автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Разработка и исследование системы урофлоуметрического мониторинга

На правах рукописи

ПОДМАРЕВ Анатолий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УРОФЛОУМЕТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского

назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г сен т

ПЕНЗА 2015 005561865

005561865

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Арзамасский политехнический институт. Филиал Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева».

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Ямпурин Николай Петрович.

Шикульская Ольга Михайловна,

доктор технических наук, профессор, ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт», главный научный сотрудник, отдел научно-исследовательской деятельности, сектор научной и международной деятельности;

Кривоногов Леонид Юрьевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», доцент кафедры «Медицинские информационные системы и технологии»

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет»

Защита диссертации состоится «_»_2015 г., в_часов, на

заседании диссертационного совета Д 212.186.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Диссертация размещена на сайте ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/podmarev

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан «_

2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Анатолий Вильевич Светлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одной из урологических патологий является обструкция мочевыводящих путей, т.е. их закупорка, препятствующая свободному оттоку мочи. Повреждения, вызывающие обструкцию, могут произойти на любом уровне мочевых путей: от почечных чашечек до наружного отверстия мочеиспускательного канала.

Затруднение оттока мочи сопровождается увеличением давления в мочевых путях и может привести к острой или хронической почечной недостаточности, местному инфицированию и образованию камней. Своевременная диагностика и адекватное лечение способствуют устранению причин, вызвавших нарушение оттока мочи, и восстанавливают нормальную функцию мочевых путей.

Важным исследованием, позволяющим врачу поставить диагноз, является урофлоуметрия — неинвазивный бесконтактный метод регистрации объемной скорости потока мочи при мочеиспускании. На основании получаемого графика - урофлоуграммы - можно судить о нарушениях функционирования мочевыделительной системы. Диагностическую информацию дают следующие количественные параметры урофлоуметрии: выделенный объем мочи; максимальная скорость мочеиспускания; средняя скорость мочеиспускания; время ожидания; время достижения максимальной скорости; время мочеиспускания. При этом с максимально возможной точностью оценить функциональное состояние мочевыделительной системы дает возможность урофлоуметрический мониторинг - регистрация всех урофлоуметрий в течение одних-трех суток.

На данный момент на рынке имеется большой выбор урофлоуметри-ческих систем, которые широко используются в медицине. Каждая из систем основывается на разнообразных физических принципах измерения. Но при этом все системы обладают существенными недостатками: либо большими габаритами, либо высокими требованиями к персоналу, что не позволяет проводить измерения амбулаторно, либо присутствием контакта с агрессивной средой (мочой), которая приводит к отложению солей, разрушению конструкции и, как следствие, снижению точности измерений, либо отсутствием анализа мониторингового обследования за несколько суток, что затрудняет принятие решения, либо низкой точностью измерений объема, связанной с тем, что не учитывается плотность мочи и др.

Таким образом, актуальной является разработка портативной системы урофлоуметрического мониторинга, не имеющей прямого контакта измерительной части с агрессивной средой, но имеющей высокую точность измерения скорости потока, простоту съема, обработки и многосуточного хранения информации, что обеспечивает простоту обслуживания и амбула-

I

3

торное применение системы мониторинга в отсутствие высококвалифицированного специалиста.

Объект исследования - система урофлоуметрического мониторинга.

Предмет исследования - методика построения и программное обеспечение системы урофлоуметрического мониторинга.

Цель работы - разработка и исследование системы для сбора информационных данных урофлоуметрического мониторинга с применением ультразвукового способа измерения объемной скорости потока мочи, выбор представления, хранения и отображения информации для принятия врачебного решения.

Задачи работы:

1) разработать бесконтактный способ определения объемной скорости потока мочи;

2) разработать конструкцию системы урофлоуметрического мониторинга;

3) разработать программное обеспечение системы урофлоуметрического мониторинга;

4) апробировать систему урофлоуметрического мониторинга;

5) довести теоретические положения до практической реализации в виде опытного образца системы урофлоуметрического мониторинга и провести ее апробацию.

Методы исследования. Рассматриваемые в работе теоретические аспекты решаемых задач основываются на методах планирования эксперимента, принципах построения биотехнических систем, положениях акустики и информационных технологиях проектирования медицинской техники.

Научная новизна диссертационного исследования:

1 Способ определения объемной скорости потока мочи с помощью ультразвука отличается тем, что в урофлоуметре применяется ультразвуковой датчик, работающий по принципу зондирования через газ, что позволяет продлить срок службы урофлоуметра, упростить обслуживание и повысить точность измерения.

