автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Неинвазивный импедансный метод определения параметров костной ткани

На правах рукописи

ГРОМИКОВ Кирилл Владимирович

НЕИНВАЗИВНЫЙ ИМПЕДАНСНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОСТНОЙ ТКАНИ

Специальности: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

/

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2007

003071893

Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научные руководители доктор технических наук, профессор

Добровинский Игорь Рувимович;

доктор медицинских наук, профессор, заслуженный врач РФ Кислов Александр Иванович.

Эфициальные оппоненты, доктор технических наук, профессор

Геращенко Сергей Иванович;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Солодимова Галина Анатольевна.

Ведущая организация - ФГУП НИИФИ, г. Пенза

Защита диссертации состоится «/% ¿//-оа/Л 2007 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212 186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образов шия «Пензенский государственный университет» по адресу: 44Q026, г. Пенза, ул Красная, 40.

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

\втореферат разослан « -.У1/СУ tJ$ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, „

профессор С/*-___Светлов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В различных областях медицины оценка состояния биологических тканей, в том числе и костной, является очень важной задачей Практически при каждом заболевании требуются диагностика на ранних стадиях, выбор рациональной методики лечения и контроль состояния биологического объекта, особенно после оперативного вмешательства

В настоящее время существуют неинвазивные методы, позволяющие оценивать состояние костной ткани (рентгенологические, радионуклидные, ультразвуковые, компьютерная и ядерно-магнитно-резонансная томографии) Но возможности применения данных методов ограничены из-за оказания на организм человека лучевой нагрузки, высокой стоимости применяемой аппаратуры, относительно низкой чувствительности и информативности

В этой связи одной из основных задач, стоящих перед разработчиками медицинской аппаратуры, является создание новых информативных и безопасных методов контроля состояния костной ткани.

В последнее время для решения поставленных задач все более широкое применение стали находить импедансные методы для оценки состояния биологических объектов, основанные на измерении электрических параметров биообъектов при пропускании через них электрического тока, Главными достоинствами данных методов являются простота реализации метода, низкая стоимость аппаратуры, оперативность использования и безопасность для здоровья человека

Импедансометрию применяли для исследования первичного и вторичного сращивания костей (Ткаченко С С, Руцкий В. В.) В процессе исследований были получены результаты, подтверждающие целесообразность использования импедансных методов для оценки состояния костной ткани Но в этих исследованиях применялись инвазивные методы, основанные на вживлении электродов в биологическую ткань и оказывающие негативное воздействие на организм человека из-за проведения исследований в мегагерцовом диапазоне частот

В настоящее время для решения задач оценки состояния биологических объектов отсутствуют разработки, в которых предлагается использование неинвазивного импедансного метода контроля регенерации костной ткани с использованием безвредного для пациента диапазона частот, исключающего лучевую нагрузку на организм человека.

аким образом, актуальность темы определяется потребностью создания приборов и систем на основе более эффективного метода по сравнению с существующими, а также реализующих его алгорит-мое контроля состояния костной ткани при различных заболеваниях пациентов. Это позволит осуществить своевременную диагностику заболевания и постоянное наблюдение за процессом лечения, но при это л снизить осложнения и сократить сроки реабилитации больных

Целью данной работы являются совершенствование метода им-педансометрии для контроля состояния костной ткани и разработка соответствующего измерительного комплекса. Основные задачи исследования:

Анализ электрических и электрохимических свойств костной тка ш и существующих методов измерения ее параметров с целью раз эаботки безопасного для организма человека метода диагностики состояния костной ткани.

2 Разработка модели биологического объекта на основе структурно-параметрической идентификации в виде электрической схемы замещения для диагностики процесса регенерации костной ткани

!!. Разработка структуры информационно-измерительного комплекса для структурно-параметрической идентификации параметров костной ткани

4. Разработка методики и алгоритмов определения параметров объекта контроля и математической обработки полученных результатов измерений в клинической практике.

Методы исследования основаны на теории линейных электрических цепей и тесрии синтеза цепей. Использованы математический апг арат функции комплексной переменной, линейной алгебры, классических разделов математического анализа, теории погрешностей Проверка результатов теоретических исследований проведена посредством натурных экспериментов и имитационного моделирования в средах Mathcad и MatLab Заучная новизна работы:

I Предложен неинвазивный импедансный метод контроля состояния костной ткани, позволяющий проводить многократное изме-pet ие параметров в течение периода формирования костного регенерата и исключающий вредное лучевое воздействие на организм че-

л01

ека

2. Определены схемы замещения для идентификации костной ткани, позволяющие получить данные, характеризующие исследуемые объекты.

3. Разработана методика, позволяющая получить значения параметров костной ткани с более высокой степенью точности по сравнению с существующими

4 Разработана методика компенсации аддитивных, мультипликативных и взаимосвязанных составляющих методической погрешности.

5 Разработана методика определения весовых коэффициентов частных составляющих инструментальной погрешности средств измерений при определении значений параметров биологического объекта

Практическая ценность работы:

1. Определены структурные схемы алгоритмов косвенных совокупных измерений параметров объекта контроля, решающие задачи структурно-параметрической идентификации костной ткани.

2 Разработана методика компенсации аддитивных, мультипликативных и взаимосвязанных составляющих погрешности используемых средств измерений, обеспечивающая точность измерений, соответствующую мостам переменного тока.

3. Разработан измерительный комплекс, позволяющий оценить состояние костной ткани, основанный на неинвазивном и безопасном для организма человека импедансном методе измерений параметров биологического объекта

4. Предложенные методика и измерительный комплекс могут использоваться в клинической практике для контроля состояния костной ткани в процессе лечения переломов и при удлинении кости

На защиту выносятся:

1. Неинвазивный импедансный метод измерения параметров, характеризующих состояние костной ткани в процессе лечения переломов и удлинения конечностей.

2. Схемы замещения для идентификации образов костных тканей

3. Методика измерения процесса регенерации костной ткани по трем точкам, позволяющая исключить влияние субъективных факторов на результаты измерений и повысить их достоверность

4. Измерительно-вычислительный комплекс для измерения параметров, характеризующих состояние костной ткани в процессе лечения переломов и удлинения конечностей в клинических условиях

Реализация работы и внедрение результатов.

1. Пензенская областная клиническая больница им Н. Н Бурденко, Пензенский институт усовершенствования врачей Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию применяют методику оценки состояния костного регенерата, прибор для оценки динамики регенеративных процессов костной ткани.

2. Пензенский государственный университет использует научные и практические результаты диссертационной работы в учебном процессе на кафедрах «Информационно-измерительная техника» и «Медицинские приборы и оборудование».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Пензенский госуниверситет», а также на международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах. Всероссийская НТК «Биомедсистемы» (Рязань, 2001, 2003 гг), Всероссийская НТК молодых ученых «НТИ-2004» (Новосибирск, 2004г), международные НТК «КЛИН» (Ульяновск, 2002-2004, 2006 гг ), Международная НПК «Здоровье и образование в XXI веке» (Москва, 2004 г), международные НПК «Современные информационные технологии» (Пенза, 2004-2006 гт), областная НТК «Актуальные вопросы современной клинической медицины» (Пенза, 2004 г ), Международная НПК молодых ученых «ГГ+ЗЕ'Об» (Ялта, 2006 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 1 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 127 листах машинописного текста. Библиографический список использованной литературы содержит 67 источников СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вт введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризовано состояние проблемы, сформулированы научная новизна, цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы

В первой главе рассмотрены свойства биологических объектов Особое внимание уделено проблеме травматологии и ортопедии, связанной с оценкой состояния костной ткани при переломах, а также

при удлинении конечностей Состояние костной ткани обуславливает момент снятия фиксирующих устройств и начало нагрузки на поврежденный сегмент.

