автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка метода формирования математических моделей физических объектов для управления процессами механической и физико-технической обработки и контроля

. ЗАВЬЯЛОВ Алексей Егорович

Высокочастоти^ш струйная искусственная вентиляция легких в хирургии детского возраста. '

14.Q0.37. - анестезиология и реанимация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата медицинских наук

■ Новосибирск" 1997 .

\

ЗАВЬЯЛОВ Алексей Егорович

Высокочастотная струйная искусственная вентиляция легких в хирургии детского возраста

14.00.37. - анестезиология и реанимация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Новосибирск 1997

Работа выполнена на кафедре детской хирургии Алтайского государственного медицинского университета

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор В.А.Кожевников

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук,

профессор В.Н.Ломиворотов кандидат медицинских наук -Н.Л.Елизарьева

Ведущее учреждение:

Российский государственный медицинский университет (г.Москва)

Защита диссертации состоится

1996г. в

часов на заседании диссертационного совета Д.084.52.03. в

Новосибирском медицинском институте по адресу: 630091, Новосибирск: ул. Красный проспект, 52.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат медицинских наук, доцент

Е.О.Майер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы: Одной из сложных проблем является выбор метода анестезии и рационального способа вентиляции у новорожденных, детей раннего и старшего возрастов. В эту группу повышенной степени анестезиологического риска входят дети с атрезией пищевода, с высокой и низкой кишечной непроходимостью и др., у которых выбор вида анестезиологического обеспечения и искусственной вентиляции легких представляет значительные трудности и нередко под сомнением возможность проведения анестезии и операции (А.М.Верчук, 1986). Попытки проведения классических методик наркоза и ИВЛ нередко приводят к гипоксии и нарушению гемодинамики (В.М.Егоров, 1988; Б.Д.Зислин, 1991; В.В.Кузьмин, 1993). Классические способы интубации у новорожденных с последующим проведением режима нормовентиляции не гарантируют полную безопасность, тяжело переносятся детьми, так как выполняются часто на фоне сопутствуюшей патологии (В.М.Егоров, 1988; В.А.Курдюмов, 1989). Необходимо отметить, что нарушение вентиляции и газообмена могут возникнуть у новорожденных не только на этапе вводного наркоза и интубации трахеи (В.В.Кузьмин, 1993), но и в послеоперационном периоде, непосредственно после экстубации трахеи, когда кашле-вой рефлекс еще недостаточно развит, а болевые рефлексы из области оперативного вмешательства ярко выражены, при этом повышается опасность обтурации мокротой трахеобронхиального дерева. Плохой дренаж мокротой обусловлен еще и тем, что инту-бационная трубка стоит в трахее нередко в течении 12—18 часов после операции. Существующие методики анестезиологического обеспечения больных с врожденной хирургической патологией не решают настоящих проблем: они также обусловлены отсутствием в операционной адекватной аппаратуры ИВЛ, вредным влиянием ИВЛ на центральную гемодинамику, трудной адаптацией больного к аппарату ИВЛ в наркозный и постнаркозный период, нет достаточно полноценной оксигенации артериальной крови и эллимина-ции углекислого газа в момент бронхопульмональных и общих хирургических вмешательств (Л.А.Марсагишвили, 1974). При этом

имеются условия развития баротравмы легких при классически? методах ИВЛ, снижены условия обеспечения спокойного опера ционного поля, имеются сложности санации трахео-бронхиаль ного дерева на фоне ИВЛ в момент оперативных вмешательств \ перевода больных на спонтанное дыхание с продленной ИВ/ (J.J.Rouby, 1983). Реальным путем решения этих проблем может явиться проведение струйной ВЧ ИВЛ на этапах анестезиологи ческого обеспечения. Этот метод вентиляции, по мнению многи> исследователей, имеет ряд преимуществ перед традиционными вс взрослой анестезиологии. К ним относят эффективный газообмен минимальное влияние на гемодинамику. Применение адекватно! вентиляции легких на этапах анестезиологического обеспечения но ворожденных и детей различных возрастных групп с врожденно! хирургической патологией позволит расширить показания к наркоз} и оперативному лечению, избежать осложнений, связанных с клас сической искусственной вентиляцией легких. Вышеизложенное сви детельствует об адекватности сформулированной научно-практи ческой задачи и возможностей ее решения.

Цель работы:

Повысить эффективность активного газообмена на этапа; анестезиологического обеспечения при хирургическом леченш детей путем разработки и внедрения высокочастотной струйно1 искусственной вентиляции легких.

Задачи исследования:

1. Разработать методику проведения наркоза с использовани ем аппарата ВЧ ИВЛ у новорожденных детей различных возрас тов с врожденной и приобретенной хирургической патологией.

2. Оценить динамику системы кровообращения на этапа: анестезиологического обеспечения.

3. Изучить результаты адекватности оксигенации в момен торако-абдоминальных хирургических вмешательств на фоне В1 ИВЛ.

4. Дать сравнительную оценку различным методам искусст венной вентиляции легких.

Научная новизна: В настоящем исследовании впервые применена струйная ВЧ ИВЛ у больных с врожденной хирургической патологией. Изучено влиянием ВЧ ИВЛ на газовый состав крови и гемодинамику в процессе анестезиологического обеспечения при реконструктивных операциях в детской хирургии. В результате исследования установлены пределы влияния струйной ВЧ ИВЛ на параметры газового состава крови и КОС крови. Впервые в этих условиях выявлена возможность обеспечения безопасности продолжительных сроков интубации трахеи у больных с врожденной хирургической патологией. Предложен способ струйной ВЧ ИВЛ с целью профилактики дыхательной недостаточности у больных на этапе экстубации трахеи в послеоперационном периоде.

Практическая значимость: Разработанная методика высокочастотной струйной ИВЛ позволяет расширить показания к применению общего обезболивания в детской хирургии и снизить число осложнений в процессе анестезиологического обеспечения операций и в послеоперационный период, создаются условия для удобного оперативного вмешательства. Интратрахеальная струйная ВЧ ИВЛ и результаты настоящего исследования внедрены в Алтайской краевой клинической детской больнице, как компонент анестезиологического обеспечения больных с врожденной хирургической патологией при реконструктивных операциях. Данный способ вентиляции используется для обеспечения адекватной вентиляции в период экстубации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Интратрахеальная струйная ВЧ ИВЛ может быть использована в водном и базис наркозе у больных с врожденной хирургической патологией, которая надежно предупреждает нарушения газообмена.

