позволило получить от 4 до 16 уровней тока в диапазоне 5... 180 мкА. Экспериментально установлено, что при классификации активности воспалительного процесса достаточно 12 энергетических уровней. Вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса при этом составляет 95 %.

Исследования костной ткани проводились в травматологическом отделении областной клинической больницы им. Н. Н. Бурденко. Данные были получены в результате исследования десяти 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 8 уровней тока в диапазоне 5... 150 мкА. Вероятность правильной классификации состояния костной ткани при этом составляет 97 %.

Обобщая результаты экспериментов, можно сделать вывод, что для различных типов биологических объектов увеличением количества уровней тока в диапазоне 5... 190 мкА достигается существенное увеличение вероятности правильной классификации состояния биологических объектов с 80 до 96 %. В связи с этим считается целесообразным применение комбинированного ступенчатого метода задания входных воздействий.

В приложении приводятся результаты моделирования, алгоритмы и программы синтеза регуляторов, результаты обработки экспериментальных данных, а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ электрических и электрохимических свойств различных типов биологических объектов. Определены их свойства в состоянии «норма» и «патология».

2. Разработаны математические модели, описывающие электрохимические свойства исследуемых биологических объектов. Определены устойчивые модельные структуры для их описания. Наиболее адекватно биологические объекты описывает модель в пространстве состояний пятого порядка (95 % совпадения выхода модели с измеренным сигналом).

3. Предложен модернизированный джоульметрический декомпозиционный метод со ступенчатым комбинированным способом зада-

ния входных токов различной амплитуды в диапазоне 5... 190 мкА, позволивший увеличить с 4 до 16 уровней тока и получить до 64 устойчивых признаков.

4. Разработаны алгоритмы синтеза робастных Н2- и Ню-регуляторов, позволяющие синтезировать регуляторы без участия пользователя непосредственно при проведении исследований. Результаты моделирования систем замкнутых Н2- и Нм-регуляторами, показали, что оба регулятора эффективно подавляют возмущения, возникающие в системе управления.

5. Разработана система обработки данных и управления, использующая модернизированный джоульметрический метод и позволяющая проводить исследования различных типов биологических объектов.

6. Результаты проведенных экспериментов показали целесообразность применения предложенного метода задания входных воздействий. В частности, для биологических жидкостей вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса увеличилась с 83 до 95 %, вероятность правильной классификации состояния костной ткани с 85 до 97 %, вероятности правильной классификации тканей онкологически пораженных органов с 77 до 95 %.

7. Разработанная система обработки данных и управления, использующая модернизированный джоульметрический метод, а также разработанные алгоритмы робастной стабилизации, реализованы в опытной партии приборов для оценки динамики воспалительных процессов, выпущенных ФГУП ПО «СТАРТ».

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

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

Публикации в других изданиях

2. Голотенков, Н. О. Формирование признаков для описания состояния биологических объектов в частотной области / Н. О. Голотенков, С. М. Геращенко, Н. Н. Янкина // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. [Под ред.: А. Н. Андреева, В. И. Вол-чихина]. - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2001. - С. 410-411.

3. Голотенков, Н. О. Оптимизация структуры линейных динамических моделей для описания биометрических объектов / Н. О. Голотенков, Н. Н. Янкина, С. М. Геращенко // Безопасность информационных технологий : тр. Науч.-техн. конф. - Т. 2 [Под ред.: В. И. Волчихина, С. Л. Зефирова, А. В. Иванова]. - Пенза : Изд-во Пенз. науч.-исслед. электротехн. ин-та, 2001. - С. 54-57.

4. Голотенков, Н. О. Обеспечение электробезопасности джоульметрического медицинского аппаратно-программного комплекса / Н. О. Голотенков, Н. Н. Янкина, С. М. Геращенко, Д. А. Толмачев // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. [Под ред.: А. Н. Андреева, В. И. Волчихина]. - Пенза : ИИЦ ПГУ, 2001. -С. 411-413.