Анализируются методы исследования биологических объектов Отмечается, что в настоящее время для контроля формирования костной ткани как при переломах костей, так и при удлинении конечности, используется в основном рентгеновский метод, дающий объективную оценку изменений, происходящих в зоне перелома, но только в сравнении с предыдущим снимком, при условии использования рентгенографии не чаще одного-двух раз в месяц из-за опасного воздействия рентгеновского излучения Кроме того, анализ рентгенографических снимков не дает количественной оценки минеральной плотности костной ткани.

Отмечается, что костная ткань представляет собой систему,1 обладающую электрохимическими свойствами. При изменениях свойств биологических объектов меняются их электрические параметры, что позволяет использовать для оценки состояния костной ткани импе-дансные методы анализа Главными достоинствами этих методов являются простота применяемой аппаратуры, возможность многократных измерений и их низкая стоимость

Из всех методов оценки состояния биологических объектов наиболее оптимальным является метод импедансометрии, поскольку он обладает высокой чувствительностью, позволяет увеличить количество информативных признаков и получить необходимые параметры с нужной периодичностью Вместе с тем основными недостатками существующего импедансного метода являются его инвазивность и большая электромагнитная нагрузка на организм человека вследствие необходимости проведения измерений в широком диапазоне частот. Эти недостатки ограничивают возможности применения данного метода для исследования биологических объектов I

Проведенный анализ применяемых методов импедансометрии позволил сделать заключение о необходимости разработки неинвазив-ного метода измерения параметров костной ткани и выбора безопасного диапазона частот при воздействии на организм человека для исключения вредного воздействия лучевой нагрузки.

Для решения поставленных в работе задач необходимо выбрать электрическую схему замещения биологического объекта, наиболее

адекватно отображающую свойства исследуемых костных тканей, определить структуру измерительного комплекса для измерения параметров костной ткани, разработать методики проведения измерений параметров и обработки результатов измерений

Вторая глава посвящена анализу существующих методов определения параметров схем замещения объектов, представленных многоэлементными двухполюсниками (ДП), и выбору средств измерений параметров схем замещения.

По результатам анализа мостовых, инвариантных и косвенных совокупных методов измерений значений параметров схем замещения биологических объектов делаются выводы.

Цифровые измерительные мосты наряду с высокой точностью из-мep¿ний имеют и недостатки, состоящие в сложности процесса уравновешивания и устранения взаимного влияния каналов Это затрудняет их использование в информационно-измерительных комплексах и системах Кроме того, мосты переменного тока не приспособлены для решения задачи структурно-параметрической идентификации электрической схемы замещения биологических объектов

Основные достоинства преобразователей параметров ДП в постоянные напряжения заключаются в их широких функциональных возможностях и простоте Основной недостаток таких преобразователей состоит в| необходимости применения элементов и узлов с высокой стабильностью характеристик Кроме того, применение преобразователей параметров ДП в постоянные напряжения при выборе схемы замещения основано на переборе всех существующих вариантов Это не позволяет использовать данный метод для структурно-параметрической иденти-фикщии электрической схемы замещения биологических объектов

Использование метода косвенных совокупных измерений позволяет произвести идентификацию электрической схемы замещения биологических объектов и определить ее параметры Поэтому для использования данного метода необходима разработка методики компенсаций погрешностей измерения

Разработана структурная схема определения параметров ДП методом косвенных совокупных измерений при использовании поляр-

ной

плексного сопротивления \Zy.l и фазового сдвига фх (рисунок 1)

системы координат, основанной на измерениях модуля ком-

Рисунок 1 - Структурная схема определения параметров двухполюсников методом косвенных совокупных измерений

На рисунке обозначено Ф — фазометр; Кл - строенный ключ, ПЭВМ - персональная ЭВМ, НОС - набор образцовых сопротивлений; ДП - измеряемый двухполюсник, Пп - строенный переключатель; ГСН - генератор синусоидального напряжения; АНИ — амплитудный нуль-индикатор

В соответствии с разработанной структурной схемой определения параметров ДП методом косвенных совокупных измерений реализован информационно-измерительный комплекс определения параметров костной ткани на основе серийно выпускаемых измерительных приборов.

Измерение модуля комплексною сопротивления ДП методом уравновешивающего преобразования и затем его использование в качестве образцового сопротивления для определения фазового сдвига наиболее предпочтительно, так как осуществляется уравновешивание только по одному параметру |2Х| (модулю комплексного сопротивления), что позволяет получить оптимальную точность измерения параметров костной ткани. |

Вместе с тем применение данного метода приводит к большим методическим погрешностям, обусловленным шунтированием измеряемых схем замещения комплексным входным сопротивлением используемых средств измерений

Процесс уравновешивания в мостах переменного тока является сложным из-за взаимного влияния активного и реактивного каналов изменения Поэтому весьма эффективными являются измерение модуля комплексного сопротивления путем уравновешивания по одному параметру и измерение фазового сдвига фазометром при питании измерительной цепи генератором синусоидального напряжения

Использование фазометра прямого преобразования приводит к появлению методической погрешности от шунтирования измеряемого ДП входным комплексным сопротивлением фазометра

З о потребовало разработки методики определения значения входного сопротивления средств измерений и методики компенсации возникающей при этом погрешности аппаратными и программными cpeд¿твaми.

Третья глава посвящена разработке методик компенсации погрешности средств измерений и алгоритмов обработки результатов изменений

Для определения значения представляющего собой параллельное соединение входных сопротивлений вольтметра и фазометр 1 (каналов А или В) необходимы измерения их активной и реак-ивной составляющих (рисунок 2 )

Рисунок 2 - Схема измерения эквивалентных величин активной составляющей входного сопротивления и входной ёмкости вольтметра и фазометра

Измерения необходимо произвести для обоих каналов фазометра, и в случае их различия необходимо уравнять параметры комплексных щих

входных сопротивлений обоих каналов с помощью шунгирую-резистора и конденсатора Если 7?вхВ > К вхЛ, то, приравнивая

ЯвхА г ЯвхцЯш(ЯвхВ + \ получаем

- ЯъхА К*хВ (КвхЛ ~ Кяхв)

(1)

здесь Кы - сопротивление шунтирующего резистора; /?ЗХЛ и ЯвхВ -активные составляющие входных сопротивлений каналов А и В фазометра.

Предварительные измерения активной и реактивной составляющих входного сопротивления фазометра позволяют, как показали приведенные в предыдущей главе исследования, произвести структурно-параметрическую идентификацию ДП и выбрать для объекта измерения соответствующую электрическую схему замещения при малом числе параметров (двух- и трехэлементных двухполюсников).