2. Высокочастотная струйная ИВЛ, проводимая в период перевязки трахео—эзофагеального свища, сложных внутригруд-ных оперативных вмешательств по сравнению с традиционным способом интубации, обеспечивает более благоприятные условия состояния гемодинамики.

3. Вспомогательная струйная ВЧ ИВЛ, выполненная непосредственно в период экстубации трахеи, обеспечивает стабильность легочной вентиляции и способствует безопасности проведения процедуры.

Апробация материалов диссертации и внедрение в практику:

Материалы диссертации доложены на конференции АГМУ, посвященной дню науки в университете в 1994 году, на краевом обществе анестезиологов—реаниматологов в 1994 году, на секции анестезиологов—реаниматологов посвященной 25—летию кафедры детской хирургии АГМУ в 1995 году. Работа обсуждалась на расширенном совещании кафедры детской хирургии Алтайского государственного медицинского университета (протокол №8 от 25 июня 1996 года).

Полученные разработки активной оксигенации внедрены в практику отделения анестезиологии — реаниматологии Алтайской краевой клинической детской больницы и городской больницы №5 г.Барнаула.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура диссертации:

Работа изложена на 120 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций и указателя литературы, содержащего 232 источника отечественной и иностранной литературы. Диссертация иллюстрирована 23 таблицами и 7 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материал и м.етоды исследования

Общая характеристика собственных клинических наблюдений.

Для решения поставленных задач нами было обследовано в динамике 92 больных в возрасте от 1 суток до 7 лет, которым были выполнены реконструктивные и радикальные операции. Количество пациентов в возрасте от 0 до 28 дней составили 48 человек, старше 1 месяца 44 человека. Мальчиков 55, девочек 37 человек.

В зависимости от этапа анастезиологического обеспечения, на котором применили методику струйной ВЧ ИВЛ, все обследованные больные были разделены на 2 группы. Первая группа — 81 больной, обследована на этапе интубации трахеи и базис наркоза. Вторая — 63 больных, обследована на этапе вводного наркоза и экс-тубации трахеи и в ближайший послеоперационный период. Каждой группе обследованных больных соответствовала контрольная подгруппа в первой 20 больных, а во второй 31 больной.

Распределение больных по характеру заболевания

Таблица 1

Характер заболевания Количество больных ! /О

Атрезия пищевода, ануса, врожденная ки- 51 55.4

шечная непроходимость

Пороки развития грудной клетки 12 13.0

Опухоли грудной и брюшной полости 11 11.9

Болезнь Гиршпрунга 7 7.6

Портальная гипертензия 6 6.5

Гидронефроз 5 5.6

Всего: 92 100 |

В процессе подготовки к операции, реализуемой на фоне многокомпонентной анестезии, больным назначали премидика-цию внутримышечно за 30 минут до операции, включающую се-

дуксен (0.2 мг/кг), промедол (0.08-0.1 мг/кг, в/м), димедрол (1% от 0.006-0.1 г, в/м), атропин (0.1% р-р от 0.018-0.012 мг/кг). Индукцию в наркоз производили тиопенталом натрия (8-10 мг/кг в/в медленно). Миорелаксация производилась деполяризующими мышечными релаксантами - дитилин (1-2 мг/кг) на фоне вспомогательной вентиляции. Лярингоскопию проводили с помощью клинка "Магилла", с последующей интубацией трахеи, интубационной трубкой возрастного диаметра. Струйную низкочастотную ИВЛ больным второй подгруппы проводили с диапазоном частот по возрастным нормам частоты дыхания (20 до 60 мин.), соотношение вдох/выдох - 1:2, при рабочем давлении 2-3 ат. У больных 1-й подгруппы, которым проводили струйную ВЧ ИВЛ в момент проявления депрессии спонтанного дыхания осуществляли вспомогательную вентиляцию легких масочным способом. Интубация трахеи выполнялась, как у больных второй подгруппы, интубационной трубкой возрастного диаметра (фирма-производитель "Portex"), искусственную вентиляцию осуществляли с помощью аппарата для ВЧ ИВЛ -"Ассистент—М". Вентиляция характеризовалась следующими параметрами: частота дыхательных циклов (ЧДЦ 100-160 в 1 минуту, величина вдоха 30-35%, рабочее давление 2,5-3 атм., МОД - 25-35 л/мин). Для измерения эндотрахеального давления в трахею через окно конектора и интубационную трубку вводили полиэтиленовый катетер, который соединяли с манометром дыхательного аппарата "Фаза-5". По показаниям манометра судили об эндотрахеальном давлении в течении вентиляции, которое составляло 5-7 см.вод.ст. Общее обезболивание поддерживали раствором калипсола (2-7 мг/кг, в/в, струйно) с препаратами НЛА в общепринятых дозировках. С целью достижения адекватной миорелаксации использовали ардуан (0.05 мг/кг) ВЧ ИВЛ в течение анестезиологического пособия и в ранний послеоперационный период проводили аппаратом для проведения ВЧ ИВЛ "Ассистент-М" и аппаратом швейцарского производства - "BEAR". Описание аппарата "Ассистент-М" для проведения ВЧ ИВЛ принципиально отличается от традиционных объемных респираторов. Во-первых значительно большая частота

й

дыхания предъявляет более высокие требования как к надежности клапана, прерывающего поток газа, так и к точности регулировки частоты. Ведь с точно заданным ритмом переключения от 60 до 400 раз в минуту без сбоев аппарат может работать в течении многих часов и суток. Во-вторых, если при традиционной ИВЛ в контуре вентиляции используются воздуховоды достаточно большого диаметра, то самым узким местом является эндотра-хеальная трубка, а при струйной ВЧ ИВЛ газ подается в дыхательные пути больного через сопло с внутренним диаметром, равным 1.5-2.5 мм, что обуславливает большую скорость струи газа. В-третьих, малый дыхательный объем (100—250 мл) используемый при струйной вентиляции, требует значительного уменьшения внутреннего объема респиратора, а следовательно и малого объема сжатия или компрессионного объема. Увлажнение при струйной ВЧ ИВЛ отличается и осуществляется, по сравнению с традиционной ИВЛ иным способом. Аппарат дает возможность регулировать соотношение времени вдоха к времени выдоха 1:2, 1:3, 2:1. Аппарат позволяет проводить вспомогательную вентиляцию синхронизированную с частотой сердечных сокращений

Аппарат "Ассистент—М" может выполнять струйную и ин-жекционную искусственную вентиляцию легких во время проведения общей анестезии, вспомогательной ИВЛ, так и при реанимационной помощи больным. Генерируемая частота вентиляции легких от 0.8 до 600 Гц в минуту. Аппарат обеспечивает рабочее давление от 0.2 до 4 атм и соотношение времени вдоха и времени выдоха 1:2, 1:3, 1:4, 1:1, 5:1, 2:1. При этом величина МОД изменялась в пределах 5—60 л/мин. Большое преимущество данного аппарата заключается в возможности подогрева и увлажнения дыхательной смеси. Это производится путем капельной инфу-зии дистиллированной воды или физиологического раствора через тонкую иглу, введенную в специальное отверстие газового шланга. При частоте капель 20-22 в минуту, относительная влажность газовой смеси составляет 85-90%. Имеются условия установить температуру вдыхаемой смеси, при этом температура струи может достигать 32-38°С. В аппарате предусмотрено

автоматическое отключение в случае повышения среднего давления в дыхательных путях выше, чем установлено на сигнализаторе. Также действует звуковая сигнализация в случае снижения давления, установленного на сигнализаторе. Аппарат позволяет обеспечить искусственную вентиляцию легких в самых разнообразных ситуациях: во время операций со вскрытием трахеоброн-хиального дерева, на этапе предоперационной подготовки больных с бронхоплевральными и трахеопищеводными свищами, в режиме вспомогательной вентиляции (в ближайший послеоперационный период), во время проведения легочносердечной реанимации, при бронхоскопиях, при болезни гиалиновых мембран у новорожденных и при прекращении длительной ИВЛ в адаптационный период. Наряду с общеклиническими исследованиями применяли специальные методы лабораторной диагностики: определялось КОС, газовый состав крови на аппаратах "Astrup" модель "Radiometr" (Дания) и на аппарате ЛВЬ-995 (Австрия). Показатели центральной гемодинамики оценивали методом тетраполяр-ной грудной реографии с помощью отечественного реоплатизмо-графа РПГ 2-02. Рассчитывали: конечное диастолическое давление левого желудочка (КДДЛЖ), ударный объем (УО), ударный индекс (УИ), сердечный индекс (СИ), минутный объем кровообращения (МОК), общее периферическое сопротивление (ОПС), работу левого желудочка (РЛЖ). Все полученные количественные данные подвергнуты статистической обработке. В процессе статистической обработки вычислялись парные критерии Вилкинсона и критерии Уайта, а также были использованы критерии Стьюдента для попарно связанных вариантов. Обработка полученных данных проводилась на программном компьютере ИСТРА-4816.

Результаты исследований

Для сравнительного анализа эффективности струйной ВЧ ИВЛ в течение наркоза и интубации трахеи обследованные больные были распределены по способу ИВЛ следующим образом: традиционный способ интубации трахеи-ИВЛ, струйная низкочастотная ИВЛ, струйная ВЧ ИВЛ. Исследования газового состава крови и КОС проводились в динамике на следующих этапах

анестезиологического обеспечения: исходный период (перед вводным наркозом), период интубации трахеи, период поддержания наркоза. Первая подгруппа контрольная - 21 больной, у которых вариант анестезиологического обеспечения не предусматривал проведения струйной ИВЛ на период интубации трахеи. Результаты исследования КОС и газового состава крови в контрольной подгруппе носили характер известных закономерностей, характерных для состояния гипоксии. Наши наблюдения показали, что затянувшаяся на спонтанном дыхании интубация вела к развитию капиллярной гипоксемии -снижение Р02 с 92,5±4,2 до 82,2+1,4 мм.рт.ст. (Р<0,01). Существенного изменения РС02 не наблюдали. Изменения РвС02 на этапах исследования были не существенными и оставались в пределах нормы (38,8+3,88 мм.рт.ст). Вторую подгруппу составили 25 больных, у которых в течении интубации трахеи, использовали струйную ИВЛ в низкочастотном режиме (20-60 в минуту). Интубацию осуществляли через 5-10 минут после начала струйной ИВЛ. Во время интубации на фоне адекватной элиминации С02 регистрировали снижение Р02 до 78,54+7,5 мм.рт.ст. Динамика Р02 коррелировала с изменениями показателя 502, значение которого у больных данной подгруппы повышалось с 98,2 до 100,0%. У бальных третьей подгруппы применяли струйную ВЧ ИВЛ в период вводного наркоза и интубации трахеи у 35 больных. Длительность ВЧ ИВЛ в среднем составила 55 минут. Выбор параметров вентиляции в указанном диапазоне был в значительной степени произвольным в безопасных для больного границах. По истечении 20 минут с начала ВЧ ИВЛ проводили контроль газового состава крови и КОС. При исследовании был зарегистрирован высокий уровень оксигенации. В частности, средняя величина Р02 на уровне капилляров составила 195,53+25,21 мм.рт.ст. ВЧ ИВЛ обеспечивала не только эффективную оксиге-нацию, но и достаточную эллиминацию углекислоты: содержание РС02 соответственно составило 35,54+0,4 мм.рт.ст. Изменение Б02 характеризовалось повышением показателей до 99,4+0,51%. Существенных изменений показателей РН и ВЕ в 3-й подгруппе не наблюдали.