5. Голотенков, Н. О. Формирователи входного воздействия в биометрических системах / Н. О. Голотенков, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко, Ф. Ш. Енгалычев // Тринадцатые научные чтения памяти академика Н. Н. Бурденко : материалы науч,-практ. конф. «Инфекционно-воспалительные заболевания и осложнения в клинической практике» - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2002. - С. 53-55.

6. Голотенков, Н. О. Использование робастных регуляторов в формирователях входного воздействия для биометрических систем / С. И. Геращенко, С. М. Геращенко, Н. О. Голотенков, Н. Н. Янкина // Труды научно-технической конференции «Безопасность информационных технологий». - Т. 3. Секция № 9 - Аутентификация: парольная, биометрическая, криптографическая. - Пенза, 2002. - С. 14-16.

7. Голотенков, Н. О. Применение рекуррентных методов идентификации в джо-ульметрических информационно-измерительных системах / Н. О. Голотенков // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2003» : сб. материалов XV науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов (май 2003) [Под ред. В. Н. Азарова]. - М.: МГИЭМ. - С. 64.

8. Голотенков, Н. О. Реализация ступенчатого комбинированного режима с применением робастной регулировки в джоульметрических системах // Н. О. Голотенков, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко // Вооружение, безопасность, конверсия : материалы конф. - Ч И. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - С. 162-170.

9. Голотенков, Н. О. Применение робастных контроллеров в джоульметрических системах с ионной селекцией по потенциалу / Н. О. Голотенков // Труды Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах». - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2007 - С. 115-119.

10. Пат. 2217049 1Ш С2, 7А61В5/053. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство для его осуществления / В. И. Волчихин, Ф. Ш. Енгалычев, С. М. Геращенко, С. В. Сергеев, Н. Н. Янкина, Н. О. Голотенков. -№2002102164/14,; дата начала действия патента: 23.01.2002; дата утверждения:

27.11.2003. Бюл. № 33.

11. Пат. 2224458 1Ш С2, А61В5/053. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство для его осуществления / В. И. Волчихин, Ф. Ш. Енгалычев, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко, А. В. Киреев, Н. О. Голотенков, - № 2002108201; дата начала действия патента: 01.04.2002, дата утверждения :

27.02.2004. Бюл. № 6.

Патенты РФ

Голотёнков Николай Олегович

Джоульметрические системы оценки состояния биологических объектов

Специальности: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения; 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (приборостроение)

Редактор Т. В. Веденеева Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор С. Н. Сухова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

ИД №06494 от 26.12.01

Сдано в производство 20.11.05. Формат 60x84'/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 668. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОПИСАНИЕ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Электрические и электрохимические свойства биологических объектов.

1.2. Импедансометрия.

1.3. Джоульметрический метод.

1.4. Типы датчиков используемых для исследования состояния биологических объектов.

Выводы по 1 главе.

2. РАЗРАБОТКА ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.

2.1 Методика оценки динамических свойств биологических объектов.

2.2 Методика оценки нелинейных статических свойств биологических объектов.

2.3 Идентификация линейных динамических и нелинейных динамических моделей.

2.4 Построение обобщенной структуры джоульметрической системы.

Выводы по 2 главе.

3. ПРИМЕНЕНИЕ РОБАСТНЫХ МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ В ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

3.1 Постановка задачи управления.

3.2 Построение Н - оптимального регулятора.

3.3 Построение Н00 — оптимального регулятора.

3.4 Построение анизотропных регуляторов.

Выводы по 3 главе.

4. РЕАЛИЗАЦИЯ КОМБИНИРОВАННОГО МЕТОДА ЗАДАНИЯ ВХОДНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РО-БАСТНОЙ РЕГУЛИРОВКИ В ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

4.1 Результаты моделирования биологических объектов и сравнительная оценка Н°° и Н2 регуляторов.

4.2 Аппаратно-программная реализация джоульметрического комбинированного метода.