2 Система урофлоуметрического мониторинга отличается применением оригинального способа определения объемной скорости потока мочи, микропроцессорной обработки и хранения данных, блока визуализации данных, расширенного интерфейса, автономного питания, что позволяет автоматизировать процесс обработки данных, удовлетворить медицинским требованиям и получить прибор для амбулаторного применения, безопасный и удобный в применении.

3 Алгоритмы урофлоуметрического мониторинга отличаются включением блока расчета количественных показателей урофлоуметрии и коэффициентов регрессии, вывода графиков и навигации по базам данных,

что позволяет систематизировать данные мониторинга и автоматизировать процесс составления отчета, визуализировать данные и упростить принятие врачебного решения.

Практическая значимость работы. Разработанная система уроф-лоуметрического мониторинга является безопасной, портативной и позволяет проводить мониторинговые исследования амбулаторно, что обеспечивает повышение достоверности полученных данных.

Применение ультразвукового датчика в составе уровнемера исключает разрушительное влияние агрессивной среды, упрощает процедуру обслуживания и продлевает срок службы урофлоуметра.

Разработанное программное обеспечение системы урофлоуметриче-ского мониторинга оказывает существенную помощь врачу при постановке диагноза и анализе динамики состояния пациента.

Принцип ультразвукового измерения скорости потока и информационные технологии обработки мониторинговой информации внедрены в учебный процесс кафедры КиПРА ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» и используется в проектной деятельности ООО «Ай-Фо-Технолоджи».

На защиту выносятся:

1 Способ определения объемной скорости потока мочи с помощью ультразвука, работающего по принципу зондирования через газ, позволяющий продлить срок службы урофлоуметра, упростить обслуживание и повысить точность измерения.

2 Система урофлоуметрического мониторинга, позволяющая полностью удовлетворять медицинским требованиям, получить прибор для амбулаторного применения, обеспечить безопасность применения и сократить время, автоматизировать процесс обработки данных.

3 Алгоритмы урофлоуметрического мониторинга, обеспечивающие расчет количественных параметров урофлоуметрии и коэффициентов регрессии, систематизацию и визуализацию данных мониторинга и автоматизацию процесса составления печатного отчета.

4 Реализация экспериментального образца системы урофлоуметрического мониторинга и методики его поверки с использованием сменных жиклеров.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов, содержащихся в диссертации, подтверждаются экспериментальными данными, а также экспертизами Федерального института промышленной собственности с выдачей свидетельства на программу обработки и анализа данных урофлоуметрического мониторинга.

Личный вклад автора. Разработан ультразвуковой способ определения объемной скорости потока мочи. Разработана система урофлоуметрического мониторинга. Разработан урофлоуметр на основе оригинального ультразвукового способа с применением ультразвукового датчика в составе

уровнемера. Разработано программное обеспечение системы урофлоумет-рического мониторинга. Проведена апробация системы урофлоуметриче-ского мониторинга.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук»; XII Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы медицины»; XVI Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2013» (г. Нижний Новгород); IV Межвузовской очной научно-практической конференции «Информационные технологии и прикладная математика»; V Межвузовской очной научно-практической конференции «Информационные технологии и прикладная математика»; семинаре ПГУ (кафедра КиПРА) (г. Пенза); семинаре АПИ (ф) НГТУ им. Р. Е. Алексеева (кафедра КиТРЭС) (г. Арзамас); симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза).

Публикации. По результатам научных исследований опубликованы 13 печатных работ, в том числе три статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав материала, заключения, списка используемых источников, включающего 104 наименования, и трех приложений. Общий объем работы без учета приложений составляет 175 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 33 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна и практическая ценность полученных результатов; приведено краткое описание работы.

В первой главе приведены определение урофлоуметрического мониторинга, историческая сводка, раскрыта сущность способов определения объемной скорости мочи, приведен обзор рынка урофлоуметрических систем, выявлены достоинства и недостатки разных моделей.

Урофлоуметрический мониторинг - урофлоуметрическая регистрация всех мочеиспусканий в течение календарного отрезка времени (от 1 до 3 сут).

В 1979 г. М. Б. Сироки, проведя статистический анализ данных, предложил номограмму «объем/скорость», ориентированную на диагностику инфравезикалыюй обструкции у мужчин (анат. vesica urinaria - мочевой пузырь). Апробация этой системы анализа показала, что она является вполне адекватной для выявления обструкции на выходе мочевого пузыря.