Р02 мм.рт.ст -100

-50

63

44

55

57

40

исходный период вводный наркоз через 1 час после

наркоза

капилляр

- вена

Рис.1. Динамика Р02~ в течении периодов наркоза на фоне ВЧ ИВЛ Для оценки состояния центральной гемодинамики обследовано 28 больных в динамике: исходное состояние, период интубации трахеи. Больных разделили на подгруппы, которые по исходному характеру гемодинамики (эукинетический тип) достоверно не отличались друг от друга. Интубацию трахеи у больных 1-й подгруппы (8 пациентов) проводили традиционным способом после введения миорелаксантов короткого действия и предварительной масочной вентиляции кислородом. На этапе интубации трахеи у всех больных обнаружили значительное снижение УО на 35,5% (Р<0,05) и соответственно УИ на 33,3% (Р<0,05). КДДЛЖ достоверно возрастало на 9,1% (Р<0,05), что могло свидетельствовать о снижении сократительной способности миокарда. МОК и СИ снижались соответственно на 16,4% и 21,72% (Р<0,05). МОК полностью не компенсировался увеличением час-

тоты сердечных сокращений, при этом отмечалось повышение ОПС на 30,2% от исходного уровня (Р<0,05), что свидетельствовало об увеличении постнагрузки. Следует отметить, что в процессе интубации трахеи на фоне ВЧ ИВЛ у больных второй подгруппы (10 больных) достоверно не изменялись такие показатели, как УО, СИ, ОПС (Р<0,05). При этом оптимизация гемодинамичесхих параметров обеспечивалась функционально более экономным путем, отсутствовала тахикардия (ЧСС 105,4+4,5 ударов в минуту) при более низких значениях ОПС (ОПС 1185,0+110,5 дин.сек.см ) по сравнению с исходными показателями КДДЛЖ оставалось на исходном уровне, что свидетельствовало об отсутствии депрессии сократительной способности миокарда. На фоне ВЧ ИВЛ в условиях адекватной анестезии и инфузионной терапии показатели центральной гемодинамики сохраняли стабильность, отклоняясь от исходных показаний незначительно Сравнительный анализ показателей центральной гемодинамики в период интубации трахеи в обеих подгруппах больных свидетельствовал о достоверности различий У О, УИ, СИ, ОПС. Надо отметить, что на исходном этапе УО у больных 1-й и 2-й подгруппы достоверно различался. Различия наблюдались в МОК и ОПС, которые в процессе интубации трахеи значительно усиливались, достигая Р<0,001. ОПС в 1-й подгруппе в процессе интубации достоверно возрастало (Р<0,05), при незначительной тенденции снижения ОПС второй подгруппы, что в свою очередь привело к значительным различиям ОПС в двух подгруппах (Р<0,001). КДДЛЖ также достоверно различалось (Р<0,01) за счет увеличения значений КДДЛЖ во время интубации больных 1-й подгруппы. При этом ЧСС в период интубации трахеи на фоне ВЧ ИВЛ соответствовала 112,4+8,7 ударам в минуту, что составило на 25% меньше по сравнению с соответствующими показателями у больных 1-й подгруппы (Р<0,001), ЧСС которых составила 125,5+2,1 ударов в минуту. АД систолическое и диастолическое у больных 2-й подгруппы оставалось стабильным в течении интубации трахеи и ВЧ ИВЛ, причем достоверно было ниже на 33% по сравнению с показателями в 1-й подгруппе. Третью подгруппу (10 пациентов) составили больные, которым

1 а

на период интубации трахеи была проведена струйная ИВЛ с частотой 40-60 в минуту. При сравнении влияния на гемодинамику струйной ВЧ ИВЛ и струйной низкочастотной вентиляции выявили следующие закономерности. При струйной низкочастотной ИВЛ ЧСС составила 110% исходной (Р<0,05), при ВЧ ИВЛ - соответственно 105%. МОК при струйной ИВЛ снижался и составил 82,1% по сравнению с исходными показателями (Р<0,5) при ВЧ ИВЛ - существенно не изменялся. Если при низкочастотной струйной вентиляции ОПС возрастало на 18%, при ВЧ ИВЛ ОПС составило только 98% исходного. Наши исследования

н

при трудных условиях вентиляции позволили зарегистрировать более оптимальные условия газообмена, которые были обусловлены эффектами струйной вентиляции легких. При этом струйная низкочастотная ИВЛ также, как ВЧ ИВЛ существенно оптимизировала анестезиологическое обеспечение в плане преодоления нарушений газообмена на этапах интубации трахеи. Однако при низкочастотной ИВЛ из-за больших дыхательных объемов и, следовательно, высоких величин давления в дыхательных путях, сохранялись негативные гемодинамические эффекты, свойственные традиционной ИВЛ: депрессия сердечного выброса, повышение периферического сопротивления сосудов. Использование ВЧ ИВЛ нивелировало эти недостатки. Острая дыхательная недостаточность - грозное осложнение посленаркоз-ного периода у детей перенесших операции. Крайне важной задачей является ее предупреждение. Вспомогательная ВЧ ИВЛ занимает одно из ведущих мест в профилактике и лечении синдрома ОДН. Для предотвращения нарушений дыхания в процессе выполнения вспомогательной ВЧ ИВЛ успешно применили вариант струйной ВЧ ИВЛ с использованием носового катетера, вводимого в трахею непосредственно перед экстубацией.

Как показали проведенные исследования, у больных контрольной подгруппы во время послеоперационного периода были отмечены незначительные изменения КОС и весьма существенные негативные изменения газового состава крови. Исходные показатели Р02 были умеренно снижены (73,54+7,5 мм.рт.ст.), наблюдалась умеренная гипокапния (РС02 36,54+1,12 мм.рт.ст.).

При течении послеоперационного периода на спонтанном дыхании оксигенация артериальной крови значительно ухудшалась, в частности величина Р02 снижалась на 30% (Р<0,01) по сравнению с исходным уровнем. При этом среднее значение показателей Р02 составило 61,2+2,3 мм.рт.ст. Такая же тенденция была отмечена при регистрации Рв02. При этом зарегистрировано снижение показателей Р02 с 63,4+2,5 мм.рт.ст. до 57,0+4,5 мм.рт.ст. (Р<0,01). Умеренная гипоксемия сохранялась через 1 час после операции (75,4+4,5 мм.рт.ст.). Напряжение углекислоты на этапах исследования мало изменялось.

Проведение вводного наркоза и послеоперационного периода на фоне ВЧ ИВЛ существенно улучшало параметры газообмена. У больных значительно улучшалась оксигенация артериальной крови - величина Р02 повышалась по сравнению с исходным периодом до 92,5+4,3 мм.рт.ст. или на 25% (Р<0.001). Такая же динамика прослеживалась и в венозной крови. При этом ВЧ ИВ Л обеспечивала удовлетворительную эллиминацию С02. При сравнении исходных показателей КОС и ГСК в обеих группах больных, которым выполняли вспомогательную ИВЛ достоверных различий не обнаружили. Непосредственно в период ближайшего послеоперационного периода во второй подгруппе выявили достоверное увеличение показателе)} Р02 по сравнению с таковыми, регистрируемыми в первой подгруппе (Р<0,001). Причем показатели во 2-й подгруппе были в 2,4 раза выше, чем в 1-й. Столь выраженные различия напряжения 02 крови могут быть объяснены 100% концентрацией кислорода, подаваемой через катетер, а также эффектами ВЧ ИВЛ, которая обладает способностью увеличивать диффузию и интеррегионарное смешивание газов в легких за счет изменения скорости потока в дыхательных путях. Более равномерное распределение газа при ВЧ ИВЛ обуславливает уменьшение шунта справа на лево Что касается показателей КОС, то в обеих подгруппах достоверных различий на этапах исследования не обнаружено. Для оценки клинического состояния больных в течении послеоперационного периода измеряли артериальное давление (АД), частоту сердечных сокращений (ЧСС) и частоту дыхания (ЧД) перед наркозом, в послеопераци-

онный период при использовании ВЧ ИВЛ и через 1 час после операции. По исходным показателям подгруппы достоверно не различались. В послеоперационном периоде у больных контрольной подгруппы установлено повышение систолического АД на 20% по сравнению с исходными данными (Р<0,01). При этом ЧСС увеличивалась достоверно в среднем на 20%. Непосредственно в течение процедуры отмечалась тенденция к учащению дыхания (Р<0,01). Дыхание не только учащалось, но и становилось менее глубоким. Все это приводило к снижению эффективности легочной вентиляции, усиливало неравномерность ее, усугубляло вентиляционно—перфузионные отношения, и как следствие, у больных возникала гипоксемия. В течении часа после операции у детей в 1-й подгруппе оставалась компенсаторная реакция системы внешнего дыхания, которая была направлена на устранение вентиляционных нарушений и сопровождалась тахикардией (121Л;5 уд. в мин.) и повышением систолического АД (112,3+2,05 мм.рт.ст.). Эти показатели по сравнению с исходными достоверно различались (Р<0,01). Кроме того, процедура вспомогательной ВЧ ИВЛ через назотрахеальный катетер у большинства больных вызывала неприятные ощущения, негативные реакции, при этом отмечалось возникновение одышки.

Применение струйной ВЧ ИВЛ в период вводного наркоза и в ближайший послеоперационный период во 2-й подгруппе больных проходило на фоне стабильной гемодинамики: ЧСС стабилизировалась 80,0+2,4 до 90,4+2,1 в мин. АД оставалось стабильным (АД сист. 107,2+2,0 мм.рт.ст.) и достоверно не изменялось по сравнению с исходными показателями. Частота дыхания в послеоперационный период также оставалась стабильной и хотя имелась тенденция к урежению ЧД, показатели не были достоверными. Следует отметить, что показатели гемодинамики АД, ЧСС и частоты дыхания через 1 час после операции не отличались по сравнению с исходными. Сравнительный анализ результатов, полученных в двух подгруппах больных, позволил выявить существенные преимущества вспомогательной струйной ВЧ ИВЛ по сравнению с режимом самостоятельного дыхания. Оба периода на фоне ВЧ ИВЛ протекали спокойно, без выраженной тахи-

кардии и гепертензии. Систолическое АД у больных 2-й подгруппы было ниже по сравнению с 1-й подгруппой (Р<0,01). Показатели ЧСС во время послеоперационного периода в обеих подгруппах достоверно различались, соответственно составляли (110,5+3,4 уд. в мин. 1-я подгруппа и 82,8±3,4 уд.в мин. во 2-й (Р<0,01)). Показатели частоты дыхания в течение послеоперационного периода во 2-й подгруппе были ниже по сравнению с регистрируемыми у больных 1-й подгруппы (Р<0,01). Больные второй подгруппы легче переносили вводный наркоз и послеоперационный период. При ВЧ ИВЛ в условиях негерметичного контура "больной-аппарат" сохранение спонтанного дыхания не приводило к "борьбе" с респиратором. Больные не испытывали каких—либо неприятных ощущений. Объективное и субъективное состояние больных позволило в спокойной обстановке осуществлять уход за больными.

Динамические показатели АД, ЧСС в течении вводного наркоза и в ближайший послеоперационный период выполняемого на фоне ВЧ ИВЛ (М+м)

Таблица 2

г Показатели 1____ Этапы измерения показателей

Исходный Вводный Через 1 час

период наркоз после операции

АД мм.рт.ст Р<0,01 Р<0,05

сист. 100,7+2,0 105,2+1,0 107,2+2,0

диаст. 75,2+2,4 80,7+1,4 80,8+2,4

ЧСС в мин. 80,0±2,4 90,4+2,1 82,3±3,4

Мы не наблюдали осложнений в ходе вводного наркоза и в ближайший послеоперационный период на фоне ВЧ ИВЛ. Однако эффекты струйной ВЧ ИВЛ способствовали улучшению дренажной функции бронхов. Продуктивный кашель и эффективную эллиминацию мокроты наблюдали тот-час после наркоза. Этому способствовал эффект вибромассажа, возникающий при ВЧ ИВЛ.

Выводы

1. Для активной оксигенации методом ВЧ ИВЛ научно обосновано использование малогабаритных аппаратов газообмена "Ассистент—М" у детей с врожденной и приобретенной хирургической патологией.

2. На этапах проведения струйной ВЧ ИВЛ при интубации трахеи в период базис наркоза и в ближайший послеоперационный период, данный метод оксигенации оказывает благоприятное действие на гемодинамику и обеспечивает более лучшие условия ее функционирования, о чем свидетельствуют маниторные и функциональные наблюдения, а также газовый состав крови.

3. Транстрахеальная струйная ВЧ ИВЛ обеспечивает оптимальные уровни газообмена на этапах операций у детей с врожденной и приобретенной хирургической патологией, значительно улучшая показатели газового состава крови, о чем свидетельствуют лабораторные данные.

4. Интратрахеальная струйная ВЧ ИВЛ расширяет возможности анестезиологического обеспечения в детской хирургии, являясь эффективным способом искусственной вентиляции легких, и может быть альтернативой в тех случаях, когда проведение традиционных методов ИВЛ является проблематичным. Интратрахеальная струйная ВЧ ИВЛ создает благоприятные условия для хирургов в выполнении оперативного вмешательства на грудной клетке у детей.

Практические рекомендации

1. Струйная ВЧ ИВЛ показана больным детям с врожденной и приобретенной хирургической патологией для предупреждения нарушений газообмена в период интубации трахеи, в ближайший послеоперационный период, а также в ходе поддержания анестезии (базис наркоз). Параметры вентиляции следующие: ЧДД 100-140 в минуту, рабочее давление 2,0-3,0 атмосферы, МОД 10-30 л/мин.

2. Для осуществления вспомогательной ВЧ ИВЛ в ближайший послеоперационный период непосредственно после экстуба-ции трахеи, вводят назотрахеальный катетер, через который осу-

ществляют вспомогательную вентиляцию легких в режиме: ЧДЦ 100-140 т в минуту, рабочее давление 1,0-2,0 атмосферы, МОД 5,0-20,0 л/мин.

3. Для осуществления санации трахеобронхиального дерева в ходе операции и параллельно проводимой ИВЛ вводят через окно конектора санационный катетер диаметром 1,5 мм, через который осуществляют санацию интратрахеального содержимого.

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. Завьялов А.Е., Торовков А.П. Использование высокочастотной искусственной вентиляции легких в детской хирургии. //В кн. Вопросы клинической и теоретической медицины. Сборник работ АГМУ. т.1. г.Барнаул, 1994г., с.217-220.

2. Завьялов А.Е., Кожевников В.А., Тен Ю.В., Торовков А.П. Использование методики струйной ВЧ ИВЛ как компонента анестезиологического обеспечения в детской хирургии. / /Сборник работ, АГМУ, 25 лет кафедры детской хирургии. Материалы, г.Барнаул, 1995г., с.236.

3. Тен Ю.В., Кожевников В.А., Завьялов А.Е., Торовков А.П., Мешков М.В., Юров А.П. Хирургическое лечение атрезии пищевода у детей Сборники работ. АГМУ. г.Барнаул, 25 лет кафедры детской хирургии, АГМУ, 1995г., с. 102.

4. Кожевников В.А., Тен Ю.В., Торовков А.П., Завьялов А.Е Лечение атрезии пищевода у детей. Сборник работ. Материалы. Конгресс педиатров России. г.Москва. 1995г., с. 152.

5. Завьялов А.Е. Опыт использования объемной ВЧ ИВЛ как компонента анестезиологического обеспечения в хирургии новорожденных. / / Сборник научных трудов сотрудников педиатрического факультета АГМУ, г.Барнаул. 1996г., с.71-73.

Список сокращений

АД - артериальное давление

ВЧ ИВЛ - высокочастотная искусственная вентиляция легких

ИВЛ - искусственная вентиляция легких

КДДЛЖ - конечное диастолическое давление левого желудочка

КОС - кислотно основное состояние

МОК - минутный объем крови

ОПС - общее периферическое сопротивление

РЛЖ - работа левого желудочка

СБ - стандартный бикарбонат

СДД - среднее динамическое давление

СИ - сердечный индекс

УИ - ударный индекс

ЧД - частота дыхания

ЧСС - частота сердечных сокращений

ВЕ - сдвиг буферных оснований

Рв02 - напряжение кислорода и углекислого газа

РвС02 - в венозной крови

Б02 - насыщение гемоглобина кислородом в крови.

Х-.!-- /

Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

На правах рукописи

КОНЕВСКИЙ ОЛЕГ ЛЕОНИДОВИЧ

Разработка метода формирования математических моделей физических объектов для управления процессами механической и физико-технической обработки и контроля.

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Н. И. Тихонов

Новгород - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы, цель и задачи исследования

1.1. Область использования систем искусственного зрения и требования к ним

1.2. Классификация систем распознавания

1.3. Структура СТЗ, типы видеодатчиков

1.4. Существующие реализации процессора изображений

1.5. Выводы и постановка цели исследования

Глава 2. Методы локальных растровых

преобразований 46

2.1. Алгоритм сглаживания 46

2.2. Алгоритм утончения 53 Глава 3. Метод векторизации растровых

изображений и нахождения узловых точек 60

3.1. Место векторизации в общей концепции метода формирования векторных моделей и требования

к входным данным и результатам работы 60

3.2. Метод первичного распознавания векторов 64

3.3. Метод "сшивки" векторов 79

3.4. Совместное использование алгоритмов

первичного распознавания и "сшивки" векторов 92

3.5. Метод нахождения узловых точек 94 Глава 4. Распознавание дуг и окружностей 105 4.1. Задачи метода распознавания дуги окружностей 105

стр. 4

7

7 11 16

23 43

4.2. Метод первичного распознавания дуг

и окружностей 106

4.3. Метод "сшивки" дуг и окружностей 123

4.4. Алгоритм изменения узловой и векторной модели с учетом информации, содержащейся

в списке дуг и окружностей 134

Глава 5. Результаты тестирования алгоритмов 144

Общие выводы 149

Список литературы 152

Приложения 161

ВВЕДЕНИЕ

Комплексная автоматизация проектирования и производства позволяет кардинально повысить

производительность труда, технологический уровень и эффективность производства, существенно сократить его издержки. Эффективным средством решения многих задач комплексной автоматизации являются робототехнические комплексы (РТК), работающие по принципу гибкой "безлюдной" технологии под управлением ЭВМ.

Существенное расширение функциональных возможностей РТК достигается за счет введения в его систему управления элементов адаптации и искусственного интеллекта. Такие РТК с адаптивным управлением могут автоматически

приспосабливаться к непредсказуемым изменениям производственной обстановки и условий эксплуатации. Необходимость в адаптации возникает при механической обработке, сварке, окраске, сборке и многих других операциях.

Одним из главных условий адекватной реакции робота на изменившуюся внешнюю обстановку является наличие у него достоверной информации об окружающем мире, на основании которой система управления может принять то или иное решение. Известно, что более 90% от всей совокупности информации, получаемой здоровым человеком составляет видеоинформация, и нет причин для того, чтобы изменять данное соотношение для машин, наделенных искусственным интеллектом [9, 10]. Но для этого требуется преобразовать информацию, передаваемую видеодатчиками к виду, в котором

она наиболее полно может быть востребована системой управления, иначе говоря, машину нужно научить не только "смотреть", но и "видеть" и "понимать" увиденное.

Необходимо отметить, что идея создания "зрячей" машины занимала умы ученых по-видимому со дня создания первой ЭВМ, а еще раньше нашла свое воплощение в произведениях фантастов. Однако с первых же попыток реализовать искусственное зрение был вскрыт такой пласт проблем, что и до сегодняшнего дня нет универсального удовлетворяющего всем требованиям, предъявляемым к искусственному зрению, решения. В принципе, существует два пути движения к цели: моделировать работу участков человеческого мозга, отвечающих за зрение или создавать что-то принципиально отличное. Попытки пойти по первому пути не увенчались успехом (хотя, безусловно, и не были бесполезными, т. к. позволили понять некоторые аспекты мозговой деятельности), природа создала такие алгоритмы, что даже суперкомпьютеры с суперпрограммами не могут сравниться по эффективности с относительно маломощным вычислительным устройством человеческим мозгом. Поэтому наиболее реальным представляется второй путь - создание проблемно-ориентированных систем искусственного зрения.

К такого рода исследованиям и относится настоящая работа. Отличительной особенностью объектов, с которыми приходиться работать системам искусственного зрения в составе адаптивных робототехнических комплексов, является то, что они, как правило, ограничены прямыми линиями, дугами и окружностями. Поэтому имеет смысл сосредоточить усилия

именно на "понимании" машиной подобных объектов.

Данная работа посвящена проблеме преобразования видеоинформации из растровой формы, в которой она поставляется видеодатчиками, в векторную с распознаванием прямых линий, дуг и окружностей, а также формирования на ее основе узловой модели физического объекта, которая может быть востребована системами управления процессами механической и физико-технической обработки и контроля.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Область использования систем искусственного зрения и требования к ним

Системы искусственного зрения широко применяются в машиностроении при использовании адаптивных робото-технических комплексов (РТК). Такие системы называют системами технического зрения. При этом техническое зрение трактуется как собственно процесс восприятия окружающих объектов с помощью видеодатчиков, так и их распознавание на основе полученной видеоинформации [12, 34].

Адаптивные РТК с элементами искусственного интеллекта должны обладать способностью анализировать окружающую производственную обстановку, распознавать целевые объекты (детали, инструменты), идентифицировать препятствия [2]. Задачей системы распознавания образов [37] в составе системы искусственного (технического) зрения в этом случае является обработка визуальной информации, предоставляемой датчиками изображения, с целью приведения ее к форме, в которой она может быть востребована системой управления, которая принимает решение о действии [14, 46].

Системы технического зрения применяются в РТК для выполнения следующих технологических операций [36]:

- загрузки станков и обрабатывающих центров произвольно расположенными заготовками и деталями из бункеров или с конвейера;

- визуального контроля и отбраковки деталей или изделий

- сортировки и укладки в пакеты или специальные накопители неупорядоченных деталей (в том числе деталей, поступающих в таре навалом);

комплектации узлов и сборки изделий из неупорядоченных деталей;

- дуговой сварки изделий сложной конфигурации;

- окраски деталей сложной формы;

адресования деталей с подвесных конвейеров на. сборочные.

Кроме того, системы технического зрения используются в системах автоматизированного проектирования

технологических процессов в том случае, если отсутствует предварительно сформированная при помощи САБ-системы математическая модель объекта, но имеется сам физический объект, что характерно, например, для проектирования технологического процесса в ремонтном производстве. Такой вид проектирования носит название реверсивного [71].

Системы распознавания, используемые в робототехнических комплексах имеют ряд существенных отличий от аналогичных систем, работающих в других областях (например, систем обработки топографической информации, читающих автоматов [5] и др. [17]). Эти отличия связаны с тем, что в условиях производства сложно обеспечить постоянство ракурса восприятия объекта, а также необходимостью оперативной обработки информации в режиме реального времени для адаптивного контроля и управления без замедления работы

оборудования [29].

Из вышеизложенных особенностей вытекают требования, предъявляемые к системам технического зрения для робото-технических комплексов:

высокая скорость обработки видеоинформации позволяющая организовать процесс в реальном масштабе времени (т. е. анализ одного видеокадра должен происходить в течение нескольких десятых долей секунды);

- гибкость;

- высокая точность распознавания и идентификации геометрических параметров объекта;

- высокая помехоустойчивость и слабая зависимость от изменения окружающих объект условий.

Укрупненная схема работы РТК на основе системы технического зрения представлена на рис. 1.1. В случае, если в качестве замыкающего звена данной цепочки использовать систему технологического проектирования технологических процессов, то данная схема будет справедливой для использования СТЗ в рамках задачи реверсивного проектирования.

Объект

чЛ/*

Датчик изображения

Оцифрованное Обработка З-Б модель изображение изображения объекта

Принятие решения на основе модели объекта и базы знаний

Воздействие на объект

САР-система

Технологический процесс

Рис. 1.1. Укрупненная схема работы РТК на основе системы технического зрения. В случае, если в качестве замыкающего звена данной цепочки использовать систему технологического проектирования технологических процессов, то данная схема будет справедливой для использования СТЗ в рамках задачи реверсивного проектирования.

1.2. Классификация систем распознавания

Образом называют массив элементов [Рху х=1,...Ш; у=1,..., Н]. Каждый элемент Рх_у носит название пиксела или элемента разложения. Величина Рх>у представляет собой значение яркости элемента с координатами х, у. Существует и другая трактовка термина "пиксел": это элемент изображения, относящийся к той его части, которая несет полезную информацию, в отличие от другой его части - фона.

Распознавание образов представляет собой задачу преобразования входной информации, в качестве которой уместно рассматривать совокупность признаков объекта, в выходную, которая представляет собой заключение о том, к какому классу относится объект [19, 16]. Преобразование выполняется на основе имеющихся у системы правил. Таким образом для выполнения задачи система распознавания должна обладать априорной (алфавит классов, описание классов на языке признаков), а также апостериорной информацией (значения признаков для конкретного объекта). Алгоритм распознавания должен сопоставлять апостериорные данные с априорной информацией и на основе сопоставления определять, к какому классу относится объект.

Признаки объектов могут подразделяться на детерминированные, вероятностные, логические и структурные [20].

Детерминированные - признаки, принимающие конкретные числовые значения. При их рассмотрении ошибками измерений пренебрегают.

Вероятностные - признаки, случайные значения которых распределены по всем классам объектов.

Логические - признаки, которые можно рассматривать как элементарные логические высказывания (да-нет, истина-ложь).

Структурные (лингвистические, синтаксические) признаки, представляющие собой непроизводные элементы (символы) структуры объекта. Объект может рассматриваться как цепочка терминалов (элементов) или как предложение. Такие предложения и описывают объекты.

Системы распознавания можно подразделить в зависимости от того, физически однородная или неоднородная информация используется для описания объектов на простые и сложные.

Сложные, в свою очередь, по способу получения апостериорной информации делятся на одноуровневые (информация получается с помощью прямых измерений) и многоуровневые (апостериорная информация о признаках определяется на основе косвенных измерений).

По способу получения априорной информации как простые, так и сложные системы можно разделить на системы без обучения, обучающиеся и самообучающиеся.

В системах без обучения первоначальной априорной информации достаточно для того, чтобы определить априорный алфавит классов, построить априорный словарь признаков и на языке этих признаков произвести описание каждого класса, т.е. выработать правила классификации.

В обучающихся системах [40] первоначальной априорной информации достаточно, чтобы определить априорный алфавит классов, построить априорный словарь признаков, но

недостаточно для описания классов на языке признаков.

В самообучающихся системах первоначальной априорной информации достаточно лишь для определения словаря признаков.

В зависимости от того на языке каких признаков производится описание объектов, системы подразделяются на детерминированные, вероятностные, логические и структурные.

Возможная классификация систем распознавания объектов, основанная на различных свойствах информации, используемой в процессе распознавания, показана на рис. 1.2. [18].

Рис. 1.2. Классификация систем распознавания.

В системах технического зрения представляется

целесообразным использование многоуровневых систем разпознавания.

На низком уровне входной (апостериорной) информацией является оцифрованное пиксельное изображение объекта, а результатом низкоуровневого распознавания является векторная или аналогичная ей по свойствам модель объекта.

Полученная модель предоставляется в качестве апостериорной информации для систем более высокого уровня. В число задач этих систем может входить классификация объектов, контроль геометрических параметров, построение иерархической модели объекта, необходимой при работе других систем (в частности систем технологического проектирования) и т.д. Очевидно, что конкретная реализация высокого уровня распознавания зависима от области приложения получаемой информации. Так, например, манипулятору, в задачу которого входит придание объекту определенной пространственной ориентации, совсем не обязательно "знать" иерархию конструкторско-технологических образов, составляющих деталь, но совершенно необходимо "уметь" выделять из векторной модели множество параметров, которые будут использованы в качестве признаков при определении исходной ориентации. Характер и объем априорной информации также определяется конкретными условиями работы системы [56].

Таким образом, вся совокупность типов систем распознавания из приведенной выше классификации применима для решения задач высокоуровневой обработки изображения, а выбор того или иного типа зависит от характера ожидаемой на выходе информации.

Рассмотрим более подробно низкоуровневое распознавание. Как уже было сказано выше, входной (апостериорной) информацией является оцифрованное пиксельное изображение объекта, следовательно совокупность свойств определяется распределением интенсивности излучения в каждой точке (X, У). Аналоговое изображение математически выражается непрерывной или кусочно-непрерывной положительной функцией g(X, У). Трехмерное изображение можно представить величинами ^(Х, У), г(Х, У)}, где г(Х, У) - функция, связывающая расстояние между точкой с координатами (X, У) датчика и соответствующей излучающей точкой в сцене. Эта информация определенным образом сопоставляется с априорной информацией о признаках каждого из классов, после чего объект определяется в тот или иной класс. Объектом в данном контексте обычно является фрагмент изображения, а классификация представляет собой процесс принятия решения о принадлежности данного фрагмента к одному из типов графических примитивов (линия, дуга, окружность и т.д.).

В качестве априорной в данном случае выступает следующая информация:

- совокупность классов, к одному из которых будет отнесен объект (алфавит классов). В том случае, если объект не подпадает ни под один из возможных вариантов, как правило, на низком уровне распознавания он относится к классу с наиболее близкими признаками;

набор (язык) признаков, на основании сравнения значений которых для данного класса и для конкретного объекта может быть сделан вывод о принадлежности объекта к

классу;

описание классов на языке признаков. В случае распознавания на низком уровне описание может сводиться к системам уравнений и числовым значениям некоторых констант (порогов).

Как видно из приведенного описания априорной информации, системы распознавания на низком уровне в соответствии с предлагаемой классификацией относятся к детерминированным простым системам без обучения.

Низкий уровень распознаваемых объектов существенно сказывается на механизме распознавания. В данном случае еще до включения непосредственно процедуры отнесения объекта к тому или иному классу, объект должен быть локализован на изображении, т. е. установлен сам факт присутствия объекта, найдены его характерные точ