4.3 Исследование воспалительных процессов.

4.4 Исследование костного регенерата.

4.5 Экспериментальное определение границ резекции онкологически пораженных органов.

Выводы по 4 главе.

Актуальность темы.

Электрохимическими свойствами обладают многие объекты окружающего нас пространства. При введении в них электродов система «электрод-среда-электрод» превращается в датчик, способный характеризовать свойства объекта. Одна из областей применения подобных систем связана с биомедицинскими исследованиями.

Гнойная инфекция является одной из самых сложных и актуальных проблем хирургии. Обширная статистика, приводимая в работах Б.А. Гулевско-го, H.H. Каншина 1989г., Л.Г. Заверзного, В.И. Никольского и др. подтверждает это. Например, летальность, вызванная гнойно-воспалительными осложнениями, составляет более 16 процентов от общего числа операций, проводимых во внутрибрюшной полости [1-6]. В этой связи актуальны разработки методов диагностики гнойной инфекции, поскольку возможность оценки активности воспалительного процесса позволяет оперативно составить прогноз и выбирать рациональную тактику терапии, основанную на проверке эффективности применяемых антибиотиков.

А.Ф. Калашником и соавторами, для прогнозирования активности нагноения ран предложен импедансный метод оценки состояния тканей в зоне расположения раны [7]. В работах А.П. Хачатряна и других ученых [8-12] доказана высокая эффективность импедансных методов оценки состояния отделяемого от раны секрета.

Другая немаловажная проблема связана с определением границ резекции органов, при удалении из них новообразований. По существующим методикам проведения подобных операций, вместе с опухолью удаляется либо весь пораженный орган, либо его часть, отстоящая от опухоли на определенном расстоянии. Такой подход не исключает возможности неполного удаления участков, способных воспроизводить опухоль, кроме того, вместе с опухолью удаляется значительная масса здоровой ткани. В настоящее время единственным и объективным методом, способным определить наличие или отсутствие раковых клеток в зоне резекции является гистология [13-15]. Она основана на микроскопическом исследовании препаратов, приготавливаемых из участков ткани оперируемого органа. Получение ее результатов требует существенных временных затрат и связанных с этим количественных ограничений проб. Поэтому применение гистологии для определения границы резекции является весьма проблематичным. Задача определения границ резекции органов во время операции в настоящее время не решена. Для решения этой задачи С.И. Геращенко был предложен джоульметрический метод [16-18].

Для исследования биологических объектов также могут применяться электрохимические методы [19-23]. Любая установка для их проведения состоит из двух частей: электрохимической ячейки и измерительной аппаратуры. Разнообразие имеющихся электрохимических методов определяется характеров решаемых задач, свойствами исследуемой среды и возможности измерительных методов.

Одна из особенностей электрохимических объектов связана с ионным типом проводимости [19-24]. При воздействии электрического тока в них возникают сложные процессы обмена энергии и массы, меняющие их структуру и параметры. Биологические объекты дополнительно характеризуются ответной реакцией на внешнее воздействие [25,26]. Это приводит к существенному изменению параметров, описывающих состояние объекта в процессе исследования и воспроизводимости получаемых данных от эксперимента к эксперименту.

В этой связи актуальны разработки методов контроля, способных учитывать указанные особенности.

Наиболее близкими для решения поставленных задач являются импе-дансные методы [20] и джоульметрия [17].

В импедансометрии исследуемый объект представлен схемой замещения, элементы которой определяются на основании оценки его частотных свойств. Однако отсутствие возможности представления информации о фа-радеевских процессах ограничивает количество информативных признаков при описании состояния биологических объектов. Так же ограничением метода является то, что получаемые модели объекта носят линейный характер.

В джоульметрии производится оценка значений работы, затрачиваемой внешним источником электрической энергии на перевод исследуемого объекта из одного состояния в другое. Эти значения позволяют определять параметры элементов эквивалентных схем замещения исследуемых объектов и могут выступать в качестве самостоятельных информативных признаков.

