автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Повышение точности определения оптических свойств кожных и слизистых покровов двухлучевым биофотометром

Л'-/ ' С,! и ~ А ■ -'А Ч -А - - 'К

О / ' - / " " '

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический

Университет

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА Светлана Николаевна

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЖНЫХ И СЛИЗИСТЫХ ПОКРОВОВ ДВУХЛУЧЕВЫМ БИОФОТОМЕТРОМ

Специальность: 05.11.17 - Медицинские приборы и

системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Чигирев Б.И.

Санкт-Петербург - 1998 г.

-2-СОДЕРЖАНИЕ:

Введение ........................................................4

Глава 1. Фотометрические методы и приборы для исследования биотканей .......................................................9

1.1 Области медицинского применения фотометрических методов .....9

1.2 Определение оптических свойств биотканей....................13

1.3 Источники погрешностей при неинвазивном определении оптических свойств биоткани ...........................................18

1.4 Принципы построения фотометрических устройств ............23

1.5 Принципы построения делительных схем .......................32

1.6 Методы анализа погрешности оценки фотометрических параметров .............................................................38

1.7 Постановка задачи исследования .............................46

Глава 2. Методы анализа систематических погрешностей двухлучевых биофотометров ..................................................49

2.1 Погрешность определения оптических свойств биоткани при изменении ее толщины .......................................50

2.2 Анализ погрешности двухволновых двухлучевых фотометров аналитическим методом ......................................67

2.3 Ошибки измерения параметров Ь и Г1 в биофотометрах с оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи ......79

2.4 Выводы по главе ............................................89

Глава 3. Принципы построения и аппаратурная реализация фотометрических устройств для неинвазивной оценки свойств

биотканей ......................................................91

3.1 Обобщенная схема двухлучевого биофотометра ...............91

-з-

3.2 Оптоэлектронная отрицательная обратная связь в двухлучевых

фотометрах с широтно-импульсной модуляцией .....................95

3.3 Выводы по главе ...........................................120

Глава 4. Апробации двухлучевых биофотометров в клинических условиях ............................................................122

4.1 Исследование оптических свойств биологической ткани при помощи ОЭИП с совмещенными потоками ...........................122

4.2 Оценка эффективности работы оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи ..................................131

4.3 Исследование особенностей регуляции регионарного кровотока беременных женщин .............................................134

4.4 Исследование при помощи двухлучевого биофотометра эффективности акупунктурного воздействия .................................141

4.5 Выводы по главе ...........................................140

Выводы ........................................................142

Заключение ....................................................144

Использованная литература .....................................146

Приложения ....................................................151

ВВБДБНИЕ

Фотометрические приборы для клинико-физиологических исследований находят широкое применение при определении важных медико-биологических показателей, характеризующих состояние организма живого биообъекта. Кроме клинико-лабораторного анализа, они используются в хирургии, анестезиологии, кардиологии, педиатрии, гинекологии и других областях медицины. Особенно интересны неинвазивные фотометрические методы как нетравматичные (не нарушают целостности покровов тела, избавляют пациента от болевых и неприятных ощущений) и наиболее безопасные (исключают внесение в организм чужеродных веществ, в том числе инфекций). При помощи этих методов можно определить такие показатели как оксигенация крови, показатели гемодинамики, содержание сахара и других веществ в живом организме.

При неинвазивной регистрации состава крови и параметров кровообращения, между преобразователем, помещаемым на поверхности кожи, и кровеносными сосудами лежит неоднородный неконтролируемый слой эпидермиса, который имеет различную пигментацию и толщину на разных участках тела или у разных людей на одном участке, различный волосяной покров и другие неоднородности. Это обуславливает разные оптические свойства (например, коэффициент пропускания, рассеяния) эпидермиса. Таким образом, на исследуемый медико-биологический показатель влияют различные факторы, связанные с неоднородностью верхнего слоя кожного покрова и других тканей. Эти факторы приводят к появлению систематической погрешности измерения фотометрических параметров биообъекта, по которым определяются медико-биологические показатели.

Изученные принципы построения отечественных и зарубежных фо-

тометров и их измерительных преобразователей позволяют сделать вывод, что эти систематические погрешности известными фотометрическими приборами компенсировать не удается. Измерение оптических свойств может осуществляться фотометрами, построенными по однолу-чевой или двухлучевой схеме. Однако, однолучевые фотометры не позволяют компенсировать указанную систематическую погрешность из-за отсутствия контроля мощности источника излучения и других недостатков, а возможности компенсации погрешностей в двухлучевых фотометрах недостаточно изучены. Кроме того, не существует подходов к оценке систематической погрешности, обусловленной неоднородностями кожных и слизистых покровов. Между тем, количественная составляющая систематической погрешности очень велика. Например, при измерении пульсовых колебаний, постоянная составляющая сигнала, то есть систематическая погрешность, примерно в 300 раз больше полезного сигнала пульсовых колебаний, что говорит о необходимости компенсации этой погрешности. Этим и объясняется актуальность данной работы.