Однако применение косвенных совокупных измерений вместо прямых измерений требует более детального рассмотрения проблем анализа погрешностей. Как известно из теории измерений, общая погрешность измерения рассматривается как сумма методической и инструментальной погрешностей. При определении параметров ДП по результатам косвенных измерений значение методической погрешности в зависимости ог соотношения значений параметров измеряемого ДП и входных сопротивлений используемых средств измерений может быть много больше инструментальной погрешности, соответствующей классу точности прибора

При косвенных совокупных измерениях модуль комплексного сопротивления |2Х| определяется методом уравновешивающего преобразования, что соответствует теоретическому отсутствию методической погрешности измерения Затем измерителем сдвига фаз измеряется утол (рх.

При использовании метода прямого измерения сдвига фаз будет присутствовать методическая погрешность измерения, вызванная конечным значением комплексной входной проводимости измерителя сдвига фаз:

{Яд = (.80 + Яф )1СО» ф, - 6ф 81П <р, - , \ьх =(£о +£ф)8т<Р, -¿фсовф, -6ф.

Здесь gx и Ьх - истинные значения активной и реактивной составляющих комплексной проводимости измеряемого 1 ДПа, ¿о - проводимость сопротивления, равного модулю комплексного сопротивления двухполюсника, измеренного мостовым методом;

и 6ф - входные активная и реактивная проводимости отдельных каналов цифрового измерителя сдвига фаз

Выражения для активной и реактивной составляющих комплексной проводимости измеряемого ДП (2) показывают возможность компенсации общей методической погрешности измерений Значения Sg-^g^ и 5bxSbфи соответствуют мультипликативным составляющим методической погрешности, так как зависят от значений измеряемых величин gx и Ьх по результатам измерений фазометра Частные составляющие общей методической погрешности Sbx5bф

представляют «перекрестные» погрешности и соответственно определяют влияние реактивной составляющей входной проводимости фазометра bbxSb^ на активную проводимость двухполюсника gx и,

наоборот, активной составляющей входной проводимости фазометра 56;на реактивную проводимость двухполюсника Ьх. Таким образом, предварительно измерив и отсимметрировав значения активных и реактивных составляющих входной проводимости опорного и измерительного каналов измерений фазометра можно в соответствии с выргжением (2) скомпенсировать все составляющие методической погрешности косвенных совокупных измерений

Общая погрешность измерения для каждого из параметров ДП может быть представлена как сумма произведений погрешностей частных составляющих на их весовые коэффициенты

Так как gx и Ьх являются функциями четырех переменных параметров (go, g-ф, ¿ф. ф), то, используя соотношение (1), получим выражения для погрешностей активной и реактивной ироводимостей измеряемого ДП с учетом весовых коэффициентов Так, для частной погрешности 8bxbbg весовой коэффициент Sgo будет иметь значения

членов полинома а\х - g0 coscp, a0= sincp, b() = 1,

bo = 0 Тогда из выражений (2) получим.

1 ___5go_____f

8х i | Яф^Ф-^-^ф^Ф + 1 So (cos ф — 1) — b^ sin ф f go cos ф £ф(с08ф-1)

В последнем слагаемом выражения (3)

а = -arctg-— . (4)

Ч

Проделав аналогичные преобразования в выражении (2) для реактивной проводимости измеряемой цепи Ьх, получим.

ЪЪГ =---^-^ +--------------

1 + 81Пу + 6ф(С08ф-1) + gp Sin ф + ¿>ф (COS ф 1) g0siny ЯфЗШф

+ -^—ФЁ2— (5)

1 | (Яо+Яф^пф tg(9 + а)

6ф(С05ф-1)

Для нахождения численных значений весовых коэффициентов отдельных погрешностей необходимо подставить в выражения (2) значения сопротивления образцовых резисторов, соответствующих значению модуля комплексного сопротивления биологической ткани, и параметры входных сопротивлений фазометра.

Анализ выражений (3) и (5) показывает, что весовые коэффициенты всех частных составляющих общих погрешностей 5 gx и 8 bx меньше единицы.

При анализе погрешностей определения параметров трех и более элементных ДП необходимо использовать готовые выражения для параметров конкретных топологий структур ДП, полученных из решения систем нелинейных уравнений (2)-{5)

Большое теоретическое и практическое значение имеет решение задачи правильного выбора модели объекта в виде пассивного ДП с сосредоточенными параметрами.

В двухэлементных двухполюсниках (ДДП) возможны только два варианта топологии измеряемого двухполюсника - последовательное соединение двух элементов в одной ветви или параллельное соединение составляющих его элементов (рисунок Ъ,а,б).

г, 2г

-л—I-сиз—•

б

Рисунок 3 - Топочогические варианты ДЦП

Z Z-,

Для них Zxl — Zj +Z2 и Zy2 - ——•• соответственно

Zj +

Учитывая, что сопротивление Z, может быть представлено в виде RZ-C-элеметов, число возможных вариантов доя ДП составит три, ДЦП - шесть Для биологических объектов сопротивление Z, может быть представлено только в виде йС-элементов Следовательно, число возможных вариантов для ДП составит два

Выбор соответствующего варианта схемы электрической цепи в виде ДЦП может быть произведен на основе двух признаков идентификации

Первым признаком идентификации ДП является их топология, а вторым признаком - характер ДЦП индуктивный или емкостный, резонансный или нерезонансный В нашем случае характер цепи -всегда емкостный.

Ш мерения углов сдвига фаз производятся фазометром на двух частотах co¡ = ют,п и ©2= сота,. Полярность угла сдвига фаз между падениями напряжений на образцовом резисторе и ДП указывает на характер ДП.

Таким образом, можно однозначно определить структуру объекта измерения в виде ДЦП, проделав одним фазометром предварительные измерения на двух частота^ напряжения питания измерительной СО) и (Ог, и однозначно определить электрическую модель объек-дерений в виде ДЦП

В трехэлементных двухполюсниках (ГДП) в зависимости от топологии измерительной цепи возможны четыре варианта ее представления в обобщенном виде.

В четвертой главе определяются значения диапазона частот и размеров электродов для съема данных неинвазивным способом при измерениях параметров костного регенерата, рассматриваются методики проведения измерений параметров костной ткани в клиннче-

цепи та изй

ских условиях и апачиза результатов проведенных измерений Рассматриваются возможные направления совершенствования неинва-зивного импедансного метода при определении степени регенерации кос гной ткани

Исходя из проведенных экспериментальных исследований, наиболее щадящими и наименее травматичными являются частоты начала звукового диапазона, от десягков герц до нескольких килогерц

Исследование данного диапазона частот позволило определить максимальные и минимальные размеры накладных электродов для оптимального определения степени зрелости костного регенерата, основанного на измерении комплексного сопротивления и модуля сдвига фаз исследуемого сегмента биообъекта. График выбора площади электродов от значения часгогы приведен на рисункь 4.

51Я, см2

8 к--^

I ч I

6---1--

! !/>

г---1---¡-'—-¿С.^

I I . - - ^ I I I ' - -о,___|___1____1_____________

С_I_(__и___I_

1-10"» 1-ю2 140' 1*1 о4 /, кГц

Рисунок 4 — Выбор площади эле«родов ог значения частоты Зависимость значения модуля комплексного сопротивления и угла фазового сдвига для определения степени зрелости костного регенерата при использовании электродов с площадью поверхности равной 3 см2 при напряжезши питания 5 В, показывает, что наиболее информативным является диапазон частот от 40 Гц до ] ,5 кГц При этом значения модуля комплексного сопротивления изменяются от 1 • 102 Ом до 3 • 104 кОм, а угла фазового сдвига от 5 до 70°.