Целью диссертационной работы является увеличение количества информативных признаков джоульметрической системы.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Анализ биологических объектов, их электрических и электрохимических свойств. Исследование электрохимических свойств биологических объектов в состоянии «норма» и «патология».

2. Разработка математических моделей биологических объектов, адекватно описывающих их электрохимические свойства в состоянии «норма» и «патология».

3. Модернизация джоульметрического метода оценки состояния биологических объектов.

4. Разработка алгоритмов построения робастных регуляторов для джо-ульметрических систем.

5. Разработка системы обработки данных и управления, использующей модернизированный джоульметрический метод.

6. Экспериментальная оценка эффективности предложенного модернизированного джоульметрического метода.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического анализа линейных и нелинейных динамических систем, теория идентификации, теория матриц, теория автоматического управления, Н00 -теория, электрохимические методы анализа, математическое моделирование.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели биологических объектов, описывающие их электрохимические свойства в состоянии «норма» и «патология», позволяющие адекватно описывать их состояние в широком динамическом диапазоне рабочих токов.

2. Предложен джоульметрический декомпозиционный метод со ступенчатым комбинированным способом задания входных токов, позволивший повысить воспроизводимость результатов и расширить признаковое пространство.

3. Разработаны алгоритмы настройки робастных регуляторов для джо-ульметрических измерительных систем, позволяющие автоматически синтезировать регуляторы без участия пользователя.

4. Разработана структура джоульметрической системы для контроля состояния биологического объекта, позволяющая получать более 64 некоррелированных параметров.

Практическая значимость;

Полученные в диссертационной работе теоретические и практические результаты обеспечивают возможность создания нового класса приборов медицинского назначения для оценки состояния биологических объектов.

Реализация и внедрение результатов.

1. Методика оценки состояния костного регенерата — Пензенская областная больница им. Н. Н. Бурденко.

2. Прибор для оценки динамики воспалительных процессов -ФГУП ПО «СТАРТ».

3. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедрах: «Медицинские приборы и оборудование» и «Автономные информационные и управляющие системы» ГОУВПО «Пензенский государственный университет».

На защиту выносятся:

1. Джоульметрический декомпозиционный метод задания комбинированным способом входных токов различной амплитуды.

2. Математические модели биологических объектов, позволяющие адекватно описывать их состояние в широком динамическом диапазоне рабочих токов.

3. Структура джоульметрической системы, использующая робастное управление при комбинированном задании входных воздействий.

4. Результаты экспериментальных исследований свойств биологических жидкостей, костного регенерата, тканей желудка и почки в состоянии «норма» и «патология».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2001, 2002); Научно-технической конференции «Безопасность информационных технологий» (Пенза, 2002); XI Международном симпозиуме «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системе медико-экологической безопасности» (Испания, Коста Дуарда, 2002); XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Крым, 2003); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» «Вооружение, безопасность, конверсия» (Пенза, 2003); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 9 статей и 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста, включая 65 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список использованной литературы содержит 109 источников.

• Результаты исследования биологических объектов с использованием комплексов «ДИВО» и «Грань» подтвердили целесообразность применения предложенного метода задания входных воздействий. В частности для биологических жидкостей вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса увеличилась с 83 до 95 %, вероятность правильной классификации состояния костной ткани с 85 до 97 %, вероятность правильной классификации тканёй онкологически пораженных органов с 77 до 95 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ электрических и электрохимических свойств различных типов биологических объектов. Определены их свойства в состоянии «норма» и «патология».

2. Разработаны математические модели, описывающие электрохимические свойства исследуемых биологических объектов. Определены устойчивые модельные структуры для их описания. Наиболее адекватно биологические объекты описывает модель представленная в форме пространства состояний.

3. Предложен модернизированный джоульметрический декомпозиционный метод со ступенчатым комбинированным способом задания входных токов различной амплитуды в диапазоне 5. 190 мкА, позволивший увеличить с 4 до 16 уровней тока и получить до 64 устойчивых признаков.