Уродинамические параметры «объем/скорость» связаны между собой, так что это соотношение можно считать физиологической константой нижнего отдела мочевого тракта. Таким образом, состояние пациента оценивают по двухкоординатному графику, на который наносятся точки «объем/скорость» по данным амбулаторного мониторинга. Такой график называется номограммой.

Оценку взаимосвязи «объем/скорость» предложено проводить с использованием регрессионного анализа. Цель регрессионного анализа состоит в построении модели процесса. На рисунке 1 представлен пример однократного цикла урофлоуметрического мониторинга: нанесены точки состояния и построена линия регрессии для мужчин контрольной группы. Независимой величиной является эффективный объем мочевого пузыря (т.е. выделенный объем мочи, мл), зависимой - максимальная скорость потока мочи, мл/с. Кривая регрессии обобщает данные мониторинга с использованием метода наименьших квадратов.

Рисунок 1 - Пример проведения урофлоуметрического мониторинга

Для урофлоуметрии возможно применение различных способов регистрации данных с использованием различных физических принципов. Способ измерения определяет используемый в урофлоуметре тип датчика: весовой, емкостный, ротационный, тензодатчик. Недостатки весового датчика (наиболее распространенного): трудности в эксплуатации, связанные с точностью установки урофлоуметра на ровной горизонтальной поверхности; влияние на достоверность данных вариабельности плотности мочи. Недостаток емкостного датчика - непосредственный контакт с мочой, приводящий к образованию отложений на обкладках, что приводит к снижению точности измерений и затруднительному обслуживанию. Недостаток ротационного датчика - отложения на вращающемся диске, снижающие точность измерений и затрудняющие обслуживание. Недостатки тензодат-чика: низкая повторяемость параметров датчиков при серийном изготовлении; сложно выполнимая конструкция лопатки; отложения вследствие контакта с мочой.

Результат анализа выпускаемых урофлоуметрических систем показал, что современный рынок медицинского оборудования представлен урофлоуметрами как зарубежного, так и отечественного производства. Представленные на рынке урофлоуметрические системы обладают сходными недостатками: либо большие габариты, не позволяющие использовать уроф-лоуметр в амбулаторных условиях, либо отсутствие функции мониторинговых исследований за несколько суток. Необходимость разработки портативного урофлоуметра вызвана тем, что амбулаторные исследования исключают психологические факторы (стресс, усталость), которые пагубно влияют на достоверность результатов, а мониторинговые исследования за несколько суток позволяют значительно повысить точность этих результатов.

Для расширения функциональных возможностей имеющихся уроф-лоуметров необходимо разработать новый бесконтактный метод регистрации параметра «объем/скорость» и портативную систему урофлоуметриче-ского мониторинга.

Тем самым подтверждается актуальность темы диссертационного исследования. Для научного обоснования создания системы урофлоуметри-ческого мониторинга необходимо провести математическое моделирование процессов, связанных с работой системы.

Во второй главе рассмотрена математическая модель процесса мочеиспускания, в которой за основу был взят процесс опорожнения открытого в атмосферу сосуда через отверстие в его дне (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема опорожнения сосуда

На рисунке 2 представлен принцип истечения жидкости из резервуара с площадью сечения 6" с высотой уровня жидкости к через отверстие площадью 50. За рассматриваемый бесконечно малый промежуток времени с/г происходит изменение уровня жидкости М.

Если обозначить объемную скорость истечения жидкости за ускорение свободного падения за g, коэффициент расхода за ц, то на основании законов гидродинамики истечения жидкости из отверстий можно записать следующее:

БМ

Л =--,-.

\i.Stis¡2gh

Отсюда время полного опорожнения сосуда высотой Н:

г- *

В данном случае принимаем площадь сечения сосуда за постоянную, получаем следующую интегральную формулу определения времени истечения:

Скорость истечения жидкости из резервуара зависит от высоты столба и, соответственно, максимальна при максимальной высоте этого столба, т.е. в самом начале процесса истечения:

Для расчета теоретических параметров истечения жидкости из резервуара необходимо знать геометрические размеры дозатора и характеристики проливаемой жидкости.

В приведенных формулах используется коэффициент расхода р., который определяется через коэффициент скорости как

ц = е

Vй + С'

где 8 - коэффициент сжатия струи; а - коэффициент Кориолиса; С, - коэффициент сопротивления отверстия.