Целью данной работы является повышение точности определения оптических свойств кожных и слизистых покровов за счет коррекции систематических погрешностей биофотометра с двухлучевым оптико-электрическим измерительным преобразователем и оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи, что обеспечивает увеличение достоверности постановки диагноза и оценки эффективности лечебных мероприятий.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ систематических погрешностей, возникающих при определении оптических свойств кожных и слизистых покровов;

2. Модернизировать аналитический метод и оценить систематическую погрешность определения оптических свойств биообъектов двухлучевым двухволновым биофотометром;

-63. Исследовать применение оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи как одного из методов компенсации систематической погрешности;

4. Разработать обобщенную структуру биофотометра на основании которой можно предложить принципы построения и аппаратурную реализацию двухлучевых биофотометров для неинвазивной оценки оптических свойств биоткани;

5. Провести экспериментальных исследований и апробации биофотометра в клинических условиях.

В первой главе рассмотрены существующие методы и приборы для фотометрических исследований биотканей, области их медицинского применения, источники погрешностей при определении оптических свойств биоткани, принципы построения фотометрических устройств, а также методы анализа погрешности оценки фотометрических параметров .

Во второй главе проанализированы составляющие систематической погрешности двухлучевого биофотометра, а также пути минимизации этой погрешности. Исследовано влияние изменения толщины биоткани на погрешность определения ее оптических свойств; составляющие систематической погрешности двухлучевых двухволновых фотометров, связанные с неоднородностью поверхностных слоев биологической ткани; применение оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи (ОКООС) для коррекции систематической погрешности и его влияние на погрешности двухлучевого двухволнового биофотометра. Для решения этих задач было использовано имитационное моделирование.

В третьей главе на основании проведенного анализа погрешностей построена обобщенная структура двухлучевого биофотометра, позволяющая проектировать новые классы фотометрических приборов для клинико-физиологических исследований и разрабатывать новые структуры фотометрических устройств различного назначения. На ос-

новании обобщенной схемы построены различные структуры биофотометров, которые дают возможность скомпенсировать систематическую погрешность, обусловленную неоднородностями тканей, за счет выбора структуры оптико-электрического измерительного преобразователя (ОЭИП), режима работы прибора, управления излучением излучателей.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и апробации биофотометра в клинических условиях. Результаты определения оптических свойств кожи позволили сформулировать требования к разработке двухлучевого метода и технологии неинва-зивной фотооксигемометрии по работе ГР/БЭС-Зб от 02.03.98. Клиническое использование биофотометра, позволяющего компенсировать систематическую погрешность, дает возможность получать данные, чтобы уточнить диагноз.

Научная новизна данной работы заключается в:

1. Проведении анализ погрешности определения оптических свойств биоткани при изменении ее толщины, на основании которого показано, что систематическая погрешность может существенно превышать полезную составляющую сигнала.

2. Модернизации аналитического метода анализа погрешности путем введения пространства фотометрических параметров, что позволило получить соотношения для расчета систематической погрешности обобщенных фотометрических параметров ¡1^ и •

3. В работе предложены методы компенсации систематической погрешности за счет использования двухлучевой схемы, широтно-им-пульсной модуляции и оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи.

4. Разработке обобщенной структуры фотометрической системы и основанные на ней варианты структур с широтно-импульсным преобразованием, позволяющие компенсировать систематическую погрешность определения оптических свойств биоткани.

Практическую ценность составляют:

1. Способы минимизации систематической погрешности спектро-зонального двухлучевого биофотометра.

2. Аналитический метод анализа погрешностей двухлучевого двухволнового биофотометра.

3. Обобщенная структура биофотометра, на основании которой предложены варианты схем с широтно-импульсным преобразованием, позволяющие проектировать новые классы фотометрических приборов для клинико-физиологических исследований и разрабатывать новые структуры фотометрических устройств различного назначения.

4. Применение биофотометра для изучения сосудистых реакций и периферического кровообращения с целью определения показателей гемодинамики, оксигенации крови и содержания других веществ в живом организме.

Глава 1. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОТКАНЕЙ

1.1 Области медицинского применения фотометрических методов

Фотометрические методы медико-биологических исследований имеют высокую информативность, они позволяют определить ряд существенных медико-биологических параметров, характеризующих состояние организма человека. Например, оксигенацию крови, показатели гемодинамики, содержание сахара и других веществ в живом организме [1,2,3,6]. Кроме того, фотометрические методы исследования дают возможность проводить исследования неинвазивно, что исключает внесение в организм чужеродных веществ, в том числе инфекций, избавляет пациента от неприятных ощущений, сводит к минимуму воздействие на организм лучистого или светового потока из-за высокой чувствительности фотоприемников и малой мощности излучения.