4. Разработаны алгоритмы синтеза робастных Н2- и Нда-регуляторов, позволяющие синтезировать регуляторы без участия пользователя непосредственно при проведении исследований. Результаты моделирования систем замкнутых Н2- и Ноо-регуляторами, показали, что оба регулятора эффективно подавляют возмущения, возникающие в системе управления.

5. Разработана система обработки данных и управления, использующая модернизированный джоульметрический метод и позволяющая проводить исследования различных типов биологических объектов.

6. Результаты проведенных экспериментов показали целесообразность применения предложенного метода задания входных воздействий. В частности для биологических жидкостей вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса увеличилась с 83 до 95 %, вероятность правильной классификации состояния костной ткани с 85 до 97 %, вероятности правильной классификации тканей онкологически пораженных органов с 77 до 95 %.

7. Разработанная система обработки данных и управления, использующая модернизированный джоульметрический метод, а также разработанные алгоритмы робастной стабилизации, реализованы в опытной партии приборов для оценки динамики воспалительных процессов, выпущенных ФГУП ПО «СТАРТ».

1. Алиев С.А. Диагностика и лечение поддиафрагмальных абсцессов// Хирургия, 1991 г. - №3 с.47-492.

2. Гулевский Б.А., Слепуха А.Г., Казакова Е.Е., Слепушкина А.И. Послеоперационные поддиафрагмальные абсцессы и их лечение // Вестник хирургии, 1988 г. - № 10 т. 141 с. 102-157.

3. Заверзный Л. Г. Частота и диагностика внутрибрюшных абсцессов в раннем послеоперационном периоде / Л. Г. Заверзный, А. И. Пойда,

4. B.М. Мельник//Вестник хирургии, 1993.-Т. 150.-№ 3-4. С. 131-136.

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

6. Никольский В. И. Абсцессы живота / В. И. Никольский, А. Ю. Сапожков. — Пенза, 1994. — 204 с.

7. Тюкаркин М.Ю., Бабыкин В.В., Зезин В.П. Диагностическая и лечебная лапароскопия при осложнениях после операций на органах брюшной полости // Клиническая хирургия 1989 г. № 1 с.58-63.

8. Калашник А. Ф. Прогнозирование гнойных осложнений послеоперационных ран / А. Ф. Калашник, А. Я. Кульберг, A.M. Бартова, И.Ф. Биляк // Сов. медицина. — 1983. — № 2. — С. 22—25.

9. Хачатрян А.П. Клинико-патофизиологические аспекты электроим-педансометрии: Дис. докт. мед. наук в форме научного доклада. //-Томск, 1992.-51с.

10. Хачатрян А. П. Прогнозирование острого гнойного лактационного мастита методом электроимпедансометрии / А. П. Хачатрян, Ю. В. Торнуев, Р. Г. Хачатрян // Вестник хирургии, 1990. — Т. 144. — № 6.1. C. 31—33.

11. Пискунов С.З. Диагностика и лечение воспалительных процессов слизистой оболочки полости носа и околоносовых пазух. // Изд-во Воронежского ун-та, 1991.-С.48-63.

12. П.Преображенская Т.Н. К электрофизиологической характеристике слизистой оболочки носовой полости человека в норме и патологии // В кн.: Вопросы физиологии в оториноларингологии (под ред. В.Ф.Ундрица). JL: Медгиз, 1996.-С.102-110.

13. Хасцаев Б. Д. Импедансный метод в медико-биологических исследованиях и его приборное оснащение // Медицинская техника.-1996.-№3.-С.34-40.

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

15. Шанин А.П. Диагностика и лечение злокачественных опухолей кожи. Л., "Медгиз". 1957. - 166 с.

16. Цветкова Г.М., Мордовцев В.Н. Патоморфологическая диагностика заболеваний кожи,- М.: Медицина, 1986. 304 с.

17. Геращенко С.И. Джоульметрия и джоульметрические системы: теория и приложение: монография. — Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2000.-192 с.

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

19. Плэмбек Дж. Электрохимические методы анализа. / Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 496 с.

20. Классификация и номенклатура электрохимических методов //Журн. аналит. химии. 1978. Т. 33, вып. 8. С. 1647—1665.

21. Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1964. Том 1. А-Е. 758 с.

22. Compendium of Analytical Nomenclature (Definitive Rules 1997). 3rd ed., IUPAC, Blackwell Science, 1998. 8.1-8.51 (Electrochemical Analysis).

23. Богоцкий B.C. Основы электрохимии. — M.: Химия 1988.-400с.

24. Дамаскин Б.Б., Принципы современных методов изучения электрохимических реакций, М., 1965

25. Баньков В.И. Формирование ответного сигнала центральной нервной системы на действие модулированного электромагнитного поля / Вестник УрГМИ, Екатеринбург, изд-во УрГМИ,1995, с.12-21.

26. Баньков В.И., Макарова Н.П., Николаев Э.К. Низкочастотные импульсные сложномодулированные электромагнитные поля в медицине и биологии (экспериментальные исследования). Екатеринбург.: Изд-во Урал. Ун-та, 1992. 100 с.

27. Сергиенко Т.М. Методика проведения раздельной импедансомет-рии мозга и биообъектов // Вопросы нейрохирургии им. Бурденко.-1989.-Вып.З-С.47-48.

28. Мазор Л. Методы органического анализа: Пер с англ. М.: Мир, 1986.—584с.

29. Кисловский Л.Д. Реакции живых систем на слабые адекватные им воздействия М.: Наука, т.2,1984.

30. Меркулова Л.М., Холодов Ю.А. Реакция возбудимых тканей организма на импульсные магнитные поля. Чебоксары: Изд-во Чув. Ун-та, 1996.

31. Электрический импеданс биологических тканей. Ю. В. Торнуев, Р. Г. Хачатрян, А. П. Хачатрян. М.: ВЗПИ., 1990. - 153 с.

32. Феттер К. Электрохимическая кинетика. — М.: Химия, 1967. — 856 с

33. Чане Б. Перенос электронов в биологических системах. — В кн.: Электроние и кибернетика в биологии и медицине. М.: Изд-во иностр. лит., 1963.

34. Глазов В.М., Павлова JLM. Химическая термодинамика и фазовые равновесия. М: Металлургия, 1988. - 560 с

35. Дональдсон П. Электронные приборы в биологии и медицине. Изд.иностранной литературы. М., 1963.

36. Чизмаджев Ю. А., Айтьян С. X. Ионный транспорт через селективные каналы биологических мембран.— Итоги науки и техники. Сер. Биофизика мембран. Т. 2. Ионные каналы и их модели. М.: ВИНИТИ, 1982, с. 5-81.

37. Варфоломеев С.Д., Наки А., Березин И.В. Кинетика реакций в полиферментных системах. 3. Электротранспортные процессы. Молекуляр. Биология. 1977, т. 11, №5.

38. Маркин B.C., Чизмаджев Ю.А. Индуцированный ионный транспорт. М.: Наука, 1974. 232с.

39. Беркинблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 288с.

40. Коль К. С., Ионная электропроводность нервов, пер. с англ., в сборнике: Процессы регулирования в биологии, М., 1960

41. Цветков A.A. Исследование биоимпедансного метода и разработка аппаратуры для измерения региональных объемов жидкости и кровотока у человека. //Автореф.дисс. .канд.техн.наук. 1985. - 24 с.

42. Захаров М. С. Хронопотенциометрия / М. С. Захаров, В. И. Баканов, В. В. Пнев — М.: Химия, 1978. — 200 с.

43. Федорова В.Н., Степанова JLA. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. М.: Физматлит. 2005. — 624 с.

44. Gruzelier, J. D., Liddiard, D. Impedance measurements of individual skin surface electrodes. Med. & Biol. Eng. & Сотр., 1983. 750-755.

45. Орлов Ю. И. Электрические измерения параметров биообъектов и биопроб: уч. Пособие по курсу «Биомедицинские измерения». — М.: МГТУ, 1989.-37 с.

46. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. Киев: Наук. Думка, 1990. - 224 с.

47. Буреш Я. Электрофизиологические методы исследования. М.: Медиина, 1973.- 172с.

48. Семенов Н. В. Биохимические компоненты и константы жидких сред и тканей человека. —М.: Медицина, 1971. — 152 с.

49. Геращенко С. И. Нелинейные модели в процедурах идентификации биологических объектов // Международный симпозиум «Надежность и качество — 99»: Сб. докл. — Пенза, 1999. — С. 504—507.

50. Fricke Н. The electric conductivity and capacity disperse systems. Physics, 1932, Vol.1, 106-115.

51. Иванов Г.Г., Николаев Д.В., Балуев Э.П., Закс И.О., Ивлева В.В., Мещеряков Г.Н., Кравченко Н.Р. Метод биоимпедансной спектроскопии в оценке общей воды и внеклеточной жидкости. М. Новости науки техники, серия МЕДИЦИНА, №3, 1997, С.28 33

52. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я Медицинская и биологическая физика. М.: Изд-во "Дрофа", 2005.-558с.

53. Шалимов А.А., Пекарский Д.Е., Чижик О.П. Терапия нарушений водно-солевого равновесия. Киев, Здоровье, 1970, С.6;

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

55. Геращенко С.И. Джоульметрический метод контроля параметров электрохимических ячеек // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. Вып. 18. — С. 100-104.

56. Б.Б.Дамаскин, О.А.Петрий, «Введение в электрохимическую кинетику», Издательство «Высшая школа», М., 1983 г.

57. А.Н.Фрумкин, В.С.Багоцкий, З.А.Иофа, Б.Н.Кабанов, «Кинетика электродных процессов», издательство МГУ, 1952 г.

58. П.Делахей, «Двойной слой и кинетика электродных процессов», издательство «Мир», М., 1967 г.

59. Геращенок С.И., Волчихин В.И. Информационные признаки джо-ульметрических систем и приборов. // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. науч. тр. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000.-Вып. 10.-С.163-170.

60. Геращенко С.И. Принципы построения джоульметрических систем. // Новые технологии и системы обработки информации и управления: Сб. науч. тр. Пенза: ПТУ, 1998.-вып. 1. - С. 109-116.

61. Геращенко С.И. Джоульметрический метод оценки спектрально-энергетических характеристик абсцессов / С. И. Геращенко, В. И. Никольский, В. И. Волчихин // Новые промышленные технологии. — М., 1995. — Вып. 5 (271) — С. 83 — 86.

62. Пат. 2123184 РФ, МКИ в 01 N 33/48. Устройство для диагностики состояния биологических объектов / С. И. Геращенко, В. И. Никольский, В. И. Волчихин, С. С. Деревянкин (РФ). — № 96123654/14; Заявл. 14.12.96; Опубл. 10.12.98; Бюл. № 34.

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

64. Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. JI. '.Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1981. -312с.

65. Каттрал Роберт В. Химические сенсоры. — М. : Научный мир, 2000.- 144 с.

66. Корыта И., Штулик К. Ионоселективные электроды.— М.: Мир, 1989. —272 с.

67. Kollbr I. On Frequency Domain Identification of Linear Systems // IEEE Trans on Instrumentation and Measurement. — Feb. 1993. — Vol. 42. — No. 1.1. P. 2—6.

68. 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.

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

70. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие для вузов по спец. "Автоматика и упр. в техн. системах". М.: Высш. шк., 1989.-263 с.

71. Геращенко С.И., Янкина H.H. Типы регрессионных моделей используемых при идентификации биологических объектов // Тринадцатые научные чтения памяти Академика H.H. Бурденко: Материалы научно-практической конференции. Пенза: ИИЦ ПГУ, 2002. - С. 57 — 58.

72. Schoukens J. Identification of Linear Systems: A Practical Guideline for Accurate Modeling / J. Schoukens, R. Pintelon. — London: Pergamon Press, 1991.

73. Delbaen F. Optimizing the Determinant of a Positive Definite Matrix: Bulletin So-citi Mathimatique de Belgique — Tijdschrift Belgisch Wiskundig Genootschap. — Vol. 42. — No. 3. — P. 333—346.

74. Геращенко С. И. Особенности идентификации биологических объектов методом белого шума // Международный симпозиум «Надежность и качество — 99»: Сб. докл. — Пенза, 1999. — С. 502—504

75. Попков Ю.С. Идентификация и оптимизация нелинейных систем / Ю.С. Попков, О.Н. Киселев, Н.П. Петров и др. — М.: Энергия, 1976. — 440 с.

76. Пупков К.А. Функциональные ряды в теории нелинейных систем / К.А. Пупков, В.В. Капалин, А.С.Яценко. — М.: Наука, 1976. — 448 с.

77. Геращенко С. И. Нелинейные модели в процедурах идентификации биологических объектов // Международный симпозиум «Надежность и качество — 99»: Сб. докл. — Пенза, 1999. — С. 504—507.

78. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов. М.: Энергия, 1979. 240 с.

79. Marmarelis Vasilis Z. Advanced methods of physiological system modeling. V. 3. New York: "Plenum Press", 1994. P.29-53.

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

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

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

83. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления (оценка параметров и состояния) М.: Мир, 1975. 683 с.

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

85. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем.- М.: Наука, 1977. 560 с.

86. Справочник по теории автоматического управления /Под ред. А.А. Красовского. М.: Физматлит, 1987. 712 с.

87. Ljung L. System Identification Theory for the User. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ. 2nd edition, 1999.

88. Ljung L. System Identification Toolbox User's Guide. Computation. Visualization. Programming. Version 5. The Math Works, Inc., 2000.

89. 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.

90. Soderstorm Т., Ljung L. Theoretical Analysis of Recursive Identification Methods//Automatica.- 1978.-Vol. 14.- P. 231-244.

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

92. Голотенков H.O. Комбинированный джоульметрический метод на базе робастных регуляторов / Н.О. Голотенков, С.М Геращенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Пенза.-2008. 1.-С. 105-112.

93. Позняк А.С. Основы робастного управления (Н- теория). М.: МФТИ, 1991 -128 с.

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

95. Исии Т., Симояма И, Иноуи X. Мехатроника М.: Мир, 1988. 318 с.

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

97. 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.

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

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

100. State-spase solution to standart Ha 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.

101. Конструирование робастных систем управления с использованием методов Н°°- оптимизации. М.: ГосНИИ АС, 1991.

102. Francis В.А. A course in Н°°- control theory. New York: Springer Veriag, 1987.

103. Doyle J. C. State space solution to standard H2 and H00 control problems / J. C. Doyle, K. Glover, P. Khargonekar, B. Francis // IEEE Trans, on automatic control. — August, 1989. — P. 832—847.

104. Safonov M. G. FT control synthesis for a large space structure / M. G. Safonov, R. Y. Chiang , H. Flashner // AIAA J. Guidance control and dynamics. — 1991. — P. 513—520.

105. Zhou K., Doyle J., Glover K., Robust and optional control. NJ, Prentice-Hall, 1995.

106. Khargonekar P.P., Rotea M.A. Mixed H2/!!™ -control: a convex optimization approach // IEEE Trans, on automatic control, vol. 36, №7, pp. 824-837, 1991.

107. Рисунок 1 Измеренный выходной сигнал и выходы моделей для описания тканей желудка в состоянии норма, при воздействии тока 1=90 мкА.