Полученные формулы дают возможность рассчитать теоретические параметры истечения жидкости (рисунок 3).

На рисунке 3 графически представлены результаты теоретических расчетов, которые близки к реальному процессу.

О, т/с

Л I I

/

и

Рисунок 3 - Теоретическое моделирование истечения жидкости из дозатора (сплошная линия) и физиологический процесс мочеиспускания (пунктир)

Во второй главе рассмотрена математическая модель процесса регистрации параметров мочеиспускания.

Определение объемной скорости потока мочи осуществляется в два этапа: определение уровня мочи в измерительном цилиндре, основанное на принципах ультразвуковой локации (зондировании через газ), а затем численное дифференцирование текущего значения выделенного объема, что позволяет определить значение объемной скорости потока мочи.

Главным вопросом при выборе датчика является определение необходимой частоты ультразвука (УЗ). При выборе несущей частоты необходимо учитывать, что с ростом частоты увеличивается разрешающая способность, но увеличивается и поглощение.

Исходя из теории распространения ультразвука в газе, его скорость зависит от температуры Т и влажности среды:

По приведенной формуле рассчитана скорость ультразвука, которая составляет с ~ 344 м/с при температуре Г0 = 20 °С, относительной влажности воздуха 50 % (соответственно, парциальном давлении е = 9 мм рт. ст.).

Колебания скорости звука 5 при изменениях температуры АТн влажности Ае среды вычисляются через частные производные функции с(7»:

Таким образом, колебания скорости звука от внешних факторов составляют не более 0,9 %. При этом разрешающая способность по объему определяется через площадь поперечного сечения накопительного стакана и разрешающую способность по расстоянию (которая равна длине волны):

с =

(331,3 + 0,6Г)-(1 + 0,00023 е)

Су — С— —

Таким образом, можно сделать вывод, что колебания скорости звука в пределах не более 0,9 % не оказывают значимого влияния на разрешающую способность ультразвукового урофлоуметра.

Для определения оптимальной частоты ультразвука были рассмотрены следующие параметры распространения ультразвука в среде: протяженность ближней зоны, угол раскрытия, поглощение, отражение — и построены графики зависимостей этих параметров от частоты ультразвука.

На основании анализа полученных графиков сделан вывод, что с увеличением частоты протяженность ближней зоны возрастает, угол раскрытия уменьшается, коэффициент поглощения увеличивается (но в допустимых пределах), коэффициент отражения не зависит от частоты ультразвука и для данных сред близок к единице.

На основе проведенного моделирования сделан вывод, что подходящими являются датчики с частотами от 200 до 500 кГц. Был выбран доступный и недорогой ультразвуковой датчик немецкой компании EGE-Elektronik Spezial-Sensoren GmbH с рабочей частотой 300 кГц, имеющий разрешающую способность, соответствующую ошибке измерения от 1 до 2 %, а также обладающий необходимой частотой дискретизации сигнала - 10 мс (100 Гц).

В работе оценка взаимосвязи «объем/скорость» проводилась с использованием регрессионного анализа. Кривая регрессии на графике номограммы представляет собой кривую 2-го порядка, у которой коэффициенты А, В а С рассчитываются из условия минимума квадратичного отклонения кривой от точек, относящихся к данному мониторингу:

Rg(V) = A + BV + CV2,

где Rg(V) - функция регрессии; V— эффективный объем, мл.

Минимум квадратичного отклонения е определяется по равенству нулю частных производных:

е( А, 5, С) = fjßmax[i ] - [л + В Vsep [г ] + CVsep2 [г ]] ^ min;

дЛ 8В дС

В результате расчетов получены следующие формулы для вычисления коэффициентов кривой регрессии:

»■И-жг} ;

и

{6}-{к}-д-(к2}-с

п

где К - эффективный объем (РтерМ); 2 - максимальная скорость, мл/с (£>/иах[г']); п - количество урофлоуметрий за мониторинговое обследование;

п

{>-20 — сумма по всем урофлоуметриям мониторинга. 1=1

Кривую регрессии будем оценивать в поле Ливерпульских номограмм. Ливерпульские номограммы строятся на основании значений «объем/ скорость» для контрольных групп пациентов. Они содержат кривые, соответствующие различным процентилям. Значение каждого процентиля распределения означает долю распределения нормального мочеиспускания, которая лежит, в данном случае, ниже кривой этого процентиля. Соответственно, между кривыми 5-го и 95-го процентилей находятся 90 % значений пар «объем/скорость», относящихся к норме.