При клиничес!сих исследованиях применялись электроды, используемые при съеме показаний ЭКГ Так как такие электроды не являются оптимальными для данного метода измерения, была проведена их незначительная модернизация. Внешний вид усовершенствованных электродов представлен на рисунке 5,а,б.

а б

Рисунок 5 — Внешний вид электродов а - испочьзуется при открытом кожном покрове, б - используется при наложении гипса

На рисунке 5,а представлен внешний вид электрода для съема показа!™ с открытой поверхности кожного покрова Он состоит из выступающей электропроводной части для фиксации электрода и подключения к измерительной цепи 1; проводящей контактной площадки 2; эластичного канта из диэлектрика, для лучшего соприкосновения с поверхностью кожного покрова с помощью электропроводящего геля 3.

Данный вид электрода использовался при фиксации костной ткани аг паратом Илизарова.

При фиксации травмированной конечности гипсовой повязкой необходимо использовать модификацию электрода, приведенную на рисунке 5,6, состоящую из двух частей

Верхняя часть электрода содержит выступающую электропроводную часть для фиксации электрода и подключения к измерительной цепи 1; фиксирующую пружину 2. непроводящую крышку-фиксатор цили вдрической формы с резьбой 3, проводящую контактную площадку 4

Ннжняя часть электрода содержит непроводящую полую вставку в гипс цилиндрической формы с резьбой 5; фиксирующий выступ вставки 6, гипсовую повязку 7

Ннжняя часть электрода накладывается на кожные покровы в момент фиксации травмированной конечности гипсовой повязкой с по-

мощью выступа - вставки 6 и позволяет получить непосредственный доступ электрода к кожному покрову

Применение обоих типов электродов позволяет произвести съем информации и отслеживать динамику процесса регенерации костных тканей при всех вариантах фиксации переломов.

Пример наложения электрода приведен на рисунке 6

Рисунок 6 - Пример наложения электродов на поверхность кожного покрова

1 - мягкие ткани биологического объекта, 2 - место разрыва костной ткани, 3 - путь распространения сигнала Ьтт. 4 - путь распространения сигнала £тах, 5 - электроды, 6 - картикальный слой трубчатой кости, 7 - костномозговой канал

Токи разных частот имеют различные пути распространения в биологических тканях и, в зависимости от частоты используемого сигнала, проходят через различные срезы костного регенерата в месте перелома или остеотомии при удлинении конечности (рисунок 7). Это позволяет получить при съеме информации на различных срезах не только целостную картину костной мозоли, но и проследить степень регенерации определенных ее слоев Это очень важно

2

3

4

ль

4*10"3 15 /, кГц

Рисунок 7 ~ Зависимость пути распространения сигнала ог частоты

Д£ — —.!— , I, - путь распространения сигнала нз частоте о<(, 2пЯ

К - половина расстояния между электродами (радиус конечност55 в месте наложения эчектродоз)

при переломах со сложной плоскостью концов костных фрагментов или при хирургическом лечении дефектов костных тканей.

При контроле процесса регенерации костной ткани методом измерений по одной точке врачу зачастую затруднительно определить знач'ение параметров здоровой тканн в связи с тем, что не всегда есть возможность произвести съем информации с аналогичного участка симметричной конечности. Определенную трудность также вызывают Неравнозначные данные у людей с разной комплекцией или с сопутствующей патологией организма. В таких случаях необходим большой банк данных измерений, что невозможно в течение первых 3-5 лет применения данной методики для определения регенерации костной ткани Значительное повышение точности измерений можно получить за счет использования данных, снимаемых с трех точек -непосредственно в месте перелома, а также на небольшом удалении от нее в обе стороны. Схема наложения электродов при таком способе показана на рисунке 8

Рисунок 8 - Пример наложения электродов при съеме данных по ърем точкам

Показания снимаются со всех трех точек (расстояние между точками должно быть в диапазоне от 8 мм до 8 см) Затем по данным измерений по двум крайним точкам рассчитывается теоретический уровень |2|ь равный среднему значению между значениями крайних точек измерения, характерный для значения здоровой костной ткани. Сравнение отношений между теоретически рассчитанным уровнем и практически измеренным \Х\г позволяет адекватно оценить степень регенерации костной ткани и одновременно избавляет от необходимости коррекции данных за счет вычшания значения мягких тканей при съеме информации неинвазивным способом

Данная методика имеет более низкий порог чувствительности по сравненшо с рентгенографией Позволяет наблюдать за динамикой регенерации костной гкани с момента оперативного вмешательства или травмы. Разброс параметров усредненных кривых при неинва-зивном импедансном методе измерения степени регенерации не превышает 2-3 %, что подчеркивает преимущество этого метода по сравнению с рентгенологическим.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих электрохимических методов исследования биологических объектов Показано, что при изменениях сзойств биологических объектов изменяются их электрические параметры. Это позволяет использовать для оценки состояния биологических объектов методы импедансометрии Главными их достоинствами являются простота применяемой аппаратуры, оперативность использования, низкая стоимость Неинвазивный импедансный метод обладает высокой чувствительностью, позволяет увеличить количество информативных признаков и получить необходимые параметры с нужной периодичностью

2 Проведенный анализ применяемых методов импедансометрии позволил сделать заключение о необходимости разработки неинва-зивного метода измерения параметров биологического объекта и выбора безопасного диапазона частот для исключения вредного воздействия лучевой нагрузки на организм человека.

3 Предложено решение проблемы идентификации схемы замещения биологического объекта и точного измерения значений ее параметров Показано, что наиболее перспективным для решения задачи лруктурно-параметрической идентификации биологического объекта является использование метода косвенных совокупных измерений Разработаны структурные схемы алгоритмов измерения параметров электрических цепей, представленных многоэлементными двухполюсниками и программы определения значений параметров схем замещения биологического объекта

4 Разработан измерительный комплекс на основе серийно выпускаемых измерительных приборов для проведения измерений параметров костной ткани неинвазивным методом с использованием токо з низкой частоты, безвредных для организма человека

5. Произведен анализ методической погрешности косвенных со-вокулных измерений параметров биологического объекта Разработаны методики компенсации всех составляющих данной погрешности, определения и учета весовых коэффициентов частных составляющих инструментальной погрешности средств измерений при определении значений параметров биологического объекта

6. Определены информативный и безвредный для организма человека диапазон частот при неинвазивном съеме информации о зна-

чениях параметров костной ткани и соответствующие данному диапазону частот размеры и формы измерительных электродов

7 Проведены экспериментальные исследования процесса регенерации костной ткани и динамики созревания костного регенерата на основе измерения параметров симметричных областей биологического объекта в клинических условиях. Разработана методика повышения точности проведения измерений и повышения достоверности диагностики репарации костной ткани за счет увеличения числа точек измерений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Громиков, К. В. Объективизация процесса регенерации костной ткани / К В Громиков, И Р Добровинский, А И Кислов, А С. Кибиткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион - Пенза, 2004. - № 3 - С. 54-57.

Публикации в других изданиях

2 Громиков, К В Использование импедансометрии для контроля изменения плотности костной ткани в условиях дистракционного регенерата / КВ. Громиков, А. С. Кибиткин // Приложение к журналу «Открытое образование» - Ялта, 2006 - С. 202-206

3 Громиков, К В Использование цифровых мостов для измерения импеданса костной ткани / КВ. Громиков, В А. Жадаев // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Биомедсис-темы-2001». - Рязань, 2001 - С. 23.

4 Громиков, К В Анализ методов и средств измерений параметров двухполюсника / ИР. Добровинский, Л Н Бондаренко // Труды Международной конференции «КЛИН-2002» - Ульяновск, 2002 -С. 27-31.

5. Громиков, К. В. Анализ средств измерений параметров двухэлементных электрических цепей / КВ. Громиков, И. Р. Добровинский, В. А Жадаев /'/ Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции«Биомедсистемы-2003».- Рязань,2003 -С.43-46.

6. Громиков, К В. Определение параметров двух- и трехэлементных двухполюсников комбинированным мостом переменного тока / К В Громиков, И Р Добровинский, В А. Жадаев // Труды Международной конференции «КЛИН-2003» - Ульяновск, 2003. - С. 36-38

Громиков, К. В. Определение параметров электрической схемы [замещения поврежденной костной ткани в виде многоэлементного двухполюсника / К. В. Громиков, И. Р. Добровинский, В. А. Жада-ев// Информационно-измерительная техника межвуз. сб науч тр -Пенза . Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003 - Вып. 27. - С. 120-125.

{ . Громиков, К. В. Совершенствование средств измерений пара-мет эов двухэлементных электрических цепей / К В. Громиков, И. Р. Добровинский, В А. Жадаев // Информационно-измерительная техника : межвуз сб науч тр - Пенза Изд-во Пего гос. ун-та, 2003 -Bbii 28 - С 44-47

Громиков, К. В. Измерение параметров двухэлементных двухполюсников методом косвенных измерений / К. В Громиков, И. Р. Доб-ров гаский, В А Жадаев // Информационно-измерительная техника . меявуз сб науч. тр - Пенза • Изд-во Пего, гос ун-та, 2003,- Вып 28 -С. ^5-78

0 Громиков, К. В. К вопросу улучшения метрологических характеристик СИ для определения параметров комплексных сопротивлений! / К. В Громиков, И. Р. Добровинский, В. А Жадаев // Труды Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии». - Пенза : Пензенский технологический институт,2003 -С 79-82.

! 1 Громиков, К В Структурные схемы алгоритмов измерений циф-ров >ix средств измерений сопротивления / К. В. Громиков, И. Р. Добб-ров шский, Сун Шуай // Труды Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» — Пенза . Пензенский технологический институт, 2003 -С 121-125.

2. Громиков, К. В. Анализ определения значений параметров комплексных сопротивлений по результатам косвенных совокупных измерений / К В Громиков, И. Р. Добровинский, Е А. Ломтев // Труды Международного юбилейного симпозиума В 2-х т Т. 2 / под ред д. т. н., проф. M А Щербакова. - Пенза • Инф -изд центр Пенз гос, ун-та, 2003. - С. 75-78.

3. Громиков, К В Способ измерения параметров комплексных сопротивлений цифровым фазометром / КВ. Громиков, И Р Добровинский, JI Н. Бондаренко, В. А. Жадаев // Труды Международной конференции «КЛИН-2004». - Ульяновск, 2004. - С 21-24.

14. Громиков, К. В Объективизация зрелости костной ткани в процессе ее репарации / К В Громиков, И Р. Добровинский, А. И. Кислов, А. С. Кибиткин // XIV научные чтения памяти академика H. Н. Бурденко «Актуальные вопросы современной клинической медицины» • сб. тр. науч -пракг. конф. - Пенза, 2004 - С. 128-129

15. Громиков, К. В. Использование импедансометрии в процессе регенеращш костной ткани в процессе ее репарации / К. В Громиков, И. Р. Добровинский, А С Кибиткин // XIV научные чтения памяти академика H. Н. Бурденко «Актуальные вопросы современной клинической медицины» : сб тр. науч -практ. конф - Пенза, 2004. — С 75-76.

16. Громиков, К. В Определение плотности костной ткани в процессе ее репарации методом импедансометрии / К. В. Громиков, И Р Добровинский, А. И Кислов, А. С Кибиткин, С В Сиваконь // Здоровье и образование в XXI веке . материалы V Междунар науч -практ. конф - М. . Изд-во РУДН, 2004 - С 201-204.

17. Громиков, К. В К возможности идентификации двухэлементных двухполюсников / К. В Громиков, И Р. Добровинский, Сун Шуай // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации «Измерения - 2004» : тр Междунар. науч.-техн конф — Пенза • Инф -изд центрПенз гос ун-та.-С. 17-21

18. Громиков, К. В. Возможность идентификации трехэлементных двухполюсников / К. В. Громиков, И. Р. Добровинский, Сун Шуай // Современные информационные технологии : тр Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза . Пензенский технологический институт, 2004. -С. 56-59.

19. Громиков, К В Перспективы прогнозирования регенерации живой ткани человека с помощью импедансометрии / К. В. Громиков, И Р Добровинский, А И Кислов, А. С Кибиткин // Экология и жизнь тр Междунар науч -гехн конф. - Пенза : ПДЗ, 2004 - С 66-68.

20. Громиков, К В. Идентификация и определение значений параметров двухполюсников по результатам косвенных совокупных измерений / К. В. Громиков, И Р. Добровинский, Сун Шуай // Труды Всероссийской научной конференции молодых ученых «НТИ-2004». -Новосибирск, 2004 -С. 10-12.

21. Громиков, К. В. Анализ погрешностей определения значений параметров комплексного сопротивления с использованием цифрового фазометра / К В Громиков, И Р. Добровинский, Сун Шуай // Ин-

2j кушп

формационно-измерительная техника тр университета Межвуз сб науч'. тр - Пенза : Изд-во Пенз roc ун-та, 2005. - Вып. 29 -С 65-71

22 Громиков, К В К вопросу компенсации методической погрей ности косвенных совокупных измерений параметров / КВ. Громиков, И. Р Добровинский // Труды международной конференции «Ю14Н-2006» -Ульяновск, 2006 -Т 3.-С. 72-76

23 Громиков, К. В Перспективы использования косвенных сово-тых измерений для определения параметров электрических цепей /

К. В Громиков, И Р. Добровинский, Е А. Ломтев // Надежность и качество : тр. Междунар симп. В 2-х т. - Пенза . Инф-изд центр Пен; гос ун-та, 2006 -Т. 1 -С 21-22

24 Громиков, К В. Новые способы определения плотности костной ткани / К В Громиков, И. Р Добровинский, А И Кислов, А С Ки-биткин, С M Геращенко // Тезисы докладов 8-го съезда травматоло-гов-(!)ртопедов России «Травматология и ортопедия 21 века;>, 2006 -С. 5¿

25 Громиков, К В, Перспективы применения косвенных совокупных измерений для определения параметров электрических цепей / К. В Громиков, И Р. Добровинский, Е. А. Ломтев // Мир измерений, -2007 -№2 - С 45-48

Громиков Кирилл Владимирович

Неинвазивный импедансный метод определения параметров костной ткани

Специальности 05 11 17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения 05 11 01 — Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Редактор Т В Веденеева Техническим редактор Н А Вьяпкова

Корректор С Н Сухова Компьютерная верстка С П Черновой

ИД № 06494 от 26 12 01 Сдано в производство 27 04 07 Формат 60x84'/16 Бумага писчая Печать офсетная Уел печ л 1,39 Заказ № 289 Тираж 100

Издательство Пензенского государственного университета 440026, Пенза, Красная, 40

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СОСТОЯНИЯ

1.1. Описание объектов исследования

1.2. Электрические и электрохимические свойства биологических объектов

1.3. Методы исследования биологических объектов

1.4. Задачи, решаемые в работе по безопасному неинвазивному применению импедансного метода определения параметров костной ткани

1.5. Схемы замещения костной ткани 29 Выводы по главе

2. ВЫБОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ

2.1. Анализ методов определения параметров схем замещения, представленных многоэлементными двухполюсниками

2.1.1. Мостовые методы измерений значений параметров схем замещения костной ткани

2.1.2. Инвариантные методы измерения значений параметров схем замещения костной ткани

2.1.3. Косвенные совокупные измерения значений параметров схем замещения костной ткани

2.2. Структурная схема определения параметров схем замещения костной ткани методом косвенных совокупных измерений на основе измерения модуля и фазового сдвига

2.3. Математическое описание работы СИ модуля и фазового сдвига

Выводы по главе

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ СИ И АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Методика определения значений входных параметров

СИ модуля и фазового сдвига

3.1.1. Измерение входных сопротивлений измерительных приборов на постоянном токе

3.1.2. Измерение комплексных составляющих входных сопротивлений измерительных приборов на переменном токе

3.2. Погрешности косвенных совокупных измерений значений параметров двухполюсников и разработка методики их компенсации

3.3. Разработка методики определения весовых коэффициентов составляющих погрешностей, влияющих на значения измеряемых параметров схем замещения костной ткани

3.4. Определение параметров двух- и трехэлементных схем замещения костной ткани на основе измерения модуля и фазового сдвига

Выводы по главе

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСТНОГО РЕГЕНЕРАТА

4.1. Определение значений диапазона частот, выбор формы и размеров электродов для съема данных неинвазивным способом при измерениях параметров костного регенерата

4.2. Результаты экспериментальных данных, проводимых по однократному измерению в области травмы неинвазивным импедансным методом

4.3. Анализ полученных результатов измерений и совершенствование метода за счет измерения параметров симметричных областей биообъекта

4.4. Повышение точности диагностики процесса репарации костной ткани за счет измерения по трем точкам

4.5. Возможные направления совершенствования неинвазивного импедансного метода при определении степени регенерации костной ткани

Выводы по главе

Актуальность работы.

В различных областях медицины оценка состояния биологических тканей, в том числе костной ткани является очень важной задачей. Практически при каждом заболевании требуются диагностика на ранних стадиях, выбор рациональной методики лечения и контроль состояния биологического объекта, особенно после оперативного вмешательства.

В настоящее время существуют неинвазивные методы, позволяющие оценивать состояние костной ткани (рентгенологические, радионуклидные, ультразвуковые, компьютерная и ядерно-магнитно-резонансная томографии). Но возможности применения данных методов ограничены из-за оказания на организм человека лучевой нагрузки, высокой стоимости применяемой аппаратуры, относительно низкой чувствительности и информативности.

В этой связи одной из основных задач стоящих перед разработчиками медицинской аппаратуры является создание новых информативных и безопасных методов контроля состояния костной ткани.

В последнее время для решения поставленных задач все более широкое применение стали находить электрохимические методы анализа (Калашник А.Ф., Хачатрян А.П. и др.), основанные на измерении электрических параметров биообъектов при пропускании через них электрического тока. Главными достоинствами данных методов является простота реализации метода, низкая стоимость аппаратуры, оперативность использования и безопасность для здоровья человека.

Из электрохимических методов для оценки состояния биологических объектов наиболее приемлемым является импедансный метод, в котором оцениваемым параметром является регистрируемое значение импеданса. Импедансометрию применяли для исследования первичного и вторичного сращивания костей (Ткаченко С.С, Руцкий В.В.). В процессе исследований были получены результаты, подтверждающие целесообразность использования электрохимических импедансных методов для оценки состояния костной ткани. Но в этих исследованиях применялись инвазивные методы, основанные на вживлении электродов в биологическую ткань и оказывающие негативное воздействие на организм человека из-за использования при проведении исследований токов мегагерцового диапазона частот.

В настоящее время для решения задач оценки состояния биологических объектов отсутствуют разработки, в которых предлагается использование неинвазивного импедансного метода контроля регенерации костной ткани с использованием безвредного для пациента диапазона частот, исключающего лучевую нагрузку на организм человека.

Таким образом, актуальность темы определяется потребностью создания приборов и систем на основе более эффективного метода по сравнению с существующими, а также реализующих его алгоритмов контроля состояния костной ткани при различных заболеваниях пациентов. Это позволит осуществлять своевременную диагностику заболевания и постоянное наблюдение за процессом лечения, но при этом снизить осложнения и сократить сроки реабилитации больных.

Как правило, биологические объекты являются нелинейными нестационарными системами. Поэтому оценка их состояния является достаточно сложной проблемой и требует разработки методики и соответствующих алгоритмов.

Целью данной работы является совершенствование метода импедансометрии для контроля состояния костной ткани и разработка соответствующего измерительного комплекса.

Основные задачи исследования:

1. Анализ электрических и электрохимических свойств костной ткани и существующих методов измерения её параметров с целью разработки безопасного для организма человека метода диагностики состояния костной ткани.

2 Разработка модели биологического объекта на основе структурно параметрической идентификации в виде электрической схемы замещения для диагностики процесса регенерации костной ткани.

3. Разработка структуры информационно-измерительного комплекса для структурно параметрической идентификации параметров костной ткани.

4. Разработка методики и алгоритмов определения параметров объекта контроля и математической обработки полученных результатов измерений в клинической практике.

Методы исследования основаны на теории линейных электрических цепей и теории синтеза цепей. Использованы математический аппарат функции комплексной переменной, линейной алгебры, классических разделов математического анализа, теории погрешностей. Проверка результатов теоретических исследований проведена посредством натурных экспериментов и имитационного моделирования в средах Мшксас1 и МшЬаЬ.

Научная новизна работы:

1. Предложен неинвазивный импедансный метод контроля состояния костной ткани, позволяющий проводить многократное измерение параметров в течение периода формирования костного регенерата и исключающий вредное лучевое воздействие на организм человека.

2. Определены схемы замещения для идентификации костной ткани, позволяющие получить данные, характеризующие исследуемые объекты.

3. Разработана методика, позволяющая получить значения параметров костной ткани с более высокой степенью точности по сравнению с существующими.

4. Разработана методика компенсации аддитивных, мультипликативных и взаимосвязанных составляющих методической погрешности.

5. Разработана методика определения весовых коэффициентов частных составляющих инструментальной погрешности средств измерений при определении значений параметров костной ткани.

Практическая ценность работы:

1. Определены структурные схемы алгоритмов косвенных совокупных измерений параметров объекта контроля, решающие задачи структурно параметрической идентификации костной ткани.

2. Разработана методика компенсации аддитивных, мультипликативных и взаимосвязанных составляющих погрешности используемых средств измерений, обеспечивающая точность измерений, соответствующую мостам переменного тока.

