автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка бесконтактного метода многофункционального оперативного контроля параметров биологической жидкости

РГ6 од

На правах рукописи

I о !•-•■•■

ШАШ1НА ЛАРИЙк МИХАЙЛОВНА

РАЗРАБОТКА БЕСКОЙХАКГНОГО «ЕТОДА, 3 ЫЕОГОФУНКЩОНАЛЬНОГО ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ аШОГИЧЕСКОЙ вдкосяи.

Сгощйльвость OS.II.7.3. "Приборы и ттодн контроля природной срэда» вещзстг ■ иато^дилов н надгта".

АВТОРЕФЕРАТ

дассертацаи нэ еонсиа^иэ учзаоа Степана кандидата техшггэтн! наук.

Санкт-Пвтараург 1906 г.

Ребота выполнена в Сашгт-Яэторбургсжом государствоннои технологической инотиггуте. Научный руководапиь: доктор топшчэскшс наук, Еераовоа

прсфэссар ^ Алзксгвдф Иванович

Офихдадьнш оппоненты: Заслувашьа деятель науки и

техники РВ, доктор технических Таргановшиа

паук, профессор, академик АНШ Дшприа Федорович

Кандидат технических Сшюгор

наук, дрцэнт Сешн Абрамович

Бэдузззо предпртятвэ: . Санкт-ГэторсЗургскиг назгшо-исслэдрватедьскиа Цантр Экшигичоской Безопасности Россшскоа Академии Ната.

Задгга состоится * кшя 1095 г в язе, в

ауд._ на ваоодаши диссертационного Совета

Д. 063.25.11. в Сашст-Потербургском государственном 1ехЕсдагнчэсяои иастатуто <198013, Саякг-Пэтербург, Уосковскиа Тф.., 28).

. С дасовртацяэа нояно оапакоыигься в библиотека Сашсг-Пэтэрбурегсзюго государотвэшшго Технсипгичо ского института.

Зашчания в отзывы а одшмг экземпляра, аавэренпш гербовое пэчатъю, проста направлять по адрэсу: 168013, йасковскиа пр., 26, С-Пэторбургский государственные тохнолпгичоскиа инспггут, Ученый Совет,

Автореферат разослан "2.($ мая 1005 г. Учэныя секретарь диссертационного совета:

и' '/

Хадимоы В.И.

■ з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность пройазмы.

В настоящее врет во нногшс ойхаатях акагппи, биологии, шдащшы актуальна задача осуирствлэяия отаратинного контроля за V функциональны»! пара&етрака бшлогичесисих наодта гая с _юэнсжностьо ^цраг-оянл сжпокоа.

Сшвдфячэскоа осоЗэнпостыа всех бшшгичэсшх объектов шшются завясиаость свойств биопрепаратов от врвнеии и условий опыта. Процэсо анализа даагза был» ная ю врдкопн и на окасшать зашгаого воздействия на сан объект.

Шотзсттаяяап! кэдацша, в .частности, кардиохирургия, краяпа пувдаэтся в иониторноа т его», Особую рэнность прэдеташтиг при5оры» „оз^аяяюодэ . контролировать рад оарэкэтрсга гокэостаза больного ш врэня одарацкя на открытом сорда. Бскжоатзвтаыг пайоров, осугззсгвлявдм яапрерышша контроль за расходом,, стэшпьа ониатенации и геиатокрдаш шцщости в тарфуашзшоа сшл»а», пока вэ существует. ' ' .

В яаотшйзо врзмя такк® необходимы авггоиатизированяыэ ' системы для коррекция бнжяшчэского состава бизлопгавсшпс еэдшстзз, аппарата и устройства дгя дазлкзз, фильтрации, гэкосорбдда и пдаамасорбцда, пряного' ¡шетрогишт-чского оюкышня. Воз они вуадаятся в измерениях темаггокригового числа и одговрэйэнаого контроля за расходов <йкшзгичой»ша явдкостн, пра зтоу на свивается вяввость опрэдолэння еэ стошни насыщения киолородри.