Фотометрические приборы имеют широкое медицинское применение: их используют в анестезиологии; в хирургии и реанимации; в кардиологии при лечении легочной и сердечной недостаточности; в педиатрии и гинекологии для предотвращения асфиксии у новорожденных, определения состояния плода и гинекологического обследования женщин; в пластической хирургии для определения жизнеспособности реимплантированных тканей; в неонатологии для подбора адекватной вентиляции и уровня подачи кислорода тканям, оптимизации индивидуального плана лечения [7,8,9].

Примером интенсивного развития и применения в медицинской практике фотометрических приборов может служить пульсовая оксимет-рия. Постоянный мониторинг вентиляции легких и гемодинамики может быть осуществлен с помощью пульсового оксиметра, который позволяет одновременно неинвазивно измерять частоту пульса и с высокой точ-

ностью артериальную сатурацию. Непрерывные показания пульсового оксиметра позволяют анестезиологу своевременно принять решение до наступления необратимых повреждений у больного [7,8,9].

В настоящее время повышение безопасности больного во время обезболивания - одна из ведущих проблем анестезиологии. Это связано прежде всего с высокой частотой анестезиологических осложнений. Во многих странах на базе "Минимальных стандартов мониторинга", принятых в Гарвардской медицинской школе, были установлены свои стандарты. По данным J.B.Cooper (1988) постоянно увеличивается частота использования пульсовых оксиметров. В 1986 г. пульсовые оксиметры использовали в 21,5% от общего числа операций, а в 1987 году уже в 76,9%. Введение пульсовых оксиметров в рутинную практику уже полностью завершено в США и Австралии. Их использование "настоятельно рекомендовано". В Австралии уточняют, что этот прибор необходим при медицинских процедурах, где доставка тканям кислорода может оказаться недостаточной: при любом виде оперативных вмешательств, у беременных, у больных с дыхательной и циркулятор-ной недостаточностью, при отоларингологических процедурах [8].

Интересно использование пульсовых оксиметров для определения жизнеспособности реплантированных пальцев руки. B.Graham сообщает о пользе пульсовых оксиметров для определения субклинической ишемии, развивающейся вследствие венозного тромбоза пересаженного пальца. О применении пульсовой оксиметрии при перевязке легочной артерии у детей с дефектом межжелудочковой перегородки сообщил P.A.Casthely, считая ее необходимой для раннего определения легочного кровотока после перевязки. Высокую оценку пульсовой оксиметрии в пластической хирургии дают A.Ricardo и de L.Samoyoa, где она может использоваться для определения жизнеспособности реимпланти-рованных тканей [6,10,11,14].

В неонатологии применение пульсовой оксиметрии приобрело ши-

рокие масштабы. Ее использование обусловлено возможностью почти мгновенного получения значения насыщения крови кислородом после извлечения плода. Предпочтительность использования пульсовых окси-метров в детской практике обусловлена многими причинами. Во-первых, взятие пробы артериальной крови связано с рядом ограничений: болью, опасностью кровотечения, травматизацией артерии, невозможностью мгновенного получения ответа, сложностью получения информации во время сна и физической нагрузки. Во-вторых, пульсовая окси-метрия обеспечивает получение информации об адекватности доставки кислорода тканям. В-третьих, сатурация может быть использована для оценки органного кровотока и предсказания изменений перфузии органов .

Несмотря на очевидные преимущества пульсовых оксиметров, диапазон задач, связанных с определением эффективности снабжения организма кислородом, показателей гемодинамики в живом организме чрезвычайно широк. Например, пульсовые оксиметры не могут быть применены при компрессионных методах исследования. Поэтому ведутся интенсивные разработки в других направлениях. Одним из таких направлений является транскутантная "отражательная" оксиметрия [12], при которой регистрируя отраженное от кожи излучение различных длин волн в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) - спектральном диапазоне можно определять и в течение длительного времени отслеживать насыщение крови кислородом.

Главное преимущество этого метода - возможность измерения практически в любой точке поверхности тела позволяет применять различные модификации "отражательных" оксиметров для решения ряда специальных задач, связанных с исследованием параметров локального кровотока. Среди возможных областей применения можно выделить следующие :

- измерение оксигенации крови в крупных неглубоко залегающих сосу-

дах (сонной артерии и др.)>

- исследование кровоснабжения глазного дна;

- определение параметров церебрального кровотока (необходимое, например, для оценки эффективности снабжения кислородом тканей головного мозга у новорожденных или для исследования функционального состояния при перегрузках) [12].

При помощи фотометрических методов можно проводить исследование особенностей регуляции регионарного кровотока в