автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электроманометрическое устройство одновременного измерения биоэлектрических и биомеханических параметров для системы управления функциональным состоянием органов пищеварения

На правах-рукг0^си

2 2 СЕК Ш

Протасеьич Валерий Леонидович

ЭЛЕКТРОМА НОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФУ НКЦИОНАЛЬНЫМ СОСТОЯНИЕМ ОРГАНОВ ПИЩЕВАРЕНИЯ

Спе1шальпос1ь: 05.13.05 - Элемент и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2000

Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте).

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор Авдеев В.П.,

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Никитенко Н.Ф.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Попов Н.й.

Ведущая организация: Государственный научный центр колопроктологии (г. Москва)

Защита состоится «22 » декабря 2000 г. в 30 ч. на заседании диссертационного Совета Д.063.30.04 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

доктор технических наук, профессор Фандеев Е.И.

Автореферат разослан «¿тбо

»

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к. г.н

Совета, к.т.11/^^лИванченко АН.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальное! ь раоты. В последние десятилетия наблюдается рост количества заболеваний желудочно-кишечного" тракта (ЖКТ),.. Патология органов пищеварения занимает второе место после заболеваний сердечно-сос\ дисгой системы. (Сак показы-, вает анализ, ло 78 % всех заболеваний обусловлено нарушешгем функционально! о состояния (ФС), которое определяется чоюрно-звакуагорным процессом (МЭИ), иротекакшнм в структуре укачанных органов. Наряду с этим отмечается отставание в развитии технических средств, позволяющих проводить оценку состояния ЖКТ.

Ллгт-гч существующих способов исследования ФС т>ну триполос гных органе!) пищеварте.тьного фнкы покачал, ню ни один из чтих способов не отвечает в полной мере совокупности предъявляемых к ним греоссатпги. Чаше всего комплексно применяют два и более методов, усложняя диагностические мероприятия при незначшелыюм повышении их точности.

В связи с этим становится актуальной задача разработки методов и аппаратных средств, а также повышен!« их точности для изучения не только качественных, но и количественных характеристик МЭП внуфинолоетных органов. Эффективным путем ее решения является создание системы управления функциональным состоянием органов шшхеварення. включающей ушройсим акптеного контроля (гараметров полого органа. Такой контроль рационально производить, измеряя параметры органов под действием различных ¡еоюп. Это но ¡воли ( по данным об исходном Сосшяшш объекта и полученным при тес юных воздействиях (например, механических, злектрическнх, физиологических фармаколО! ннеских ы др.) осуществлять комплексную оценку ФС. Однако реализация данной системы возможна лишь при создании специализированных технических средств, обеспечивающих измерение нара-мефон могорно-эвакуа горной функции.

Цель н шачн исследовании. Целью работы является повышение достоверности данных о функциональном состоянии органов пищеварительного тракта и эффективности лечения патологических процессов путем создания комплекса технических средств, реализующего в реальном масштабе времени совместный способ измерения нарамаров моторно-звакчазорной функции для автоматизированной системы управления состоянием полых органов ЖК 1.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен комплекс эксдернменталзьно-аналитинеемк исследований органов пищеварительного тракта как обьекта управления. Определены цели, чадячи и основные функции системы управления состоянием МЭП, а также сформулированы метрологические и технические требования к средствам, работающим в составе этой системы.

2. Выполнены анализ и классификация существующих меюдов исследования функционального состояния органов ЖКТ и реализующих их технических средств на основе единого -мешдологическо! о подхода, определяемого требованиями системы управления.

3. Разработан новый способ одновременного измерения манометрических и миоэлектрических показателей внутриполоетных органов пищеварительного тракта, основанный на введении измерительных электродов, расположенных на баллоне, в полость органа, и обеспечении их надежного контакта со слизистой оболочкой путем создания избыточного давления в баллоне.

4. Разработаны математические модели первичных преобразователей электроманометрического устройства для системы управления функциональным состоянием полых органов ЖКТ.

5. Разработана методика расчета баллонометрического преобразователя внутри-полостного давления, основанная на полученной экспериментально-аналитической зависимости, связывающей величины, характеризующие контролируемый объект, с искомыми режимно-конструктивными особенностями первичного преобразователя.

6. Определены, исследованы и классифицированы типы шумов и помех, искажающих результаты измерения миоэлектрической активности органов ЖКТ и существенно дополненных не рассматривавшимися ранее помехами, обусловленными ин-вазивньш способом наложения измерительных электродов на контролируемый орган.

7. Создан и апробирован комплекс технических средств, реализующий указанный способ контроля параметров МЭП в составе системы управления ФС органов пищеварения.

8. Выполнены экспериментальные исследования для подтверждения адекватности предложенных математических описаний реальным объектам и уточнения параметров измерителей манометрических и биоэлектрических показателей, а также определена область практической применимости полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

• модели процессов, протекающих в структуре ортана пищеварения;

• новый способ совместного измерения манометрических и миоэлектрических показателей внутриполоетных органов системы пищеварения;

• комплекс технических средств, включающий электроманометрическое устройство одновременного контроля параметров полых органов ЖКТ;

• экспериментально-аналитические описания разработанных устройств, положенные в основу расчета статических и динамических характеристик манометрического и биоэлектрического измерительных каналов;

• алгоритм работы созданного измерительного комплекса в структуре системы управления ФС органов пищеварительного тракта.

Научная новизна работы заключаемся в следующем:

1. Предложенный способ одновременного измерения манометрических и мио-длектрических показателей внугрнполостных органов пищеварительного тракта впервые ооеепечмвае! комплексное"исследование.моюрно-звакуаюрною процесса, чю позволяет сущес¡пенно повысить достоверность информации о функциональном со-_ стоянии органов Ж КГ и помехозащищенность измершельиыл каналов.

2. Оригинальность математических молелен первичных преобразователей электро-манометрнческо! о устройства системы управления ФС полых органов пищеварения заключается в том. что они учитывают основные коордннаш. входящие с модель измерительного канала, дают возможность исследовать динамику преобразователей при различных начальных условиях и выбирав оптимальные параметры создаваемых технических средств контроля показателей МЭП еще на стадии их проектирования.

3. Разработанная методика расчета баллономегрического преобразователя внуфи-полостного давления дает возможность рассчитать параметры измерительного баллона в соответствии с анатомо-физиологическими характеристиками конкретного полого органа пищеварительного тракта при условии минимизации погрешности измерения.

4. Впервые полученные динамическая модель внутриполостного органа, учиты-влюшаа взакмоснизн выходных параметром с управляющими воздействиями, и алгоритмы работ комплекса тех'ннческич средств позволили обеспечить фуикшгониро-вание системы управления состоянием полых органов пншевареимя.

Пракч нческа» ценноегь.

1 Разработаны принципы технической реализации способа совместного измерения манометрических и мяозлектрических показателей внугриполостиых органов пищеварительного тракта, повышающею доеюверность результатов исследог.ания м счс! соимеетного измерения внутриполостного давления и биошэенциалов, которое осуществляется введением измерительных электродов непосредственно в полость исследуемого органа, стабилизацией давления и монет измерения биопотенциалов и переключением измерительных каналов, и обеспечивающего помехоусюдчнвскгь полезного сигнала при ретистрации биоэлектрической активности.

2. Создан и испытан п клинических условиях комплекс технических средств, pea т и чующий предложенный метод одновременною конп;оля параметров биомеха-ническнх и биоэлектрических процессов чотортто-эвакуаторной функции органов гапиеварительного тракта.

?>. Даны и обоснованы рекомендации по выбору основных режимно - констру к-тивных параметров первичных преобразователей внутриполостного давления и биопотенциалов исходя из условий минимизации погрешности измерения и улучшения динамических свойств технических средств контроля.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской конференции-выставке вузов «Товары народного потреблении» (V. Нижшш Новгород, 1993); Международной научно-техшпеской конференции «Автоматизация биотехнических систем в условиях рыночной экономики и конверсии» (г. Москва, 1994), Всероссийском совещании «Пневмоавтоматика» (г. Москва, 1996); научно-технической конференции студентов и аспирантов НГТУ (г. Новочеркасск, 1996); Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (т. Новомосковск, 1997); Всероссийской научной конференции «Ак1уальные проблемы хирургии» (г. Ростов-на-Дону, 1999); ежегодных конференциях преподавателъеко - профессорского состава ЮР1 "ГУ (т. Новочеркасск, 1997, 1999, 2000); Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (т. Санкт-Петербург, 2000); Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерения, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей и тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 151 наименования и приложений. Она содержит 222 страницы машинописного текста, включающего рисунки и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые автором на защиту.