Для вывода математического выражения Ливерпульских номограмм была осуществлена их аппроксимация степенными функциями вида

ЦУ) = О + Е¥0'5,

где Е, О - коэффициенты, которые определяются по графикам ной литературы по двум точкам для каждой из номограмм.

Таким образом, получены следующие математические для процентилей Ливерпульских номограмм:

¿95 (У) = 3,0 + 2,907V0'5; ¿90 (К) = 2,5 + 2,482К0-5; ¿75(К) = 2,0 + 2,057К0'5; ¿5о(К) = 1,5 + 1,632К0'5; ¿25(К) = 1,0 +1,297 К0'5; ¿юС) = 0,5 + 1,051К°'5; ¿5(К) = 0,0 + 0,984К°-5.

Полученные математические выражения процентилей Ливерпульских номограмм (где индекс соответствует номеру процентиля) дают возможность программно осуществить вероятностную диагностику, а также позволяют врачу визуально оценить результат мониторингового обследования.

В третьей главе составлены медико-технические требования и синтезирована биотехническая система урофлоуметрического мониторинга. Система урофлоуметрического мониторинга состоит из урофлоуметра, со-

из справоч-выражения

держащего измерительный цилиндр и электронный блок, ШВ-кабель и электронный блок (ПК уродинамического кабинета) с установленным специальным программным обеспечением, которое осуществляет обработку, анализ и систематизацию данных (в базе данных) и визуализацию результатов. Врач-уролог взаимодействует с ПК и контролирует состояние биообъекта, ставит диагноз и корректирует эффективность лечения (рисунок 4).

Поток мочи 0(4

Биообьект-мочевыдели-тельная система организма

Постановка диагноза: оценка эффективности лечения

Контроль за состоянием пациента

Урофлоумегр

Измерительный цилиндр

Электронный

блок урофлоуметра

Врач-уролог

Анализ результатов обследования

Внесение дополнительной информации об обследовании в базу данных

Кабель IIБВ

Электронный блок

Обработка и анализ данных

Визуализация данных

Запись в базу данных

Рисунок 4 - Структурная схема биотехнической системы урофлоуметрического мониторинга

Рисунок 4 иллюстрирует взаимодействие биологических и технических объектов в составе системы урофлоуметрического мониторинга. Электронный блок урофлоуметра имеет в своем составе ультразвуковой датчик и микроконтроллер, которые позволяют преобразовывать данные уровня мочи а измерительном цилиндре в объемную скорость мочеиспускания. ПК уродинамического кабинета рассчитывает диагностические параметры, осуществляет систематизацию данных и их визуализацию на экране в виде урофлоуграмм и номограмм. Таким образом, обеспечиваются возможность быстрого внесения дополнительной информации о обследовании и визуализация результатов обследования, тем самым повышается эффективность принятия врачебного решения.

Результаты проведения серии доклинических экспериментов по распространению ультразвука в системе урофлоуметрического мониторинга сведены в таблицу 1, в которой приведены параметры распространения ультразвукового луча.

Таблица 1 - Рассчитанные параметры распространения ультразвукового луча

Параметр Рассчитанное значение (при 20 "С и 60 % влажности)

Скорость звука в газовой среде уровнемера с = 344,7 м/с

Частота ультразвука /= 300 кГц

Длина волны А, = с / f= 1,15 мм

Ближняя зона (зона Френеля) г = а1 / X = 105 мм

Угол раскрытия 2-9 = 2arcsin( 1,91-104//) = 7° 18'

Затухание ехр(—8,824 ■ 1012/2 • 2 ■ h) = 0,83

Разрешающая способность по объему 5 = Х- 5=3,8 мл

Данные таблицы 1 являются исходными для расчета конструкции урофлоуметра с ультразвуковым датчиком EGE-Elektronik Spezial-Sensoren GmbH.

Разработана электрическая схема урофлоуметра с применением микроконтроллера PIC18F2455-IXSO с автономным питанием от аккумуляторов и USB-интерфейсом, структурно-функциональная схема которого представлена на рисунке 5.

L Поток ночи

Рисунок 5 - Струкгурно-функциональная схема ультразвукового урофлоуметра с зондированием через газ

Конструкция, представленная на рисунке 5, является реализацией теоретических расчетов конструктивных параметров ультразвукового урофлоуметра, в состав которого входят воронка, соединительные трубки,

измерительный цилиндр, съемный электронный блок, который работает автономно (на аккумуляторах), позволяет хранить данные проведенных урофлоуметрий и передавать эти данные на компьютер уродинамического кабинета как в составе урофлоуметра, так и отдельно от него.