Из вшюизложэннт язго, что актуальность создания прибора контроля за параметраки бтюгичзскоа авдкоста очевидна.

Настоящая работа посвяврна олрадалыттз параяотров йиогогичйскоа «ядкости, таких как расход, геиатохраг, стэдань оксйгенацки, одам бесконтактный методом, пая5а®о точным, сосгг-ггсвующим современном» соотоши» науки и на на^уяэщим динамку течения жидкости.

Ш-шэ насгоящоз работы явлгатся:

- par эзботка теоретических основ и штодоб изкэровия расхода, генатокротового числа, стегови оксигенации бшлогитесноа жидкости,

- создаю® маизта прибора и апробация методик,

- оцэяка точности дагодов,

- проверка влияния прибора, юшяавщэго магнитную систему, как ого часть, на организм.

В дкссэртащояной работе были ротоны слэдужщш основвш задачи:

- аналкз катодов опреде-яэяия оксигвяации, темэтшсригового числа, расхода биологических ивдкостеа, прикэкяошх в наотоядае время,

выбор наиболее точного бесконтактного метода^ осуществляющего непрерывный контроль аа вьЕюнаааанныни пэрзтетрзш биологической жидкости одаш горвичнын прообразошпванм,

- создание мзкэтэ прибора расходовара-ралаксометра ШР,

- исслэдовашв связи врекэни сшш - рэшеточноа релаксации -1« биологическая жидкости с геяатокриговыа числом,

- вссдздованкэ связи пэравэтров сигнала ядерного магнитного разовавса Скэлопгшскоа жидкости со стошныэ ее насыщенном кислородом,

- исслвдованда влия^ря иагшггного поля прибора на организм.

Научная новизна работы состоит в той, что:

- вшрвь» сбнарувэна и исследована связь ширины и химического сдаига сигнала ШР ^ стрпенью оксигенации,

- ксслздэвава связь гематокрота с временем продольной

рэлзксащш ¿1 . текушра биодогичеокоа падкости,

- разработала мзтадикэ и какот прибора дня сов^сгного кй:эропия расхода и пзиатохрнга бда.юпгшсаша вг*дкоста,

- пувэдэна формула дал опродавзшга 1« ш отйспзней гтсггуд ситпалд ЯМ?, У

- разработан ;:апг-ТЕна ьщрд повзлзэшш услтйршвоста организма к ПШОГССГС!, ■' 7

- рсврзйотаз штод до^жшстшлоа акслгонзцип бх*агагот зшзз

гавдсасгга о ростдьи нзпгатного пахл.

Пржстачэсллп данность работы.

Ряорзботаяшлэ г-зтодага опродасэкня стегани насвдэпия Сттптаэсноа шидксста якоазродам» 5э гоматокрэтопаго чколз .расгода когут бить использованы пря ооздашш грз5орз Д2л контроля гарзг.зтгаа бгадогитескоа етдаоста в сютвзаз кптаторязга

В то зхрзф^я н^гут бить Есголызоааш ззвкскпоста продольного и непорочного вравэя р&хшеезвдя от птскея окелгонащи м пмзташэта бтгопкэакоа гадасоста.

На кофодрах и в лабораториям шдкцкисяя* учрээдиа, гда ость отавдаеггкцэ ПМР-чзгюктротатры и раязасо^ютш, рззргботзгаа» "огут бить кспользованы дел

опрэдалашш указанных: пзрзеттров.

Нзкошзшап ошг ш работе с гос^шннам изгннтнша голя:ш но::эт быть пряконэа в зкегоржэгггах на атвотпых и в практсггяаюя кздкципэ» как ютод шпызэпая устойчивости организма к ^таюксот я способ допешпгшльяоа оксипшаютя бшиоппегаса жидкости.

ПУ&госэдии к апробация работы.