3. Разработан измерительный комплекс, позволяющий оценить состояние костной ткани, основанный на неинвазивном и безопасном для организма человека импедансном методе измерений параметров биологического объекта.

4. Предложенные методика и измерительный комплекс могут использоваться в клинической практике для контроля состояния костной ткани в процессе лечения переломов и при удлинении кости.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Неинвазивный импедансный метод измерения параметров, характеризующих состояние костной ткани в процессе лечения переломов и при удлинении кости.

2. Схемы замещения для идентификации образов костных тканей.

3. Методика проведения контрольных измерений в процессе регенерации костной ткани по трем точкам, позволяющая исключить влияние субъективных факторов на результаты измерений и повысить их достоверность.

4. Измерительно-вычислительный комплекс для измерения параметров, характеризующих состояние костной ткани в процессе лечения переломов и удлинения конечностей в клинических условиях.

Реализация работы и внедрение результатов.

1. Пензенская областная клиническая больница им. H.H. Бурденко, Пензенский институт усовершенствования врачей Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию применяют методику оценки состояния костного регенерата, прибор для оценки динамики регенеративных процессов костной ткани.

2. Пензенский государственный университет использует научные и практические результаты диссертационной работы в учебном процессе на кафедрах «Информационно-измерительная техника» и «Медицинские приборы и оборудование».

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Пензенский госуниверситет», а также на международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: Всероссийская НТК «Биомедсистемы» (Рязань, 2001, 2003гг.); Всероссийская НТК молодых ученых «НТИ - 2004» (Новосибирск 2004г.); международные НТК «КЛИН» (Ульяновск 2002-2004, 2006гг.); Международная НПК «Здоровье и образование в XXI веке» (Москва

2004г.); международные НПК «Современные информационные технологии» (Пенза 2004-2006гг.); областная НТК «Актуальные вопросы современной клинической медицины» (Пенза 2004г.); Международная НПК молодых ученых «ГГ+БЕ'Об»" (Ялта 2006г.); на заседаниях научно-методического (технического) семинара кафедры "Информационно-измерительная техника" государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка использованной литературы заключения и приложений. Объем работы: 124 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 4 таблицы. Библиографический список использованной литературы содержит 67 источников.

Выводы по главе 4

1. Определены информативные и безвредные для организма человека частоты при неинвазивном съеме информации о значениях параметров костной ткани и соответствующие данному диапазону частот размеры и формы измерительных электродов.

2. Проведены экспериментальные исследования процесса регенерации костной ткани и динамики созревания костного регенерата на основе измерения параметров симметричных областей биологического объекта в клинических условиях.

3. Разработана методика повышения точности проведения измерений и повышения достоверности диагностики репарации костной ткани за счет увеличения точек измерений.

4. Предложены возможные направления совершенствования неинвазивного импедансного метода при определении степени регенерации костной ткани путем введения избыточности измерений.

5. Содержание главы опубликовано в работах [13,17 - 20,23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ существующих электрохимических методов исследования биологических объектов. Показано, что при изменениях свойств биологических объектов, изменяются их электрические параметры. Это позволяет использовать для оценки состояния биологических объектов электрохимические методы анализа. Главными их достоинствами является простота применяемой аппаратуры, оперативность использования, низкая стоимость. Из электрохимических методов наиболее оптимальным для оценки состояния биологических объектов является метод импедансометрии, поскольку он обладает высокой чувствительностью, позволяет увеличить количество информативных признаков и получать необходимые параметры с необходимой периодичностью.

2. Проведенный анализ применяемых методов импедансометрии позволил сделать заключение о необходимости разработки неиинвазивного метода измерения параметров биологического объекта и выбора безопасного диапазона частот для исключения вредного воздействия лучевой нагрузки при воздействии на организм человека.

3. Предложено решение проблемы идентификации схемы замещения биологического объекта и точного измерение значений ее параметров. Показано, что наиболее перспективным для решения задачи структурно-параметрической идентификации биологического объекта является использование метода косвенных совокупных измерений. Разработаны структурные схемы алгоритмов измерения параметров электрических цепей, представленных многоэлементными двухполюсниками и программы определения значений параметров схем замещения биологического объекта.

4. Разработан измерительный комплекс на основе серийно выпускаемых измерительных приборов для проведения измерений параметров костной ткани неинвазивным методом с использованием токов низкой частоты, безвредных для организма человека.

5. Произведен анализ методической погрешности косвенных совокупных измерений параметров биологического объекта. Разработаны методики компенсации всех составляющих данной погрешности, определения и учета весовых коэффициентов частных составляющих инструментальной погрешности средств измерений при определении значений параметров биологического объекта.

6. Определены информативный и безвредный для организма человека диапазон частот при неинвазивном съеме информации о значениях параметров костной ткани и соответствующие данному диапазону частот размеры и формы измерительных электродов.

7. Проведены экспериментальные исследования процесса регенерации костной ткани и динамики созревания костного регенерата на основе измерения параметров симметричных областей биологического объекта в клинических условиях. Разработана методика повышения точности проведения измерений и повышения достоверности диагностики репарации костной ткани за счет увеличения точек измерений.

1. Балабанян Н. Синтез электрических цепей. Пер. с англ. под ред. Г.И.Атабекова. Л.: Госэнергоатомиздат, 1961. - С. 461.

2. Балтянский С.Ш. Измерения параметров физических объектов на основе идентификации электрических моделей. Измерительная техника.- 2000, №9. С. 36-40.

3. Березовский В.А., Колотилов H.H. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. Киев: Наукова Думка, 1990.-С. 224.

4. Бессонов А. А. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. — 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1978.

5. Богомолов A.B., Гридин Л.А., Кукушкин Ю.А. Диагностика состояния человека. Математические подходы. М.: Медицина, 2003. С. 464.

6. Бурлаков Э.В., Попков A.B., Попков Д.А. Скорость удлинения конечности. Гений ортопедии, 1996, №1. С.44 - 46.

7. Власов П., Нечволодова О. Рентгенодиагностика переломов скелета. / Медицинская газета, 2003, №91. С. 8-9.

8. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л Энергоатомиздат, 1990. -С 288

9. Графов Б.М., Елкин В.В., Савова-Стойнова Б.Н., Стойнов З.Б. Электрохимический импеданс. М.: Наука, 1991. С. 336.

10. Геращенко С.И. Джоульметрия и джоульметрические системы. Теория и приложение: монография. Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2000.-С. 192.

11. Громиков К.В, Кибиткин A.C. Использование импедансометрии для контроля изменения плотности костной ткани в условиях дистракционного регенерата. Международная НГПС молодых ученых "IT+SE'06" Ялта, 2006. С.

12. Громиков К.В., Добровинский И.Р., Жадаев В.А. Определение параметров двух- и трехэлементных двухполюсников комбинированным мостом переменного тока/ Труды международной конференции "КЛИН-2003".-Ульяновск: 2003.

13. Громиков К.В., Добровинский И.Р., Жадаев В.А. Измерение параметров двуэлементных двухполюсников методом косвенныхизмерений. Информационно-измерительная техника: Межвузовский сборник научных трудов Вып.28 - Пенза: ПензГУ: 2003. С.