Таким образом, прибор является удобным и безопасным как для стационарного, так и для амбулаторного применения.

В четвертой главе приведены основные этапы разработки модулей программного обеспечения, которые включают в себя следующие функции: считывание данных из памяти урофлоуметра, расчет количественных параметров урофлоуметрии и коэффициентов регрессии, визуализацию данных (построение урофлоуграмм и номограмм в поле Ливерпульских номограмм с осуществлением навигации по ним), обращение к базе данных (выбор лечебного учреждения, врача из справочника), вывод на печать результатов урофлоуметрического мониторинга, расчет диагностических критериев.

Для реализации базы данных урофлоуметрического мониторинга была выбрана модель автономной локальной базы данных. При этом данные хранятся в локальной файловой системе на том ПК, где установлены.

Был организован справочник, в котором есть возможность заносить и удалять имена врачей и названия медицинских учреждений. При поступлении данных урофлоуметрического обследования возможно заносить в карточку пациента имя врача и медицинское учреждение из набора, имеющегося в справочнике.

Разработанная программа обработки и анализа данных урофлоуметрического мониторинга создавалась из условия определенной структурной последовательности данных, поступающих в ПК по кабелю USB. Визуализация данных заключается в том, чтобы удобным для использования образом отобразить данные урофлоуметрического обследования на мониторе ПК и осуществить навигацию по ним. Разработаны алгоритмы вывода урофлоуграммы и номограммы на экран, а также алгоритм считывания и анализа данных (рисунок 6).

Приведенный на рисунке 6 алгоритм считывания и анализа данных заключается в следующем: если прием даты и времени урофлоуметрии прошли успешно, происходят инициализация значений параметров урофлоуметрии и прием 240 отсчетов скорости мочеиспускания. В программно организованном цикле по 240 отсчетам происходит анализ значения каждого отсчета, при соответствии заданному условию данный номер отсчета запоминается как индекс, по окончании цикла на основании полученных индексов рассчитываются количественные параметры урофлоуметрии (таблица 2).

Таблица 2 - Программный расчет количественных параметров урофлоуметрии

Количественный параметр Обозначение в программе Расчетная формула Единицы измерений

Эффективный объем 0,95К мл

Максимальная скорость мочеиспускания Отах 0[}_тахг] мл/с

Средняя скорость мочеиспускания У$ер/ /Твер мл/с

Начальная скорость мочеиспускания в" мл/с

Время ожидания ТУЧШ / ¡¡ап ■ А с

Время достижения максимальной скорости мочеиспускания Ттах (}_тах -1 _¡¡ап) ■ с11 с

Время мочеиспускания Тяер (; _ - /' _ яШП ) ■ А с

Время мочеотделения Тета (/' _ета-1 $1ап) ■ А с

Полученные по расчетным формулам значения количественных параметров запоминаются и записываются в соответствующие ячейки базы данных и отображаются в окне «Мониторинг» (рисунок 7).

На рисунке 7 в окне «Мониторинг» представлен интерфейс программы урофлоуметрического мониторинга, где программно организована визуализация данных: выводятся номограммы в поле Ливерпульских номограмм, урофлоуграммы и их количественные параметры, здесь же врач осуществляет считывание данных и по результатам обследования ставит диагноз.

В пятой главе диссертации представлен стенд поверочных испытаний и описана методика поверки системы урофлоуметрического мониторинга со сменными жиклерами. Методика заключается в том, что жиклеры разных диаметров имитируют различные типы работы мочевыделительной системы организма; с помощью этих жиклеров контролируется правильность работы устройства при различных входных данных.

Ниже (таблица 3) приведены экспериментальные данные поверки и калибровки системы для урофлоуметрического мониторинга для дозатора объемом 324,5 мл.

Таблица 3 - Экспериментальные данные поверки и калибровки системы урофлоуметрического мониторинга для дозатора объемом 324,5 мл

Жиклер Объем V, мл Среднее значение времени пролива /, 1ч =—— 7 Средняя скорость дАУЕ, мл/с, » V Оауе =— 1

№ 4 (4 мм) 324,5 16,5 19,7

№ 5 (5 мм) 324,5 13,0 25,0

№ 7 (7 мм) 324,5 6,3 51,5

Таким образом, сменные жиклеры (№ 4, 5, 7) имитируют функционирование мочевыводящего тракта (соответственно обструктивный, нормальный и стремительный типы мочеиспускания).