1ода диссертации; госвгщзно 8 статей,. 4 авторских свадэтаяыггаз на изобретения, 3 патента, 4 доклада на; j конференциях» г : . - - Результаты работа

додокюяы на 3 Всесоюзная соводаяга "Квантовая кзтрологкя и фундзгетвташгда физячаскзэ константы" (1988, С-Штар5ург>. на 2 Всесоюзном схйздзэ саргртао-сосудастък хирургов <1933 С-Ооторбург), на Мегэдунзродаог кокфзрэнщй ш рзсщгдаераа

• (1994» С-ПатарЗург). По_результатам работы написаны 4

отчэта; ддя ЛГПО "CsE3pw;JiTilÜ Чптика", ША им. C'.l. Кирова \ (Нлкшаш озрдачдо-сосудастоа етрургш им. H.A. Куприянова>» СШТй ш за»аэ-взряду. Н ващгу выкосятся:

- способ определения стетяк оксигенацшз бвзлопгазсяша шдкоста ш паракэтрза сигнала ЯМР <шрквз и дидавскагу одвлгу),

- прзнцнй работы йзточеого ШР-расходакэра-ртлаксоккзтрз s comsxmsoo изаервнЕэ расхода и гэаатшфгггсвого числа,

- способ iassspansta геиатонрнгового чкслз бкашгячэгакш падкости по врвЕзнк щодмьког родаксадаа 3>,

- тгодига psöoru с прзЗороз ш контроля ©а пэрзаэтрэки бзззлопкэскса кзздкостк в дашсгяиэ,

результата зиспЗретнтагьта исследований да ЕшюльеовэаЕв посггаякаих тагсягаж хехши в условиях гшзксин и кбкбраннои оксигенацин. Структура и оЗьоа работы.

——........— -9---

Диссертация отстает* ив введения, 5-ти глав и выводов.

Сбъ®« pacW-53

страниц, рисунков 5 список

.игерзгура содэретт 177 нажэновгяаа.

На ршз. 2 показана экспэриментальная вавиошгасть химического одаига д** сигнала ВДР-протонов крови относительно плазмы того ш образца дая нь - 1 > кг/н® и рн » 7,з - 7,4. Погрешность измерений - БЖ

Известно» что ионы ш-иавгГ при соединении о кислородом дареходят в диамагнитное состояние, поэтому концэнтрация парамагнитных ионов жэлэза n ^ < зависит от отршни оксигенации крови во1, продставлжщэй относительную долю ионов тааэза, присоединивших кислород

- Чг - ао.»

Теоретическая зависимость от ви:

дог

д'.

11 - а

О!).

где - хнмичэокиа сдвиг линии протонов крс и при 8 =о.

-Г

В результате 8 г

» 1 - ДГ/Д-У

V V в о г* ° 3,6 ю" нъ (пи

К1

Информативны в прикладных цалях ш только хишкеокиа сдвиг, но и его ширина.

Наш обнаружена чувствительность ширины линии стектра протонов крови к стедани ее насыщения кислородом.

ДЛЛ ИиЛСЛОИИ." S£2IiCI~0CTH ЕЭ5ТГ0 176 обпзэцов нпови различных иквых объектов. С помощью сшавв-МНК оппроксинации построен градуировочньш график &r - f «So^ >, приведенный на рис.. 3. ПО атому графику возможно определить отстань оксигевации крови с погрешностью Б-10%. Большую точность подучить не позволяют индивидуальные, особенности.

В биологической вщдкости на ширину линии спектра явно влияет наличие парамагнитных ионов генов Fe~. Расчет ширины линии спектра биологическоя жидкости, связанный о концэятрацией парамагнитных ионов, аналогичен расчету химического сдвига сигнала и равен:

где &га - уширенш линии протонов крови при so,«о.

На рис. 4 дана вависиность /t>v* - W| от п -

ISO кг/м".

го !Ь ¡t 2 h

io Но 60 SO юо

Рис. 3.

zо ко 60 SO wo Рис. к.

z-

1

±

/

1±/ 1+4%

+

/

à +

4 (1-a)

2

2

2

Здзсь « ■ А/Ai - волптгап, которуто по условия;! эксггэртгэнта находить уд00г-50, 40 m 8.