14. Громиков К.В., Добровинский И.Р., Кислов А.И., Кибиткин A.C. Объективизация процесса регенерации костной ткани. Известия высших учебных заведений Поволжский регион Пенза. 2004. №3. С. 5457.

15. Громиков К.В., Добровинский И.Р., Кислов А.И., Кибиткин A.C. Перспективы прогнозирования регенерации живой ткани человека с помощью импедансометрии Труды МНТК "Экология и жизнь", Пенза, ПДЗ. МК-90-14, 2004.

16. Громиков. К.В., Добровинский И.Р., Сун Шуай. Идентификация и определение значений параметров двухполюсников по результатам косвенных совокупных измерений. Труды Всероссийской научной конференции молодых ученых "НТИ 2004", г. Новосибирск, 2004. С.

17. Громиков. К.В., Добровинский И.Р., Сун Шуай. Анализ погрешностей определения значений параметров комплексного сопротивления с использованием цифрового фазометра. Трудыпоуниверситета, межвуз. сб. науч. трудов,: Пенза, Изд. ПГУ, 2005. Вып 29. -С. 65-71.

18. Громиков К.В., Добровинский И.Р., Кислов А.И., Кибиткин A.C. Новые способы определения плотности костной ткани. Сб. тезисов докладов 8-го съезда травматологов-ортопедов России "Травматология и ортопедия 21 века", 2006. С.

19. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1986.

20. Гусев В.Г., Мирин Н.В., Черников И.Г. Особенности получения измерительной информации о параметрах сложных двухполюсников. Измерительная техника. 1999, №2. - С. 40-44.

21. Джапаридзе Т.Д., Месхидзе Р.Н., Пруидзе В.Е. Эквивалентная электрическая схема емкостного первичного преобразователя влажности с изолированными электродами № 5. С. 77-79.

22. Добровинский И. Р., Ломтев Е. А. Проектирование цифровых вольтметров параллельно-последовательного уравновешивания. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1990.

23. Добровинский И. Р. ИВК повышенной точности для измерения параметров ЖС-цепей. / Электронная техника. Сер.Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания. — М.: ЦНИИ "Электроника", 1991. Вып. 5 (147). — С. 48 — 52.

24. Дональдсон П. Электронные приборы в биологии и медицине. Изд-во иностранной литературы. М., 1963.ш

25. Дьяконов. В. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: Солон-Пресс, 2002. -С. 768.

26. Ерофеев С.А., Чиркова A.M. Репаративная регенерация и перестройка кости после разрыва дистракционного регенерата. / Гений ортопедии, 1997, №4. С. 39 - 42.

27. Ерофеев С.А., Шрейнер А. А., Щудло М.М. Теоретические аспекты дистракционного остеосинтеза. Значение ритма дистракции. / Гений ортопедии, 1999, №2. С. 13-17.

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

29. Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. М.: Радио и связь, 1987. - С. 120.

30. Илизаров Г.А., Ерофеев С.А., Шрейнер A.A. Зависимость репаративной регенерации кости и функционального состояния удлиняемой конечности от дробности дистракции (экспериментальное исследование). / Гений ортопедии, 1995, №1. С. 8 - 12.

31. Искандер М.Ф., Дерни К.Х. Электромагнитные методы медицинской диагностики: Обзор // ТИИЭР, 1980. Т.68. №1. с. 148-156

32. Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений. JL: Госэнергоиздат, 1963.

33. Карни Ш. Теория цепей. Анализ и синтез. / Пер. с англ. М.: Связь, 1973.

34. Корженевский А. В., Корниенко В. Н., Культиасов М. Ю., Культиасов Ю. С., Черепенин В. А. Электроимпедансный компьютерныйтомограф для медицинских приложений. Приборы и техника эксперимента, 1997, №3,- С. 133-140.

35. Кнеллер В. Ю. Автоматические измерения составляющих комплексного сопротивления. — M.-JL: Энергия, 1967.

36. Кнеллер В. Ю., Агамалов Ю. Р., Десова А. А. Автоматические измерители комплексных величин с координатным уравновешиванием. — М.: Энергия, 1975.

37. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. М.: Энергоатомиздат, 1986. - С. 144.

38. Левин С.Ф. Теория измерительных задач идентификации.-Измерительная техника.-2001.-№ 7.

39. Льюинг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. (Под ред. Я.З. Цыпкина). М.: Наука, Гл. Ред. физ.-мат. литры, 1991.-С. 432.

40. Мартяшин А.И, Куликовский К.Л., Куроедов С.К, Орлова Л.В. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей. / Под ред. Мартяшина А.И.- М.: Энергоатомиздат, 1990. С.

41. Мартяшин А. И., Шахов Э. К, Шляндин В. М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. — М.: Энергия, 1976.

42. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. —М.: Мир, 1990.

43. Методы электрических измерений. / Под ред. Э. И. Цветкова. — Л.: Энергоатомиздат, 1990.

44. Орлов Ю. И. Электрические измерения параметров биообъектов и биопроб: Учебное пособие по курсу «Биомедицинские измерения». М.: МГТУ, 1989. - С. 37.

45. Орнатский П. П Автоматические измерения и приборы: Учебник для вузов. — Киев: Вишя шк., 1986.

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

47. Потемкин В. MATLAB 6: Среда проектирования инженерных приложений. М.: Диалог-МИФИ, 2003. - С 448.

48. Рентгенология (Под. ред. В.И. Милько) Киев: Высшая школа,1983.

49. Современные методы идентификации систем (Под ред. Эйкхоффа П.) М.: Мир, 1983. - С. 400.

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

51. Тюкавин A.A. Анализ способа измерения схемами уравновешивания параметров трёхэлементных двухполюсников / Метрология. 1984. №8.- С. 30-38.

52. Тюкавин A.A. Измерение параметров трех- и четырехэлементных двухполюсников мостами переменного тока. -Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988. С. 112.

53. Тюкавин A.A. О раздельном измерении LRC двухполюсников схемами уравновешивания / Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение. 1986. № 11. С. 71-76.

54. Тюкавин A.A. О сходимости мостов переменного тока для измерения параметров трёхэлементных двухполюсников. Изв. Вузов СССР. Сер. Приборостроение. 1988. №5. С. 58-61.

55. Утямышев Р. И Радиоэлектронная аппаратура для исследования физиологических процессов. — М.: Энергия, 1969. С 348

56. Хасцаев Б.Д. Введение в моделирование импеданса биообъектов и применение его информационных свойств в медицине и биологии Владикавказ: Терек, 1995.

57. Шлыков Г. П. Аппаратурное определение погрешностей цифровых приборов. — М.: Энергоатомиздат, 1984.

58. Шляндин В. М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. Учебник для вузов. — М.: Высш. шк., 1981.

59. Янкина Н.Н. Описание биологических объектов эквивалентными схемами замещения. 5 я Международная конференция «Радиоэлектроника в медицине». Доклады. - М.: Издательское предприятие редакции журнала «Радиотехника», 2003. - С. 58-61.

60. Babuska R., Verbruggen Н., Fuzzy В. Identification of Hammerstein systems / In Proceedings Seventh IFSA World Congress. -Prague, Czech Republic, 1997. V. 2. P. 348-353.

61. Dobrovinsky I.R., Lomtev E. A., Song Shuai. I.M.S. designing electric circuits parameters for measurement / Gansu Lanzhou. China, 2005. -P. 96.