Для тестирования работы программных средств проводится имитация поступления данных по кабелю иБВ. Данные считываются из текстовых файлов, созданных разработчиком на основе уже имеющихся урофлоумет-ричсских исследований.

Для исследования эффективности разработанных алгоритмов создана методика, позволяющая поставить «вероятностный» диагноз, основываясь на положении номограммы пациента в поле Ливерпульских номограмм. В результате исследований установлены диагностические критерии оценки результатов урофлоуметрического мониторинга с помощью показателей вероятности нормы и вариабельности объема.

Значения показателей более 50 % соответствуют норме, от 25 до 50 % -подозрению на обструкцию, менее 25 % - обструкции мочевыводящих путей.

Исследование работы программы на сигналах из медицинской базы данных показали, что медицинские заключения совпадают с введенными диагностическими критериями. Следовательно, они могут и в дальнейшем использоваться как предоставляющие врачу диагностическую информацию.

На рисунке 8 приведены результаты «вероятностной» диагностики для пациента с доброкачественной гиперплазией простаты (а) и для него же после проведенного лечения (б) альфузозином.

Таким образом, рисунок 8,а иллюстрирует, что введенные диагностические критерии подтверждают патологию (низкий процент вероятности нормы и вариабельности говорят об обструкции мочевыводящих путей), а рисунок 8,6 — улучшение состояния мочевыделительной системы (показатель вероятности нормы говорит о подозрении на обструкцию, а показатель вариабельности объема соответствует норме).

> ¡Вероятность нормы. ¡5 "~>| ^Перпсттнскггьнормы. X ¡43

|Вариабельность. £ ¡27 -А ¡Вариабельность. 2 : рч,л

а) 6)

Рисунок 8 - Отображение вероятности нормы и вариабельности объема для патологии (ДГП) (а) и нормы (б)

В заключении приводится список основных результатов диссертационной работы.

В приложении приведены структура данных, поступающих в программу, акты внедрения и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Рассмотрены аспекты урофлоуметрического мониторинга, раскрыта сущность способов определения объемной скорости потока мочи, приведен обзор современного рынка урофлоумстров.

2 Разработан способ проведения урофлоуметрических измерений с использованием ультразвукового датчика, предложена схема урофлоумст-ра, в котором этот способ реализуется. Рассмотрена математическая модель процесса мочеиспускания, в которой за основу был взят процесс опорожнения открытого в атмосферу сосуда через отверстие в его дне.

3 Рассмотрена математическая модель процесса регистрации параметров мочеиспускания, в которой параметр «объем/скорость» является результатом численного дифференцирования текущего значения выделенного объема мочи.

4 Рассмотрены математические модели обработки результатов мониторинговых исследований, в которых оценка взаимосвязи «объем/ скорость» проводится с использованием регрессионного анализа, а для вывода математического выражения Ливерпульских номограмм было предложено их аппроксимировать степенными функциями.

5 Синтезирована биотехническая система, составлены медико-технические требования на разработку системы урофлоуметрического мониторинга. Выбраны несущая частота ультразвука, составляющая 300 кГц, и ультразвуковой датчик в составе уровнемера ARKU 400 Gl серии ARK компании EGE - Elektronik Spezial-Sensoren GmbH. Проведены теоретические расчеты конструктивных параметров урофлоуметра. Разработана электрическая схема урофлоуметра на микроконтроллере с возможностью передачи данных через порт USB. Проведена оценка погрешностей измерения ультразвукового датчика, которая составляет не более ± 1 мл. Суммарная погрешность системы урофлоуметрического мониторинга по измерению объемной скорости мочеиспускания составляет от 1,4 до 2,6 %.

6 Разработаны алгоритмы программного обеспечения системы урофлоуметрического мониторинга, позволяющие производить обработку, анализ и визуализацию данных. По разработанным алгоритмам написан программный код в среде С++ Builder, где организована база данных пациентов и их мониторинговых обследований. Программное обеспечение системы урофлоуметрического мониторинга выполняет следующие функции: считывание данных из памяти урофлоуметра, расчет количественных параметров урофлоуметрии и коэффициентов регрессии, визуализацию данных (построение урофлоуграмм и номограмм в поле Ливерпульских номограмм с осуществлением навигации по ним), обращение к базе данных (выбор лечебного учреждения, врача из справочника), вывод на пе-

чать результатов урофлоуметричеекого мониторинга, расчет диагностических критериев.