Время рэ-^аксоцпл ?• связано о то сиэдуищиа образом:

В горвпчпом прэобр?2овата£э объег/ы vt«£> en', vR«i см*, v -1 cri*.

Ken у.-э Сыта описало ■ шзэ, • рзезод падшета опродэляэтся кэточшЬ! ошлсбса. Сттпзд E*tP» пр^дстщспгапз с об сп гоагэдоэзтолклэоть ездуяьсоз с ' частатозв рзгпоп удзоонзсз ч-зстото г,тоду*яц£я поля / » 100 ГЦ d сйгсотп

кыушст рогастрзцил, шдаотся ^эрзз дашрггтзге/* и гуэт па счзтчик пипульсов. К-от вачкаезт подавать пшу.тьсн па еттгчгк в !:с:„~?ет ег.етонгл рззслсисшга перт^аного поля в кзтушга иутацкя 8- С^эт кяпульсов, потакасмя. в этот "с'"эпт, заканчивается, когда 5п^пь~зшгз c:.trzrryr! :сятвайа

пм\ еызвдшотэ пряходви в еэтуоту р^гпстр'егя q кп~осгп,

резмапеггзшхея е кзтуга» 8, дзепхеэт оздзлнето зэттатая.

Typdyjroirrruîï тс тепля пэдгостл обзспзт^отся

пзоютттаа ганспок полоты. Есля прл турбулентном тзчянш даскрияииатор устадсгиля нэ уровзпь сигнала, прт когорта С1ЭТ прь;фЗ!цззтся прл .тикпхтр :

и

А * А*

& » --» то враая счзта жшулъсов ч. = у/а, где V -

2

объем трубопровода коэду катушкааи В ш 8, ЛЬ '

сосчитанных надульаов я нагадай врэт ь п/зл =• п/гоо.

Таким образом»' ш числу сосчэт-цшнж ¡пщузъсов п ацредошзтся раайЬд Сташпгаэйкой лщцкогги

V 20<"' V

.о = — а „ - Г5

П Г)

Подзтавав о из с 5" 5 £ (4 / - , нааира связь Т^и п:

т_ч)п v,,« ' v,«

а*VI«?. ■ 20М1Ы гооуй. [УГТ^Г-.. 1

14 и-в) 2

• • -!" ,' V - 1,5 саз", «'а,7 . •; * ^ . . . .... - .

Шг|®шнооть'ашзрэш13 ралвда н 'ршщзш. ТШГЛСЭЦЙН»

апродаллзыая соотаошэшЕги снгягие/йум, "частотой саедозання

. * ———г-^*"**" 1 ■ 4

иицульсов "и но. цреадааэт- ь5 %' ' ,

■ На . ианэтэ рагаодрперз-ршзксаизтрэ -фая ' провэдаш стендовыэ исрьггашя, а загса а акргор^эшж на ешотешс ' (собаках) ыакзт был апробирован кап гвдзЗор к-щраял расхода и прз^эЕй радаксацни Ъ в условия* гжстрш-:орпорш: лого цунтирчЕшшя в пиотеиах ивкусетвавного $фовоо5раЕ£йШя,

При ставд ша исщтщзшх новфгвцруэиоа гаадсоотыо шйташш даотйхшарогшшая и обшщозошая вода, йшлатчвш^ иэдкооти, таю©, как шаг а, ргтторовшсая швдкость, ^¡атаотачэсжиЗ рася-зор, калативоль, эра-роцигаая мае з о ршшташ гемятокриговым «шагом и кровь.

В рэвулвтата ¿лвучэпы хрздуироБачшаэ графики для 0ПрэД9Л_НПЯ расхода ш числу сосчитанных шдульсов п и продольного Ерзйэни релаксации Т* ш отвозйшо гишитуд а = к/А*., тваззвныэ та . в и 7. Погрешность 1,53 и Ъ%.

ю

т.

УУ

10'

-1!-1-

-0,2 ф 0,2, о,4

Рас. ^ ■

о го но &о юь щ

Рис. 6.

г .

В рябого тоороигееожя'и вкошретвэп.альяо Есагэдзвава

связь нь и 1». Эксшрпкззталшая зсгпк-тооть кь (а)

ГТ*Г-?.!Г3!1Э на ряг. 8. ______:___ЦЬ

а) плазма,

б) (*изиологичеси{1 растрср,

в) рингерсвскаг ^ч^кссть.

Рис. 3.

В глава Б цослздовано вишхшэ 1ла*дктно.ш поля пргйора на бизлопгюсшэ кадкооти.

Еиззнш мзгштюго юля прибора г стандаргшя услэв^х пазгуоспззнного кровообращашш нэ сбнарупэно, а в зхсгфолальпш: условия* кислорода^ недостаточности органшка вффэкт влияния Ш шгот быть только гэлойнтольеш.

На основании исалэдоваь^ разработан ' гагшшша катод гоееэния устозчшзоти оргашкзпа к щгокоеи ы шгад дрполшшзльнсй оксигепацнк бтпшаяа~кза адцзости.

вывода.

В результате проводгнноа работы получены следующие результата:

Г. Вдарвыэ обнаружена и исследована связь параметров сигнала ШР - ширины линии и химического сдвига - со стегонью нас_л?эния «иолопгк&зкоа жидкости кислородом. Полученч градуировочтч; зависимости и фориула определения зоа (ствгони нэсыще*л*я бдалогическоа вшдкоотп кислородом) по шранэтрая сигнала ЯМР;

Исслэдовзна связь гоматонригового числа со врэетнем продр"ъноа релаксации Г» в текупра бшлогичэокоа жидкости;

3. Разработан назсе-1 прибора и кэтодшса для совместного ившрения расхода и гояэтгокрига биологичэспоа вядаости па основе ШР. Применен.бесконтактный, накЗолеэ точный катод,

осуцоствл-тациа непрерывный контроль ва нышназваншш па^акэтрэш оданя гюрвЯчпыя

преобразователей. При этой учтены . вырзеы" сохранения стерильности бгологячелсоя > ш,цноста: йспользуется стандарт® одагрззовыэ шдицинскиэ трубопровода ащ' одноразовые кюветы дал шрвичггого преобразователя. Подучены градуировочпые графики дал опредакшил - расхода п геватокрита. Опытная эксплуатация призора показал/ дасояуэ надзшость работы "зриичного преобразователя; '■

4. Выведана формула для определения ' Г» по отногажэ аишигуд сигнала Я"Р тэкуйэа бисшэпьескоа яшдаостп;

5. Разработан ьагшп-ныя кетод говысэния устоачпшстн организма к гчпоксии.

I

8. Разработан метод дополтггелыюз окекгозацпэ биологической ¡щдгсости - гояоцьп магнитного шля.

, ПУБЛИКАЦИИ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ТЕГ4 ДИССЕРТАЦИИ.

1. А.И. Шерновоа, Г.Л. Антокольокна, В.Н. Ефимов, В.И. Скорик, Л.Ы. Шариина. Корреляция параметров спакгра ЯМР со стэдавыо насыщения крови кислородом. ШПХ, Д ff 802-В83, 1685.

2. А.И. Зерновоз. Л.М. Шаршина, Г.Л. Антокольокка, В.11. Ефимов, В.И. Скорик. Ощэнка степени ок-игэнации крови по ширине и сдвигу сигнала РЧ^. Ш. "Мэдгетаика", ДГБ429, ' 1688 г.

3. А.И. Карновса, В.Н. Ефийов, Б.А. Ч^ухнн, Л.М. Шаршина. Раоходокор-рэлаксошгр на основе ШР. ПриЗоростроениа IP 1-2, 1082, стр. Б2-Б5.

4. А.И. Карповой, ХМ. Варшнз, В-Н. Е|кжов, В.И. Скорик, В.А. Чирухин. Елияеш иахнитного ша. на эксигенацшо крови. JLW 10. Уад31Юэкономика, ÍÍ* Б90, .1891 г. ' '

Б. В.И. .Скорик, а.Ц'. Еераовст. Л.Н. Шаршина • З.В. Рудакоп, U.A. Куликова, В.а. Чируша.. Эффокг удашпнения сроков -шрэносимости сыэртольшй i. лсжсни при экстракорпоральной воздействии мапп.шбго . доля да кровь-. БЭБИН, 18* I, 1983, стр. 17-20. \

6. ' В.И. Скорик, А.И. Жарновой, л.Ы. Шаршина, H.A. Куликова, З.В. Рудакова, В.А. Чиружш. Изн-наниа F\K в условиях'дз£0твия ШП. БЭШ1, 1Г 1С, К)93, стр. 388-38Ь.

7. А.И. йорнов'чв, E.H. Ефимов, Л.М. Шаршша. Изшрнгель врэшнн релаксации дашнуп^эвоя крови, "борник докладов на 3-н всесоюзном совещании Кьантовая метрология и фундаментальные физическиэ коастанты. С^б, I9SB, с. 46.

8. В.И. .Скорик, А.15. »эртдг-a, Л.Ы. Шард. ia, в.А. Чирухин. Парсшктиш использования посто'тныж лагнигных полая в

пэрфуоиологии. Сборн-тс докладов на 2-й Всероссийском съезда сердечно-сосудистых хирургов. СПб, 1993 г., стр. 220.

9. А.И. Жерновой, Л.М. Шаршкяа, В.А. Чирухин. Расходомеры крови о магнитным полам и их лэчебнов дойствиэ на организм. Сборник докладов в- мэадународаоя научно-технической конференции "ооввршевтвованмэ средств измерения расхода жидкост", газа и пара" ОШ, 1994, отр. 85.

10. А.И. Жерновой, J И. Шарпшва, в.А. Чирухин. йзгаоренш расхода и гематокрита крови методом ЯМР. Сб. дрклздов на кепщународноа научно-технической конференции "Совэтганствовашэ средств изиэрения расхода шздкости, rasa и пара." СШ, 1994, стр 101.

11. А.О. 1Г I374K3I от Т8.II.84 г. А.И. КэрновоЯ, В.Н. пактов, Л.М. Шаршша. Способ определении стетни насыщзтн? крови кислородом. •

12. А.С. Н" 1514345, 15.10.89. БИ IT 38. ¿.И. Вертовой. В.К. Волков, B.U. Ефимов, Б.Ы. Вэлшссон, Ь.И. Снорик, Л.М. Шаршина. Устройство дяя изюрэния расхода и скорости кровотока иотодс' ЯМР.

13. А.С. N° 1428240, от 03.01.88. А.И. Еэргтеоа. В.В. Волков, В.Н. Ефимов, - Б,Ы. ' Эааиксон, В.Н. ' Скоршс, Л.И. Шаршаз.' Способ определения стегони насЬЕрния геноглэбияа крови кислородом. -

14. А.С. W 1764829 от 30.09:92. HI IT 38. А.И. ЕЭрновоЯ, В.К. Волков, В.Н. Ефшов, В.А, Чирухин, Л.М. Иаргаина. Датчик сигнала ЯМР.

15. Патент гоCP }Г 1837839, 3O.tB.03, Ш ?Г 32. А.И.

г

Вврново", В.Н. Волков, В.Н. Ефимов, Б.М. Зэлтхсоп, В.А. Чирухин, Л.М. Шарввши. Ядэряо-магштгпыа ргзозо.^гтэр дяя гиазмзферэза.

16. Патент H" 200Б935, Ш Б" 1. А.И. Жс^жовоа, В.Н. Ефшов, В.й. Волков, В.А. Чирухин, Л.М. Шараги^а. Способ изкэрения расхода вшдаости.

17.Патент W 20I7I44 от II.07.91. БИ К" II от 30.07.94. А.И. Шорнтаоя, В.К. Валков» В.Н. Ефшов, В.А. Чирухин, Л.М. Иаршина. Способ исследования движущаася крови катодом ЯМР.

?4 ;'05 .'Эй, Зая Э9-60 ГГП ИК СИНТЕЗ -Московский пр 26