Первая глава «Внутршюмспшые органы желудочно-кишечном тракта как объект контроля и управления. Обзор способов оценки их состояния и постановка задач не-спедотчпя» посвящена анализу полых органов ЖКТ как единого с5х>с1сТи контроля и управления и описанию основных процессов, протекающих в них. Рассмотрены способы и средства исследования и оценки деятельности этих органов. Поставлены задачи повышения качества проводимых измерений и определены пути их решения.

Пищеварительный тракт является сложной биологической системой, все отделы которой взаимосвязаны, хотя и разнятся по условиям протекания физиологических и химических процессов, по составу компонентов, способам переработки и эвакуации пищи. С точки зрения объекта исследования функциональной сохранности ЖКТ упрошенную патофизиологическую модель пищеварительного тракта можно представить в виде последовательно соединенной через клапанный механизм совокупности "проходных" органов (емкостей), имеющих сходные признаки: полую (замкнутую сфинк-

терным аппаратом) структуру; эластичные стенки, способные к перистальтике; избыточное (внутрииросветное) давление н собственный химизм.

~Рассмотрение.процесса шнневарения показывает, что для каждого отдела или совокупности органон шнцеваригсльниГо" тракта-н-той или иной мере присуши биохимическая, механическая, всасывающая и нервно-мышечная деятельность. Биохимическая функция в наибольшей степени характерна для желудка и является самой изученной из всех физиологических процессов пищеварения. Функциональные методы оценки секреции с номошыо рП - метрик и наличие лабораторных методов оценки впутрюкелудочной кислотности обеспечивают получение достаточно адекватной характеристик!; химических процессов пищеварения. Менее изучены и более протно-речивы биомеханические аспекты этих процессов. Механика ЖКТ складывается из моторно-эвакуаторной деятельности органов совмести с зппирательиым аппаратом и нервно-мышечной деятельности, характеризующейся биоэлектрическими процессами в мышечных тканях органов системы пищеварения. Таким образом, могорно-эвакуаторный процесс является проявлением двух функций:

• биомеханической, обеспечивающей измельчение пищевой массы и передвижение ее по всему пищеварительному тракту, начиная с пищевода й заканчивая аноректальиой иблдс 1 ью. и характеризующейся градиентом давления мезвду различными отделами ЖКТ;

* бнотлекцжчеекои. синхронидарующей сократительные процессы к мышцах внутрипотостых органов различной анатомической структуры.

В результате обзора н анализа способов оценки ФС. используемых в настоящее время, установлено, что наибольшее распространение ,тля исследования биомеханической функции получил баллонометрический метод. Сущность сто заключается в том. что в просвет органа вводится баллон, закрепленный на катетере для подключения к регистрирующей аппаратуре. Однако на величину выходного сигнала влияет не только сила сокращения сш мен та исследуемого органа, но и размеры, форма и материал баллона, а также анатомо-фн.шолотичсскис- особенности контролируемого органа.

Изучение биоэлектрических характеристик осуществляется с использованием пзкожной и прямой электромиотрафкн. При накожном методе электроды в зависимости оI схемы подключения накладываются либо на удаленные точки (конечности) тела человека, лкос поверхность Орюишон полости в ооллегь ттроемптн нсслеяуемиго ор|ани. Сигнал, получаемый такттм образом, подвержен существенному искажению из-за различных помех, что обуславливает значительные (до 50-60%) потери полезной информации. Прямая электромиография, напрели!, дает белее достоверные данные и лишена недостатков, коюрые присущи накожной, но основной причиной, сдерживающей ее широкое использование, является необходимость прямого доступа к исследуемому органу, что возможно лишь в интраоперационных условиях.

Обзор и сравнение способов измерения параметров МЭФ и возможных схемотехнически решений позволил разработать структурную схему автоматизированной системы контроля и управления функциональным состоянием полых органов, представленную на рис. 1. В нее входят объект контроля и управления, а также блоки: измерения параметров моторно-эвакуаторной функции; исследования исходною состояния объекта (система циклического действия); выбора управляющего воздействия на этапе принятия решения и исследования состояния после нанесенного воздействия (система длительного непрерывного действия). Анализ основных элементов этой системы показал, что реализовать ее возможно при наличии устройства одновременного измерения биоэлектрических и биомеханических параметров моторно-эвакуаторного процесса внутршюлостных органов пищеварительного тракта.

К такому устройству системой управления предъявляется ряд требований. Оно должно: содержать первичный преобразователь с конструктивными параметрами, соответствующими анатомо-физиологическим особенностям конкретного контроли-

Управляющие воздействия

Л

лзи

Данные предварительных

(МШЬ^МЫШЦ

Заключение о функциональной сохранности

Выбор метода лечения

Оценка исходного состояния

Этап принятия решений

Рис. 1. Структурная схема системы управления ФС органов ЖКТ руемого органа; обеспечивать одновременное измерите двух параметров, характеризующих моторно-эвакуаторный процесс; учитывать медико-технические требования к медицинской аппаратуре, основными из которых являются атравматичность первич-

пых преооразователеи и их электробезопасность; ооеспечить полосу пропускания сигнала по измерительному каналу биопотенциалов с "частотой 0,01-0,2 Гц; обладать "повышенной, помехозащищенностью для измерения миоэлектрической активности (потери полегший сигнала не дилжмы превышать 20_%_oi значений сигнала, счхнвет-ствующето прямой элекфомиофафин). Кроме юго. как показало исследование час-юшых свойств изменения внутриполостного давления, шлрешносчь измерения по манометрическому каналу не должна прсвынкпь 2,5 а диапазон амплитудных значении peí не фируемых сш налов биопотенциалов и давления должны С0С1авля1ь соответственно 20..5О0 мкВ и 0.. 1000 мм вод. ст.: время переходных процессов, протекающих R измерительных.каналах, не должно превышать з с.

Во «порой глине «Разработка эдешпромсточетрического устройства оопо-времеи/юги измерений манометрических и Сто ¡лекшричестк noKUJdim'.teii « полом органе пищеварительного тракта» рассмотрены этапы создания электроманометрического устройства одновременного измерения манометрических и биоэлектрических показателей в органе ЖКТ.

В результате исследования системы «поверхность органа-первичный преобразователь» определена группа факторов, влияющих на информативный сигнал. Установлено, что Ьиомеханические процессы являются совокупностью нескольких компонентов. тоническою, сегментарной"», нерискиыического и фансмурального. Ниже приведены впервые полученные уравнения, описывающие указанные комноисшы МЭИ.

Í

¡ Р]1Ш(Г)-0,5-а() + viaK ■ cos(k2sfTOHt) + bk ■ sin(k2jrfTOIIt)];

jiP 0,5-п., + У[пк •cos(k2^t'ccrt) + m¡, • кт(к2л£СС1Д,|]

РС«(0=;"

Рвдр(0:

Ui

Рсег P if 0 otherwise

P >5

11' 0,5-c0 + I[ck • cos(k27íf[Tcní} + bin(!v2rfnq,t)] k=l _

0 otherwise

где a<j

«V К-.

io, m,

со,

+ • со?(к2лГтрХ) -M K -Kjr.íkJnñptJJ.

k=l

dK. x<¡, xK. vK - коэффициенты гармонически о ряда; частота имнх.тьсов компонент МЭП.

номер гармоники; Гс<т, Гпср, ^

Обработка данных экспериментов, проверка па зиа'пшость коэффшшешов уравнения регрессии и адекватности модели позволили установить следующую зависимость:

где Уб, Vopr - обьем измерительного баллона и органа; Р0[», Р„,ч - давление, создаваемое на стснку баллона и на выходе измерительного канала; Еор|, Etl - модуль упругости стенки органа и баллона; Ц, - длина катетера; ко kw - коэффициенты, полученные в результате обработки экспериментальных данных.

Выражение (1) легло в основу методики расчета параметров баллонометриче-ских преобразователей, а обобщенные результаты для различных отделов системы пищеварения представлены в виде номограммы, показанной на рис. 2, где пунктиром указана последовательность выбора основных параметров баллона.

7<И)

400

ЛОО

30 VcCM1

«ПО 1000 1200

Рис. 2. Ном01рамма для выбора основных, параметров баллона первичною преобразователя

При найденных параметрах баллона проведена оценка статической но1решности измерен™ внутриполостпого давления, которая составила 1,2%. С целью нахождения динамической погрешности по каналу измерения биомеханики полого органа определены звенья, участвующие в передаче сигнала. Система дифференциальных уравнений, описывающая динамические свойства этого канала, имеет следующий вид & с (0

Tis Т

dt dP

+ Р6 (О - k

40

/Р2

dt2 dP кж (t)

dt

+ Т

Tpl

+ Р™ W = К

6 ' Р|ПМ (0:

dP -ф (t)

+ ? ip "" ^ тр

6 • Ртр U),

dt

Рб (0;

J

где Р6, давление в баллоне, измерительной камере и создаваемое органом на

стенку баллона; Тв, Т1рЬ Т1р2, Тюк,- постоянные времени соответственно баллона пер-

вичного преобразователя, соединительной трубки и измерительной камеры; к«, к1р, к™ - коэффициенты передачи баллона, соединительной трубки и измерительной камеры.

Установлены следующие динамические характеристики: общий коэффициент передачи канала равен 1,33; вреш переходного процесса и запаздывания составляет соответст-

вию 2,3 и 0,1 е. Динамическая 1кмрешнос1ь исследуемою канала не превышает 0,6 "о.

Показано, что биомеханические процессы в мышцах знутриполостных органов раэтичной анатомической структуры определенным обраадм связаны с их биоэлектрической деятельностью. Это позволяет по характеру сигнала, вызываемого распространением электрического возбуждения в тладкомышечной ткани органа, полупгть информацшо о состоянии моторно-эвакуаторнон функции, включая тонус, сегментарную и двигательную деятельность. Однако, миоэлекгрический сигнал подвержен ьлютшпо различных помех. С целью повышения помехозащищенности канала проведены аналитические исследования, позволившие разработать новый способ для измерения биопотешп1алов, сущность которого поясняется на рис. 3.

Элементарный сегмент полого органа

Направление распространения

»ОЛНЫ ЛСТиС111 Гц) 111."'С

ПИ'ИЧ'Ь ИХ ГЬ'.Неа1ТОГХ1В

Рис 3. Внутреннее строение стенки пнутриполостного органа' / - ели ¡истая поверхность; 2-мыше'п<ый с::ой; 3- серо тая оболочка.

При съеме сигнала с поверхности исследуемого сегмента между измерительным электродом и электрическим генератором мышечного слоя присутствует только слизистая оболочка, поэтому на основании принято!) схемы можно утверждав, что влияние компонентов, связанных с неоднородностью тела, будет минимально. В этом

случае уравнение потенциала в точке измерения приводится к известному виду

Ф

1

4 л о

\ 1&Г

V.. Г

V)

ь V »

где ф-потенциая в точке наблюдения иа наружной поверхности; аь-удельная электропроводность основной области проводника; оиьем облас (и. н конурой находмюя исп>'Ши-ки тока, J - гшошость источника тока, г - расстояние 01 точки наблюдения до генератора.

Анализ описанных в литературе возможных источников помех и результаты вы-1н>.1пипг1п1л. аЬ1иром исследований показывают, что эш помехи дюжни разделить На следующие типы: помехи устройств решетрации биоэлектрического сигнала; влияние генераторов тока (сигналы от других близлежащих органов ЖКТ); помехи, определяемые изменением характеристик контакта электродов с поверхностью органа. В

наибольшей степени к искажению сигнала приводи 1 помехи, вызванные изменением импеданса между электродами и слизистой оболочкой органа и биоэлектрическими процессами, происходящими в гладкой мускулатуре различных сегментов ЖКТ.

Уверенный контакт между электродом и слизистой поверхностью органа обеспечивается созданием давления в полости баллона, под действием которого электрод прижимается к стенке органа. Однако в силу моторной активности органа сопротивление контакта изменяется. Исключение помехи, обусловленной изменением импеданса при измерении биопотенциалов, обеспечивается стабилизацией давления в баллоне с помощью регулирующего устройства.

Так как при двухпараметрическом измерении два преобразователя необходимо совместить и вместо двух баллонов использовать только один, то возникает противоречие: ~ несовместимость условий измерения параметров. Проблема разрешена переключением измер1гтелышх каналов по каждому параметру при обеспечении требуемых условии съема. В этом случае с учетом дополнительных звеньев система дифференциальных уравнений манометрического канала будет иметь вид:

ш з:

Т(. . ^^ + рб (1) = к . [р (,) . рк (1) ];

Ш

ар ... 2 (О (Ц1 _ Ш

V ■ —^ + Т„ ■ + Р ф (0 = к „ • Р6 0);

Т№ ■ +РЮ,(0 -к^Р^О),

где Та, Тк2, кк - параметры камеры переключающего устройства, г На основании требований, налагаемых динамическими характеристиками канала и частотными свойствами процессов, протекающих в полом органе, определены параметры дискретизащш: В/т=0,5, где О - период квантования их- длительность импульса. Дтгами-ческая погрешность, обусловлетшая процессом квантования, составила 0,8 %.

Как показывает клшгическая практика, для врача важно не сами значения внут-риполостного давления и биопотенциалов, а такие косвенные характеристики, как коэффициент тонуса, индекс моторной активности, коэффициент тонической деятельности. Поэтому разработаны алгоритмы обработки каждого из указанных сигналов.

Результаты аналитических и экспериментальных исследований с уметом всех ограничений метода, изложенных в первой главе, и сформулированные требования к техническим средствам реализации, послужили основой при разработке, проектировании и изготовлении электроманометрическою устройства, предназначенного для исследования нарушений моторно-эвакуаторной функции внутриполостного органа системы пищеварения. Блок-схема такого устройства показана на рис. 4. Принцип его действия заключается в одновременном измерении внутриполостного давления и

/

и

миоэлектрической активности в исследуемом органе. Эффективное гь диагностики при этом достигается за счет использования первичного преобразователя с рассчи-тинмми параметрами для конкрешоги исследуемого органа и обеспечения необходимых условий лвухпарамстрического измерения.

Первичный нреобразовятель ]~Баллон элект роды

Источник ] сжатого воздуха

I ¡редвартпельный Гензопреоб I Ключ ШИМ | Плата к ПЭВМ

усилитель разователь 1 развязки

Р1С16Р873;

Порты ввода / вывода

1 1

•..............

Блок питания электричес'л-нй Индикатор | Клавиатура

Рис 4 Блок-схема разработанного еетронспи

Измерительная чаоь усфойстна выполнена в виде моноблока с размешенными к нем платами: микроконтроллера, обеспечивающею передачу параметров на вьпшели-тельную машину, блока питании и измерения, ПЭВМ. Для надежной зашты пациента и оператора 01 возможного появления опасного тля жизни напряжения к приборе предусмотрена гальваническая развязка от цепей питания. Одной из центральных частей разработанного измерительного устройства является микроконтроллер, в качестве коюрого используемся процессор типа ИС'16Г'87А управляющий операциями системьг (выбор требуемого капала измерения, переключение канадок, индикацию передачу данных на ПЭВМ).

Третья глава «Алгоритм работы заектромаюметрического устройства» посвящена раз]мио1Кс ал| opni.ua функционирования созданною иекфомамочефичсского устройства. Система должна решать задачу определения ФС полого органа на основе ьчкш параметров, как внутриполоелтое давление и биопок-нциал с учетом его исходною (начального) состояния и при условии кахожасниа объекта в паюлосии с последующей возможностью перевода его состояния в норму функциональной сохранности. Получена система дифференциальных уравнений, описывающая взаимосвязь управляющих воздействий с параметрами МЭП полого органа:

I , av, >ч = ~ 7--x i + * г + , - - • v 5 '

bvl bvl

I I ) f ь., Ь„ I a a a a„ т,,' ■

¡vbp; bj bsJ - bpJ b,; - b,: - b,: 2!

( 1 O dP» d«0

l^pl Cvl J ' Cpl Cvl

1 П vO

S4 =-----X4 + • V ,.

m vl rn vl

где xj, X2- соответственно выходное давление и скорость его изменения; хл, х4 - амплитуда и частота миоэлектрической активности; Зуо, а^, bvi, Ьрг> Ьрь b3i, b3j, срь cvi, d^o, dvo, mvi, , п.,o, za - коэффициенты, полученные по экспериментальным и литературным данным.

Рассматриваемая система относится к линейной и нестаттиоиарной ввиду переменных 'значений коэффициентов уравнения состояния, полученною из указанных выражений. I шэтому бьма составлена матрица, приводимая по Ляпунову. L(t ¡) = X(t ¡) ■ e ;' V где X - матрица монодромии; С - матрица с постоянными коэффициентами.

Дальнейшее исследование проводилось с использованием промежуточного уравнения состоят«, имеющего матрицу с постоянными коэффициентами

2(t)=C-Z(t) + B-V, где В - матрица коэффициентов управляющих воздействий, V вектор управления.

С целью определения «частот» системы найдено решение, зависящее от начальных условий

z(t) = (gl0 -2(0) + ^ ■ ¿(0))• с!-°ч • u, + 2о • z(0) + q2i ■ ¿(0))■ е?->"' • u2 + + í32 -z(0))-eA'2't -и.-, +?4з •z(0))-e^t -и4,

где Xi - характеристические корни; cj¡ и - элементы двойственного базиса; и, -элементы нормированного вектора.

Полученная динамическая модель была использована при разработке алгоритма принятия решений о функциональном состоянии органов пищеварительного тракта.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования на физической модели полпрп пррана ющеварення и в клинических условиях» описана разработанная экспериментальная установка для проведения исследований на физической модели енут-ринолостного органа системы пищеварения; сделана оценка погрешностей созданного устройства; приведены результаты клшшко-экспериментальных исследований; показаны области применения результатов исследований и пути дальнейшего совершенствования предаожешюго устройства. С целью получения аналитической зависимости, связывающей, контролируемую величину (внутриполостное давление) с пара-

метрами оаллономегричеекого преооразователх и переменными величинами, харак-терн.зующнмн анатомо-фнзиолотические особенности изучаемого органа, проведен комплекс лабораюрных исследований.

Преде гавлетгая установка состоит из следующих функциональных блоков: физической модели полою органа: емкости для создания имишруюшего впугрнполосг-ною давления на оболочку органа; 6аллономе<рическото преобразователя; измерительного преобразователя, соединенного с регистрирующим устройством, блока ввода данных на ПЭВМ и двух блоков - задания давления и начальных условий.

Для оценки основной погрешности разработанною устройства были проведены метрологические испытания измерительной системы, включающей замкнутую полость, имитирующую обьекг лесдедопппия: первичный преобразователь; пневмоэлск-трический блок; предварительный усилитель и систему обрабтки даштых. Получены следующие значения основной погрешности: для манометрического канала - 2,0 %, для биоэлектрического - 1,5 %. Время установления показаний не превысило 2,4 с.

Результаты проведенных лабораторных экспериментов на физической модели внутриполостного органа и комплекса исследований по определению метрологических характеристик разрабатываемого устройства подтвердили эффективность предложенною метода и ьозмолягость его пракпмеской реализации. Однако сложность функционирования живою организма во вссй его многогранной взаимосвязи нотрс-оимала проведения дополнительных клипико-.жепериментальных исследовании на пациентах. Экспсрниешы пронодились в Государственном научном центре коло-прокго.нпии (|. Москва) и в лабораюрии клиники кафедры хирур!ических болезней М 2 Ростовского государственного медицинского университета в два этана. На нервом этапе исследования выполнялись на контрольной труппе пациентов, не имеющих (по предварительному анамнезу) заболеваний ор!анов пигпеиаршельной системы. Второй этап включал исследования патентов с установленными патологическими нарушениями. Ана.ш! полученных в резулыа1е клшшко-экспериментальных исследований данных показал уверенную сопоставимость их с анамнезом.

Таким образом, создание комплекса технических средств в соответствии с тре-. боваттт, предъявленными со стороны системы управления функциональным состоянием органок пищеварения, а также разработка Апииини ею работы в структуре этой системы, позволили повыешь достоверность данных о течении могорно-эвакуагорного процесса в полых орг анах лселудочно-кишечного тракта.

В приложениях приведены экспериментальные данные. полученные на лабораторном стенде, и акты, подтверждающие результаты клинических исследований, испытаний и внедрения созданного устройства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена новая классификация существующих способов оценки функционального состояния внутриполостных органов пищеварения и технических средств их реализации с учетом требований системы контроля и управления состоянием моторио-эвакуаторцого процесса органов ЖКТ, позволившая определить наиболее информативные параметры при оценке состояния МЭП и выбрать эффективные направления его исследования.

2. Разработан новый способ одновременного измерения манометрических и миоэлектрических показателей внутриполостных органов ЖКТ, основанный на введении измерительных электродов, которые расположены на поверхности эластичного баллона, в полость органа и обеспечении их надежного контакта со слизистой оболочкой путем создания избыточного давления в баллоне. Совместное измерение указанных показателей реализуется с помощью специально созданного электроманометрического устройства, повышающего достоверность оценки параметров МЭП и позволяющего на основе полученной медико-биологической информации выработать соответствующее управляющее воздействие.

3. На основе результатов проведенных исследований с помощью созданной аппаратуры установлены ранее неиспользовавшисся критерии, характеризующие состояние МЭП и позволяющие повысить достоверность оценки патологических отклонений в функционировании внутриполостных органов пищеварительного тракта.

4. Разрабо таны математические модели первичных преобразователей электроманометрического устройства для системы управления функциональным состоянием полых органов ЖКТ, которые учитывают различные начальные условия и переменные, входящие в модель измерительного канала, и позволяют проводить исследования статических и динамических характеристик, а также выбирать оптимальные параметры создаваемых технических средств контроля показателей МЭП еще на стадии их проектирования. Адекватность полученных моделей реальным объектам подтверждается хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных (их расхождение не превышает 7-9 %).

5. Разработана методика расчета баллонометрического преобразователя внутри-иодосягого давления, которая позволяет определить параметры датчика при условии минимизации погрешности преобразования.

6. Определены, исследованы и классифицированы типы шумов и помех, искажающих результаты измерения миоэлегарической активности оршюв желудочно-кишечного тракта и существенно дополненных не рассматривавшимися ранее помехами, обусловленными инвазивным способом наложения измерительных электродов на контролируемый орган. Это позволило предложить пути повышения помехозащищенности электрического канала устройства д ня измерения биопотенциалов исследуемых органов пищеварения.

7. 11роведештые экспериментальные исследования и оценка подученных результатов показали, что метрологические характеристики разработашюго измерительного устройства (основная погрешность манометрического канала 2,0 %, биоэлектрического — 1,5%, максимальная динамическая составляющая погрешности измерения 0,8 %, время установ-

ления показаний составляет - 2,4 с) удовлетворяют требованиям проведения одновременною измерения внутриполостного давления и биопотенциалов.

8. С целью обеспечения работ ы создании! о комплекса i ехнических средств контроля параметров моторно-эвакуаторпого процесса дня системы управления состоянием полых opi анов пищеварения нре.тложен алюртм. обсспе'гиватоптий функционирование нон системы. В его основу положены разраоо<энная динамическая модель внутриполосп ною органа, учитывающая взаимосвязи выходных параметров этого органа с разлитыми видами воздействий. и позволяющая рассчитать оптимальное управление, а также ¡шоритм принятия решений, обеспечивающий расчет и анализ критериев, которые характеризуют состояние моюрно-эвакуаторио! о процесса.

9. Основные результаты выполненных диссертационных исследований доста-ючпо полно изложены к 16 публикациях н апробированы на И конференциях, в том числе 5 международных. Материалы диссертации были использованы при еозлашш комплекса «Лоза-10», который демонстрировался на Российско-Американском семинаре-выставке «Актуальные проблемы создания биотехнически систем и медицинских приборов» (г. Москва, 1996), выставке-презентации «Приборы и системы в диагностике заболеваний колопроктологии» (г. Москва, 1996), выставке, посвященной 130-летиго со дня рождения профессора Напалкова Н.И. «Актуальные проблемы хирургии» (г. Ростов-на-Дону, 1998), Всероссийской конференции-выставке вузов «Товары народною потребления» (г. Нижний Повторял, 1993). Устройства, разработанные с участием автора, выпускаются научно-производственным предприятием оИп-гор» (г Новочеркасск). Пспьпания созданных средств контроля и их внедрение проводились в Государственном научном центре колонрокюдопш (г. Москва) и Ростовском i осу даре гвенном медицинском унивсрсшек;. Oí дельные результаты выполненных теоретических исследовании используются в лекционных курсах для студентов специальности 21.02 «Авюмашзация технологических процессов и производств», а также рекомендованы для студентов, обучающихся по специальности 19.05 «Биотехнические н медицинские аппараты и системы» в Южно-Российском государственном техчическо*1 v >t>_>"срез ¡.'e¡с í Новочеркасском гто.'.чггехпн'гееком нттеттлте).

Основные положения диссертации онуС.шмнипы в следующих работах:

1. Учитель Г.С., Хихловский А.П., Протасевич В.Л. Элестромиографичсские методы в исслсдопятш функционального состояния пищеварительной системы // Автоматизация бн01с\ничссккх с.чс.'ем в условиях рт.пагщей -жоиомта:;;огтг:срсгпг Тез. докл. между-няр. науч.-техн. конф., т. Москва, 3-7 иы. 1УУ1 г. - М.. >ЭП MI AX.V!, 1994 ■ С. 142.

2. Автоматизированная система для исследования моторной функции щццевари-тельно1х> тракта методом иниазинной злектромиографии / А.П. Хихловский. Б.Л. Протасевич А.П. Туликова, Л.Ф. Подмаренкова // Изв. вузов. Сев. - Кпвк. peí ион. Техн. науки. - 1996. -№1. - С. 138-143.

3. Принципы построения автоматизированной диагностической системы для ин-вазивной электромиографии органов пищеварительного тракта / А.Г1. Хихловский,

8.Л. Протасевич, Л.Ф. Подмаренкова и др. И Новочерк. юс. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1996. -6 с..- Дел. в ВИНИТИ 25.06.96, № 2579-В96.

4. Протасевич В.Л., Томшинский В.Я. Способы реализации автоматизированной системы метода инвазивной электромнотрафии // Сборник статей и кратких сообщений но материалам науч.-техн. конф. студентов и аспиратой НГТУ. г. Новочеркасск, 10-25 апр. 1996 г.: Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ, 1996. - С. 8.5-87.

5. Прогасевич В.Л., Томшинский В.Я. Аналитическое исследование метода инвазивной электромиографии // Сборник статей и кратких сообщений но материалам науч.-техн. конф. студентов и аспирантов НГТУ. г. Новочеркасск, 10-25 анр. 1996 г.: Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ, 1996. - С. 87-88.

6. Построение автоматизированной системы инвазивного метода электромиографии на элементах УСЭППА / А.П. Хихловсккй, В.Л. Протасевич, В.Г. Макаренко, В.Я. Томшинский // Пневмоавтоматика: Тез. докл. Всерос. совет., г. Москва, 8-9 окт., 1996 г. - М.: ИПУ, 1996. - С. 49.

7. Хихловский А.П., Про!асевич В.Л., Томшинский В.Я. Экспериментально -аналитическая модель автоматизированной системы инвазивной электромиографии // Математические методы в химии и химической технологии.: Тез. докл. междунар. конф., г. Новомосковск, 4-6 июни 1997 г. — Новомосковск: РХТУ, 1997. - С. 81.

8. Хихловский А.П., Протасевич В.Л., Сулимов Е.П. Инвазтшная электромиография в диагностике гепатобилиарной системы // Актуальные проблемы хирургии: Сб. науч. тр. Всерос. науч. конф. посвящ. 130-легию со дня рожд. проф. Напалкова Н.И. - Ростов-на-Дону: РГМУ, 1998. - С. 224—225.

9. Исследование канала измерения биоэлектрической активности полых органов системы пищеварения / А,П. Хихловский, В.Л. Протасевич, В.В. Горчаков и др. // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 1999. -№2. - С. 104-109.

10. Разработка устройства дтя совместного исследования манометрических и биоэлектрических показателей в полом органе / А.П. Хихловский, ВЛ. Прогасевич, В.В. Горчаков и др. // Изв. вузов. Сев. - Канк. регион. Техн. науки. - 2000. - №1. - С. 97-101.

11. Статические и динамические характеристики системы исследования биомеханических процессов в органах пищеварения / А.П. Хихловский, В.Л. Протасевгпг, В.В. Горчаков и др. // Изв. вузов. Сев. - Кавк регион. Техн. науки. - 2000. - №2. - С. 85-89.

12. Методика и алгоритм измерения параметров функционального состояния органов пищеварения / А.П. Хихловский, В.Л. Протасевич, Е.П. Сулимов и др. // Математические методы в технике и технол01 иях ММТТ-2000: Сб. тр. 13-й Междунар. науч. конф.: В 7 т., г. Санкт-Петербург - СПб: СПбГТИ (ТУ), 2000. - Т. 4, секции 5, 7. - С. 180-182.

13. Протасевич В.Л., Байдюк А.П., Сулимов Е.П. Исследование уравнения состояния системы измерения параметров биомеханики полых органон питцеварешга // Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах: Сб. науч. тр. Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГГУ (НПИ), 2000. -Вып. 1.-С. 69-71.

14. Протасевич В.Л. Метод и устройство одновременного измерения внутрипо-лостного давления и биопотенциалов для системы управления функциональным состоянием полых органов пищеварения // Теория, методы и средства измерения, контроля и диагностгте Материалы. 1р._Междуиар. ¡туч. - прак. конф.: В 10 ч. - Новочеркасск: ЮРГТУ. 2000. - Ч. 6. - С. 19-20. ----------------------------------

15. Протасевич В.Л. Эясктроманпметричсскос устройство одномоментного контроля биоэлектрических и биомеханических параметров для системы управления функциональным состоянием органов пищеварительного тракта // Изв. вузов. Ген Кавк. рс! ион. Техн. науки. - 2000. - №4. -С 127-128.

16. Протасевич В.Л. Преобразователь электроманометрического устройства для комплексного исследования внутриполостного давления и биопотенциалов // Управление г? технических, соцггальн»«-мшиодштгескич и медико-биологических системах: Сб. науч. тр. Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск. ЮРГТУ, 2000. - Вып. 2. -

С. 111-112.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ВНУТРИПОЛОСТНЫЕ ОРГАНЫ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА КАК ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ. ОБЗОР СПОСОБОВ ОЦЕНКИ ИХ СОСТОЯНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Органы системы пищеварения как единый объект контроля и основные физиологические процессы, протекающие в их структуре

1.2 Анализ способов и средств исследования и оценки деятельности органов желудочно-кишечного тракта.

1.3 Функциональная схема автоматизированной системы контроля и управления состоянием полых органов пищеварительного тракта и формулирование требований к устройству для ее реализации

1.4 Постановка задач исследования.

2 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАНОМЕТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ МАНОМЕТРИЧЕСКИХ И БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В ПОЛОМ ОРГАНЕ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА.

2.1 Экспериментально-аналитические исследования факторов, влияющих на измерение внутриполостного давления.

2.2 Разработка методики определения параметров баллоно-метрического преобразователя внутриполостного давления.

2.3 Разработка инвазивного способа измерения биопотенциалов повышающего помехоустойчивость и комплекса технических средств его реализации.

2.4 Анализ условий совместного измерения параметров моторно-эвакуаторной функции.

2.5 Аналитическое исследование условий одновременного измерения параметров полых органов.

2.6 Электроманометрическое устройство измерения моторноэвакуаторной функции полого органа.

2.7В ыводы по главе.

3 АЛГОРИТМ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОМАНОМЕТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА

3.1 Динамическая модель анализа состояния моторно-эвакуаторной функции полого органа в пространстве состояний и определения видов управляющих воздействий.

3.2 Разработка алгоритма анализа состояния моторно-эвакуаторной функции и выбора управляющих воздействий.

3.3 Выводы по главе.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЛОГО ОРГАНА ПИЩЕВАРЕНИЯ И В КЛИНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

4.1 Разработка экспериментальной установки для проведения исследований на физической модели внутриполостного органа системы пищеварения.

4.2 Исследование и оценка погрешности разработанных технических средств измерения параметров моторно-эвакуаторной функции.

4.3 Клинико-экспериментальные исследования электроманометрического устройства.

4.4 Электроманометрическое устройство в структуре автоматизированной системы контроля и управления состоянием полых органов пищеварительного тракта.

4.5 Выводы по главе.

В последние десятилетия наблюдается рост количества заболеваний органов желудочно-кишечного тракта [1,7, 11, 13]. Патология органов пищеварения занимает второе место после заболеваний сердечно-сосудистой системы. Как показывает анализ, до 78 % всех заболеваний обусловлено нарушением функционального состояния этих органов, которое определяется моторно-эвакуаторным процессом, протекающим в структуре органа. Наряду с этим отмечается отставание в развитии технических средств, позволяющих проводить оценку состояния органов пищеварительного тракта.

Анализ существующих методов исследования функционирования внутри-полостных органов пищеварительного тракта показала, что ни один из них не отвечает в полной мере совокупности предъявляемых к ним требований [7, 8, 13, 16, 33, 39]. Данный факт обуславливает комплексное применение двух и более методов, что значительно усложняет методику при сравнительно незначительном повышении точности диагностических мероприятий.

В связи с этим становится актуальным решение задачи разработки методов и аппаратных средств, а также повышение их точности для изучения не только качественных, но и количественных характеристик моторно-эвакуаторного процесса внутриполостных органов. Эффективным путем ее решения является разработка системы управления функциональным состоянии органов пищеварения [2-4], в состав которой входят устройства активного контроля параметров полого органа. Контроль необходимо проводить, измеряя изменения параметров органа пищеварения под действием различных тестов (таких, например, как механические, электрические, физиологические, фармакологические), что позволит осуществлять комплексную оценку по данным об исходном состоянии объекта и полученных при тестовых воздействиях. Однако реализация данной системы возможна лишь при обеспечении блока измерения параметров моторно-эвакуаторной функции.

Целью настоящей работы явилось повышение достоверности данных о функциональном состоянии органов пищеварительного тракта и эффективности лечения патологических процессов путем создания комплекса технических средств, реализующего в реальном масштабе времени совместный способ измерения параметров моторно-эвакуаторной функции для автоматизированной системы управления состоянием полых органов желудочно-кишечного тракта.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

1. Проведен комплекс экспериментально-аналитических исследований органов пищеварительного тракта как объекта управления. Определены цели, задачи и основные функции системы управления состоянием моторно-эвакуаторного процесса и сформулированы метрологические и технические требования к средствам, работающим в составе этой системы.

2. Выполнены анализ и классификация существующих методов исследования функционального состояния органов пищеварения и реализующих их технических средств на основе единого методологического подхода, определяемого требованиями системы управления.

3. Разработан новый способ совместного измерения манометрических и миоэлектрических показателей внутриполостных органов пищеварительного тракта, основанный на введении измерительных электродов, расположенных на баллоне, в полость органа, и обеспечении их надежного контакта со слизистой оболочкой путем создания избыточного давления в баллоне.

4. Разработаны математические модели первичных преобразователей электроманометрического устройства для системы управления функциональным состоянием полых органов желудочно-кишечного тракта.

5. Разработана методика расчета баллоном етрического преобразователя внутриполостного давления, основанная на полученной экспериментально-аналитической зависимости, связывающей величины, характеризующие контролируемый объект, с искомыми режимно-конструктивными особенностями первичного преобразователя.

6. Определены, исследованы и классифицированы типы шумов и помех, искажающих результаты измерения миоэлектрической активности органов ЖКТ и существенно дополненных не рассматривавшимися ранее помехами, обусловленными инвазивным способом наложения измерительных электродов на контролируемый орган.

7. Создан и апробирован комплекс технических средств, реализующий указанный способ контроля параметров моторно-эвакуаторного процесса в составе системы управления функциональным состоянием органов пищеварения.

8. Выполнены экспериментальные исследования для проверки адекватности полученных математических описаний и уточнения параметров измерителей манометрических и биоэлектрических показателей, и определена область практической применимости полученных результатов.

К защите представляются следующие основные положения:

• модели процессов, протекающих в структуре органа пищеварения;

• новый способ совместного измерения манометрических и миоэлектрических показателей внутриполостных органов системы пищеварения;

• комплекс технических средств, включающий электроманометрическое устройство одновременного контроля параметров полых органов желудочно-кишечного тракта;

• экспериментально-аналитические описания разработанных устройств, положенные в основу расчета статических и динамических характеристик манометрического и биоэлектрического измерительных каналов;

• алгоритм работы созданного измерительного комплекса в структуре системы управления функциональным состоянием органов пищеварительного тракта.

Научная новизна диссертации заключается в следующем: 1. Предложенный способ одновременного измерения манометрических и миоэлектрических показателей внутриполостных органов пищеварительного тракта впервые обеспечивает комплексное исследование моторно-эвакуаторного процесса, что позволяет существенно повысить достоверность информации о функциональном состоянии органов пищеварения и помехозащищенность измерительных каналов.

2. Оригинальность математических моделей первичных преобразователей электроманометрического устройства системы управления функциональным состоянием полых органов пищеварения заключается в том, что они учитывают основные координаты, входящие в модель измерительного канала, дают возможность исследовать динамику преобразователей при различных начальных условиях и выбирать оптимальные параметры создаваемых технических средств контроля показателей моторно-эвакуаторного процесса еще на стадии их проектирования.

3. Разработанная методика расчета баллонометрического преобразователя внутриполостного давления дает возможность рассчитать параметры измерительного баллона в соответствии с анатомо-физиологическими характеристиками конкретного полого органа пищеварительного тракта при условии минимизации погрешности измерения.

4. Впервые полученные динамическая модель внутриполостного органа, учитывающая взаимосвязи выходных параметров с управляющими воздействиями, и алгоритмы работы комплекса технических средств позволили обеспечить функционирование системы управления состоянием полых органов пищеварения.

Практическая значимость работы определяется следующим.

1. Разработаны принципы технической реализации способа совместного измерения манометрических и миоэлектрических показателей внутриполостных органов пищеварительного тракта, повышающего достоверность результатов исследования за счет совместного измерения внутриполостного давления и биопотенциалов, которое осуществляется введением измерительных электродов непосредственно в полость исследуемого органа, стабилизацией давления в момент измерения биопотенциалов и переключением измерительных каналов, и обеспечивающего помехоустойчивость полезного сигнала при регистрации биоэлектрической активности.

2. Создан и испытан в клинических условиях комплекс технических средств, реализующий предложенный метод одновременного контроля параметров биомеханических и биоэлектрических процессов моторно-эвакуаторной функции органов пищеварительного тракта.

3. Даны и обоснованы рекомендации по выбору основных режимно-конструктивных параметров первичных преобразователей внутриполостного давления и биопотенциалов исходя из условий минимизации погрешности измерения и улучшения динамических свойств технических средств контроля.

Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах:

-Всероссийской конференции-выставке вузов «Товары народного потребления» (г. Нижний Новгород, 1993);

- Международной научно-технической конференции «Автоматизация биотехнических систем в условиях рыночной экономики и конверсии» (г. Москва, 1994);

- Всероссийском совещании «Пневмоавтоматика» (г. Москва, 1996);

- научно-технической конференции студентов и аспирантов НГТУ (г. Новочеркасск, 1996);

- Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (г. Новомосковск, 1997);

-Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы хирургии» (г. Ростов на Дону, 1999);

-ежегодных конференциях преподавательско - профессорского состава ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, 1997, 1999, 2000);

- региональной конференции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах» (г. Новочеркасск, 2000);

-Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Санк-Петербург, 2000);

-Международной научно-практической конференции «Теории, методы и средства измерения, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2000).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 151 наименования и приложений. Она содержит 222 страницы машинописного текста, включающего рисунки и таблицы.

9. Основные результаты выполненных диссертационных исследований достаточно полно изложены в 16 публикациях и апробированы на 11 конференциях, в том числе 5 международных. Материалы диссертации были использованы при создании комплекса «Лоза-10», который демонстрировался на Российско-Американском семинаре-выставке «Актуальные проблемы создания биотехнических систем и медицинских приборов» (г. Москва, 1996), выставке-презентации «Приборы и системы в диагностике заболеваний колопроктоло-гии» (г. Москва, 1996), выставке, посвященной 130-летию со дня рождения профессора Напалкова Н.И. «Актуальные проблемы хирургии» (г. Ростов-на-Дону, 1998), Всероссийской конференции-выставке вузов «Товары народного потребления» (г. Нижний Новгород, 1993). Устройства, разработанные с участием автора, выпускаются научно-производственным предприятием «Интор» (г. Новочеркасск). Испытания созданных средств контроля и их внедрение проводились в Государственном научном центре колопроктологии (г. Москва) и Ростовском государственном медицинском университете. Отдельные результаты выполненных теоретических исследований используются в лекционных курсах для студентов специальности 21.02 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также рекомендованы для студентов, обучающихся по специальности 19.05 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте).

1. Актуальные проблемы хирургии: Сб. науч. тр. Всерос. науч. конф., посвященной 130-летию со дня рождения профессора Напалкова Н.И. - Ростов н/Д: РГМУ, 1998.-292 с.

2. Биотехнические системы: Теория и проектирование / Под ред. В.М. Ахутина. Л.: Наука, 1981. - 346 с.

3. Гальперин Ю.С. Системный подход к разработке медицинской техники на примере аппаратов типа «Спирон» // Медицинская техника. 1994. - № 3. - С. 32-37.

4. Попов Н.И. Разработка биотехнических систем медицинского назначения в условиях конверсии //Автоматизация биотехнических систем в рыночной экономике: Тез. докл. Междунар. техн. конф. М.: ПОО «Финал», 1994. - С. 150.

5. Викторов В.А., Гундаров В.П., Юркевич А.П. Состояние и проблемы развития отечественного медицинского приборостроения // Медицинская техника. — 1996. -№ 1.-С. 4-9.

6. Научно-технический анализ состояния и тенденции развития медицинской техники. М.: ВНИИИТ, 1996. - Ч. 1. - 172 с.

7. Стродс Я.Я., Паварс А .Я., Меднис В. А. Возможности диагностики и коррекции нарушений дуоденальной проходимости // Современные аспекты теоретической и практической гастроэнтерологии: Сб. науч. ст. — Рига, 1988. С. 163-166.

8. Горбунков В.И. Прямая электроэнтеромиография в комплексной оценке жизнеспособности кишки у детей: Автореф. дис. . канд. мед. наук. М., 1987. - 28 с.

9. Martin A., Moline S., Thouveno! J. Potentiels electriques derives a la surface de Г abdomen relation aves Г activité antropylorique chez 1' aminol et chez 1' hamue. -Coup reud. Soc. Biol., 1969. V. 163. - № 6. - P. 1423-1426.

10. Климов П.И. Функциональные взаимосвязи в пищеварительной системе. — TT • Hüwü 107А 77П п

11. Саакян А.Г. Хронические заболевания кишечника. Ставрополь: Кн. изд-во, 1997. 287 с.

12. Martin A., Thiîîer J. L' electrogasiroenterographie. Press Med., 1971. V. 79.\Гп от 1 ок nw- JU i / . ■ 1 . lL^-i — lij / .

13. Невелика Л.Ф. О диагностической цеп ¡¡ости электрогастрографии при язвенной болезни // Современные вопросы электрогастрографии. Новосибирск: Наука, 1975. - С. 129-131.

14. Панцирев Ю.М., Гринбетт A.A., Чернякевич С.А. Методы исследования моторной функции желудка в хирургической клинике. Методические рекомендации. -М.: Медицина, 1974. 54 с.

15. Дадашев P.C. Состояние и перспективы развития метрологического обеспечения средств измерения медицинского назначения // Метрология. 1991. - № 1. г*

16. ЯицкийН.А. Проблема метрологического обеспечения в медицинских исследованиях // Медицинская техника. 1996. № 5. С. 3-5.

17. Папазова М. Электрофизиологическое изучение моторной деятельности желудка. — София: Болгарская Академия Наук, 1970. С. 189.

18. Мирахмедов Д.А. Основы построения АСУ. Ташкент: ТашПИ, 1990. 86 с.

19. Автоматизированная система для оценки моторной функции желудка при язвенной болезни двенадцатиперстной кишки / A.C. Гас паря и, Е.Т. Яковлева, С.А. Чернякевич, В.Ю. Краснова // Медицинская техника. 1996. -№ 6. С. 6-9.

20. Вовк М.И. Некоторые подходы к управлению функциями желудочно-кишечного тракта на основе на основе электростимуляции // Медицинская информатика и проблемы математического моделирования: Сб. науч. тр. Киев, 1991.С 12-16.

21. Математическая теория систем / H.A. Бобылев, В.Г. Болтянский, С.Ю. Всехсвятский и др. М.: Наука, 1986. - 164 с.

22. Богач П.Г. Механизмы нервной регуляции моторной функции тонкого кишечника. — Киев: Изд-во Киевск. ун-та, 1961. 343 с.

23. Директор С., Рорер Р. Введение в теорию систем. М.: Мир, 1974. 464 с.

24. СтейсиР. Основы биологической и медицинской физики. М.: Иностранная литература, 1959. - 267 с.

25. Лакомкин А.И., Мягков И.Ф. Злс ктрофизиология. М.: Высш. шк., 1977. -272 с,

26. Каминская Т.А. Моторная функция (по данным электрогастрографов) при некоторых заболеваниях органов пищеварения: Автореф. дис. . канд. мед. наук. — Душанбе, 1972. 24 с.

27. Логинов А.С., Алексеев В.Ф., Радбиль О.С. Современные методы диагностики в клинической гастроэнтерологии: Науч. обзор. Всесоюз. научно-иссл.тл и-'г и/гячт Ы ллртт -tpy mtjfh — Л/Т 1 QR9 1 f) л г*

28. I. I Ч Ч, I,. < I ITIW^I 14. I I 1 I V j 7 . . ' I . . I ' Vi- . I V- ' V.

29. Wl 1Ш1Д il^y lVfi. i VJ. ivviivjj. V7AJ. 1 UiVlViV, I y i /. . 1 IV/.

30. Фишзон-Рысс Ю.И. Современные методы исследования желудочной секреции. Л.: Медицина, 1972. - 137 с.

31. Гавр иле! ï ко Я.В., Рыбакова Г.С. Функциональная проба на интенсивность секреции соляной кислоты желудочными железами // Методы сбора и анализа функциональной информации. М.: Наука, 1969. - С. 88-93.

32. Буч ко А.Ф., Доне ко в A.M., Зборовский А. Б. К использованию новой модификации метода интрагастральной рН-метрии на Железноводском курорте // Материалы II Всесоюз. съезда гастроэнтерологов. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978.-T. 2.-С. 42-43.

33. Колесников Ю. А., КуксаН.Н., Никите и ко Н.Ф. Усилительно согласующие устройства для внутрижелудочной рН-метрии // Изв. Сев. - Кавк. науч. центра высш. ¡пк. Техн. науки. - 1983. - №4. - С. 31-32.

34. Майский В.Б. Количественная оценка перистальтики желудка: Дис. . канд. мед. наук. М.: МГМИ 1967. - 189 с.

35. Краснов Е.А. Биопотенциалы желудочно-кишечного тракта и их диагностическое значение: Автореф. дис. . канд. мед. наук. — Киев, 1964. 22 с.

36. Климов П.К., Устинов В.Н. Биоэлектрическая активность гладких мышц пищеварительного тракта и ее связь с сократительной деятельностью: Успехи физиологических наук. 1973. - Т. 4. - С. 30-33.

37. Фрольскис А.В. Функциональные заболевания желудочно-кишечного тракта. Л.: Медицина, 1991. 224 с.

38. Калысь С.И. ЭЭГ в диагностике непроходимости кишечника и перитонита // Новое, прогрессивное в практику здравоохранения. Ульяновск: УГТУ, 1981.Г* о л L. JJ-OU.

39. Коркилия Г.А. Электроэнтерография в хирургии брюшной полости: Авто-реф. дис. . канд. мед. наук. Тбилиси, 1973. -21 с.

40. Ребров В.Г. Диагностическое значение электрогастрографии при заболеваниях гастродуоденальной системы: Автореф. дис. . канд. мед. наук. М., 1975. — 25 с.

41. Гальперин Ю.М. Балло!¡©графическая регистрация полостного давления же л уд о ч но- к и ш е ч но го тракта // Физиологический журпал СССР. — 1967. № 10. -С. 50-54.

42. Устройства и способы для измерения давления с целью диагностики заболеваний: Отчет о патентных исследованиях / Ростовский н/Д филиал В ЦПУ. — Росхт/ТТ 1 ОСА МЬ £ 1 АП77 ^1 ии ну Д, хуии. ^ ихо V//-/. I V.

43. Исаков Ю.Ф., Степанов Э.А., Шумов Н.Д. Современные методы диагностики, лечения и профилактики спаечной непроходимости у детей // Материалы XIV съезда хирургов УССР. Донецк, 1981. - С. 80.

44. Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. М.: Радио и связь, 1987. — 310 с.

45. Привалов H.A. Моторная деятельность различных отделов желудка припищеварении (многоканальная электрогастрография): Автореф. дис. . канд. мед. rnw ЛД 1Q77 01 с11UJ IV. 1*1., 1У / / . Z. X V.

46. Гальперин Ю.М. Характеристики двигательной активности желудка по данным накожной электрогастрографии и баллонной механографии // Физиолог, журнал СССР им. Сеченова И.М. М., 1976. - № 11.- С. 34-40.

47. Беляев Ю.К., Чепурин Е.В. Основы математической статистики. М.: Изд-Л/TrV 1Q8TLT 1Dv 1V11 J 5 Ui,. 1. x. 1W V.

48. Батоврин B.K., Сандлер E.A. Обработка экспериментальных данных. М.:Л/ПЛР^Д 1QOO1V1I1I 1, i. У VV V.

49. Колесников A.A. Обработка и анализ биологических сигналов. М.: ТИИР IQ77 Т ¿5 ЛГо ^ - Г

50. Собаки!i М.А. Электрографическое исследование моторной деятельности желудка при пищеварении в эксперименте и клинике // Физиология и патология пищеварения. М., 1958. - Т. 2. - С. 147-160.

51. Тагер A.A. Физиохимия полимеров. — М.: Химия, 1978. 544 с.70. 486 Бартенев Г.М., Френкель С.Я. Физика полимеров. Л.: Химия, 1990.л in „

52. Хованский Г.С. Основы номографии. М.: Наука, 1976. 352 с.

53. Аскадский A.A., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. М.: Химия, 1983. - 248 с.

54. Козлов Г.В., Сандитов Д.С. Ангармонические эффекты и физико-механические свойства полимеров. Новосибирск: Наука, 1994. 260 с.

55. Говарикер В.Р. Полимеры. М.: Наука, 1990. - 395 с.

56. Говарикер В.Р. Композиционные материалы на основе полиуретанов. М.: Химия, 1982. - 238 с.

57. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1973. — 360 с.

58. Элементы и схемы пневмоавтоматики / Т.К. Бередис, Т.К. Ефремова, A.A. Тагаевская и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1976. -246 с.

59. Иванов В.А. Математические основы теории автоматического регулирования. Учеб. пособие для вузов / Под. ред. Б.К. Чемоданова. - М.: Высш. шк., 1971.8ПЙ ^Vi V/ V ' V.

60. Булгаков Б.Б., Кубрак А.И. Пневмоавтоматика Киев: Техшка, 1977. - 190 с.

61. Подчуфаров Б.М. Математические модели автоматических систем: Пневи * О »V о итлт АЛ ЛМРТАТ1/Г1:Т Тлгтта 1 Ойй ЯП лшиш А VIVА1Л . 1 у I У ии, и КУ V.

62. Притыко А.П. Исследование и разработка электрогастрографов с повышенной помехоустойчивостью: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1988. 29 с.

63. Ребров В.Г. Регистрация биопотенциалов желудка в клинических условиях/ I/" ГГГТТ II ТТТ£Ы*ТГГ* (Т и ттт л г ттгтто = 1 077 с \Го О О Л // iXJiriIJl'l^.wI\.clia. мСДпцппа. 1 / / / . . ~ ч^ . ^-т.

64. Широков B.C. К точности измерения биопотенциалов желудка на поверхности тела // Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение: Тез. докл.VT т^0ттлК 1 Q01 Г 1V A IJVCl/UV. IW) I 1. 1V1., 1/U1. V. 1 iJ 1 1 J.

65. Собакин М.А., Привалов И.А. Многоканальная регистрация электрической активности желудка с поверхности тела человека // Бюл. эксп. биол. и мед. -1У /и. JNÜ t. - v^. juj-juu.

66. Исследование канала измерения биоэлектрической активности полых органов системы пищеварения / А.П. Хихловский, В.Л. Протасевич, В.В. Горчаков и др. // Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Техн. науки. - 1999. - №2. - С. 104-109.

67. I íl. I IWí I > (t 11,11. 1 V'V. I VI) П/Д. 1 I IVl J , I У S C>. ~ V . ¿.Z.T

68. ВайнбергДж., Шумекер Дж. Статистика: Пер. с англ. М.: Статистика, 1979. - 389 с.

69. Сырецкий A.M. Разработка и исследование методов и средств распознавания инфранизкочастотных биопотенциалов: А.втореф. дис. . канд. техн. наук. — Юме IV. 1982.-22 с.

70. Харкевич Л.A. Борьба с помехами. M.: Физматгиз, 1963. — 275 с.

71. Балакришнан А. Теория фильтрации Кальмана. М.: Мир, 1988. - 166 с.

72. Каллианпур Г. Стохастическая теория фильтрации. М.: Наука, 1987.но , ло

73. Калугин C.B. Адаптивные фильтры. М.: Мир, 1988. - 388 с.

74. Лэм Ф., Гарри И. Аналоговые и цифровые фильтры: Расчет и реализация. М.: Мир, 1982. 592 с.ПО. Стечкин С.Б., Субботин Ю.Н. Сплайны в вычислительной математике. 1V1. . 1 icIJ iva, I V / V/. ^ 1 / V.

75. Николаев В.И., Брук В.M. Системотехника: методы и приложения. Л.: Машиностроение, 1985. 199 с.

76. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1991. 332 с.

77. Кулакчев А.П., Каплан А.Я. Система комплексного анализа биоэлектрических сигналов // Мир ПК. 1994. - № 8. - С. 132-137.

78. Новосельцев В.Н. Теория управления и биосистемы. М.: Наука, 1978. -320 с.

79. Чаки Ф. Современная теория управления: Нелинейные оптимальные и адаптивные системы. М.: Мир, 1975. - 424 с.

80. Шаталов A.C. Отображение процессов управления в пространствах состояний. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 254 с.

81. Станишкис Ю. Оптимальное управление биотехнологическими процессами. Вильнюс: Мокслас, 1984. 256 с.

82. Новосельцев В.Н. Математическая биология и медицина. М.: ВИНИТИ, 1989.-247 с.

83. Попов Н.И. Математическое моделирование в медицине при создании биотехнических систем // Автоматизация биотехнических систем в рыночной экономике: Тез. докл. Междунар. техн. конф. М.: ПОО «Финал», 1994. - С. 151.

84. Бредикис Ю.Ю. Использование методов электрической стимуляции органов в клинической практике // Материалы 1-го съезда Всесоюзного научи, меди-ко-техн. об-ва. М., 1975. Ч. 1. - С. 31-35.

85. Павлычев Р.Х. Электрическая стимуляция желудочно-кишечного тракта как метод предупреждения и лечения послеоперационных парезов: Автореф. дис. . канд. тенх. наук. Ярославль: ЯМИ, 1974. - 21 с.

86. Кадыров Х.К. Синтез математических моделей биологических и медицинских систем. Киев: Наук, думка, 1974. - 223 с.

87. Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей / Под. Ред. Р.И. Утямышева и М. Враны. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 384 с.

88. Вишневский A.A., Лившиц A.B., Вилянский М.П. Электростимуляция желудочно-кишечного тракта. М.: Медицина, 1978. - 184 с.

89. Зеленцов Б.П. Матричный анализ сложных систем. Новосибирск: Наука, 1972. - 146 с.

90. Деруссо П.М. Пространство состояний в теории управления. М.: Наука,1970.-620 с.

91. Ту Юлиус. Современная теория управления. М.: Машиностроение,1971.-472 с.

92. Лигун A.A. Специальные вопросы приближений и оптимального управления распределенными системами. Киев: Выща школа, 1990. - 208 с.

93. Основы теории оптимального управления. М.: Высш. шк., 1990. — 429 с.

94. Аддронатий Н.Р. Аппаратно-программные средства автоматизированных систем управления. Кишинев: Штиинца, 1989. — 233 с.

95. Мишель Ж. Программируемые контроллеры. М.: Машиностроение, 1986.- 171 с.

96. Бродин В.Б., ШагуринИИ. Микроконтроллеры: архитектура, программирование, интерфейс. М.: Бином, 1999. - 214 с.

97. Радиоэлектроника: (Состояние и тенденции развития): Обзор по мат. ин. печ. М.: НИИЭИР, 1999. - 63 с.

98. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. М.: Радио и связь. 1993.-252 с.

99. Спиридонов В.П., ЛопаткинА.А. Математическая обработка физико-химических данных. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. — 221 с.

100. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 288 с.

101. Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСП. Общие методы оценки и контроля: ГОСТ 8.508-84. М.: Изд-во стандартов, 1984. - 38 с.

102. Грановский В.А. Динамические измерения: Основы метрологического обеспечения. Л.: Энергоатомиздат, 1984. -224 с.

103. Общие вопросы метрологии // Труды метрологических институтов СССР / Выпуск 200(260). Под ред. К.П. Широкова. Л.: Энергия, 1977. - 29 с.

104. Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств измерений. Основные положения: ГОСТ 8.256-77. М.: Изд-во стандартов, 1977.-45 с.

105. Нормирование и использование метрологических характеристики средств измерений. Нормативно технические документы: ГОСТ 8.009-84, методический материал по применению ГОСТ 8.009-84, РД 50-453-84. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 38 с.

106. Преобразователь давления полупроводниковый ПДП-ЮООМ(А): паспорт ТА2.834.008 ПС. -М.: ВНИИМП, 1990. 20 с.

107. Интегральные схемы: Операционные усилители / A.B. Перебаскин, А.А Бахметьев, С.О. Колосов и др. М.: Физматлит, 1993. Т. 1. - 240 с.

108. Циммерман Я. С., Бяков Ю. А., Черникова 3. В. Методика элементарного математического анализа электромиограмм желудка человека // Диагностика, клиника и лечение заболеваний желудка. Пермь, 1972. - С. 191-197.

109. Хихловский А.П., Донсков A.M., Макуха П.И. Комплексный метод оценки функционального состояния дистального состояния отдела толстой кишки // Проблемы проктологии. М., 1984. - Вып. 5 - С.69-71.

110. Чернякевич С. А. Моторно-эвакуаторная функция желудка при язве двенадцатиперстной кишки и после дренирующих операций в сочетании с ваготоми-ей: Дисс. . канд. мед. наук- М., 1972. 184 с.

111. Mllet-GuyP. Value of preoperative mnometric and roentgenographic examination in the diagnostic of pathological changes and functional disturbances of the biliary tract. // Surg. Gynec. Obst. 1952. - V. 94. - № 4. - P. 385-393.