7 Проведена апробация системы урофлоуметричеекого мониторинга. Для этого разработан стенд поверочных испытаний, описан метод поверки урофлоуметра с применением сменных жиклеров и предложена методика оценки погрешностей урофлоуметра во время поверки; проведено исследование эффективности работы алгоритмов, в результате которого установлены диагностические критерии оценки результатов урофлоуметричеекого мониторинга с помощью показателей вероятности нормы и вариабельности объема: значения показателей более 50 % соответствуют норме, от 25 до 50 % - подозрению на обструкцию, менее 25 % - обструкции мочевыводя-щих путей.

8 Проведена апробация ПОСУМ на сигналах из медицинской базы данных, которая показала, что медицинские заключения совпадают с введенными диагностическими критериями, которые могут быть в дальнейшем использованы как диагностическая информация для врача.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Подмарев, А. А. Разработка методики испытаний системы для урофлоуметричеекого мониторинга / А. А. Подмарев // Образование. Наука. Научные кадры. - 2013. - № 3. - С. 174-178.

2 Подмарев, А. А. Результаты разработки измерительного стенда системы урофлоуметричеекого мониторинга / А. А. Подмарев // Перспективы науки. -2013. -№ 4. - С. 5-9.

3 Подмарев, А. А. Применение регрессионного анализа для построения номограммы в системе урофлоуметричеекого мониторинга / А. А. Подмарев, А. В. Григорьев, К. В. Гудков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. — Пенза : Изд-во Пенз. гос. технол. ун-т, 2015. -№03(25).-Т. 1.-С. 79-81.

Публикации в других изданиях:

4 Подмарев, А. А. Апробация программной части системы урофлоуметричеекого мониторинга / А. А. Подмарев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 270—273.

5 Подмарев, А. А. Разработка биотехнической системы для урофлоуметричеекого мониторинга / А. А. Подмарев // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2013. - № 3 (81). - С. 152-153.

6 Подмарев, А. А. Разработка программы для урофлоуметричеекого мониторинга / А. А. Подмарев // Журнал научных и прикладных исследований. - 2013. -№ 3. - С. 58-61.

7 Подмарев, Л. Л. Разработка системы для урофлоуметрического мониторинга / А. А. Подмарев // Материал XIX Междунар. науч.-техн. конф. «ИСТ-2013». - Н. Новгород, 2013. - С. 200.

8 Подмарев, А. А. Разработка биотехнической системы для урофлоуметрического мониторинга / А. А. Подмарев // Научная перспектива. -2013.-№4(38).-С. 96-97.

9 Подмарев, А. А. Разработка урофлоуметра для урофлоуметрического мониторинга / А. А. Подмарев // Научный обозреватель. - 2013. -№4 (28).-С. 95-99.

10 Подмарев, А. А. Постановка задачи на разработку системы для урофлоуметрического мониторинга / А. А. Подмарев // Научная дискуссия: вопросы медицины : материалы XII Междунар. заочной науч.-техн. конф. -М„ 2013.-С. 68-74.

11 Подмарев, А. А. Разработка электрической принципиальной схемы системы для урофлоуметрического мониторинга / А. Л. Подмарев // Научная дискуссия: вопросы технических наук : материалы IX Междунар. заочной науч.-техн. конф. — М., 2013. — С. 58—62.

12 Подмарев, Л. Л. Разработка базы данных для системы урофлоуметрического мониторинга / А. А. Подмарев // Информационные технологии и прикладная математика : межвуз. сб. аспирантских и студенческих науч. работ. - 2014. - № 4. - С. 17-20.

13 Подмарев, Л. Л. Способы измерения объемной скорости потока мочи с использованием различных типов датчиков / Л. Л. Подмарев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 266-270.

14 Свидетельство о государственной регистрации программы № 2013617209 РФ. Программа обработки и анализа данных урофлоуметрического мониторинга / Подмарев А. А. — заявл. № 2013613610 от 30.04.2013; опубл. 05.08.2013.

Научное издание

ПОДМАРЕВ Анатолий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УРОФЛОУМЕТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор Р. Б. Бердникова Компьютерная верстка Р. Б. Бердниковой

Распоряжение № 8/64-2015 от 15.06.2015. Подписано в печать 15.06.2015. Формат 60х84'/| Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 008773. Тираж 100.

Издательство 1X1 У. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru