Помощь студентам в учебе
Методы и технические средства оценки функционального состояния головного мозга человека на основе электрических измерений
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 14
1.1 Методы регистрации и оценки собственной электрической
активности головного мозга 14
1.2 Исследование электрического импеданса головного мозга .... 31
1.3 Визуализирующие методы исследования функционального
состояния головного мозга на основе измерения электрического импеданса 36
1.4 Одновременная регистрация собственной электрической
активности и электрического импеданса головного мозга 44
1.5 Выводы и заключение по обзору литературы 45
2 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЕДАНСА И СОБСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
ГОЛОВНОГО МОЗГА 48
2.1 Конечно-элементная вычислительная модель головы человека . . 48
2.2 Моделирование электроимпедансных измерений 75
2.3 Численное исследование возможности количественной оценки мозгового кровообращения с помощью реоэнцефалографии ... 88
2.4 Численные исследования изменения электрических параметров
при изменении функционального и морфологического состояния головного мозга 100
2.5 Выводы к главе 2 109
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ 112
3.1 Узлы аппаратуры для измерения электрических параметров
головного мозга. Сравнительный анализ схемотехнических решений112
3.2 Аппаратура для многоканальных измерений 123
3.3 Аппаратура для электроимпедансной томографии 149
3.4 Узлы импедансного томографа 164
3.5 Практическая реализация источников зондирующего тока и их
сравнительное исследование 180
3.6 Оптимизация структуры и выбор схемотехнических решений
аппаратуры для электроимпедансных измерений 194
3.7 Примеры схемотехнических решений аппаратуры для
визуализирующих биоимпедансных исследований 196
3.8 Схемотехнические решения аппаратуры для одновременной
совместной регистрации импеданса и собственной электрической активности 216
3.9 Выводы к главе 3 228
4 АЛГОРИТМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ
ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА 231
4.1 Прямая и обратная задачи электроимпедансной томографии . . 231
4.2 Регуляризация решения обратной задачи реконструкции
импедансных изображений 273
4.3 Заключение и выводы к главе 4 287
5 ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
СОСТОЯНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНЫХ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ 289
5.1 Интегральный показатель уровня функциональной активности
центральной нервной системы 289
5.2 Биоимпедансные показатели функционального состояния
головного мозга 313
5.3 Выводы к главе 5 319
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 322
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ . 325
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 327
ПРИЛОЖЕНИЕ А БЛОК-СХЕМА АЛГОРИТМА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 362
ПРИЛОЖЕНИЕ Б АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 363
1 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 14
1.1 Методы регистрации и оценки собственной электрической
активности головного мозга 14
1.2 Исследование электрического импеданса головного мозга .... 31
1.3 Визуализирующие методы исследования функционального
состояния головного мозга на основе измерения электрического импеданса 36
1.4 Одновременная регистрация собственной электрической
активности и электрического импеданса головного мозга 44
1.5 Выводы и заключение по обзору литературы 45
2 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЕДАНСА И СОБСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
ГОЛОВНОГО МОЗГА 48
2.1 Конечно-элементная вычислительная модель головы человека . . 48
2.2 Моделирование электроимпедансных измерений 75
2.3 Численное исследование возможности количественной оценки мозгового кровообращения с помощью реоэнцефалографии ... 88
2.4 Численные исследования изменения электрических параметров
при изменении функционального и морфологического состояния головного мозга 100
2.5 Выводы к главе 2 109
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ 112
3.1 Узлы аппаратуры для измерения электрических параметров
головного мозга. Сравнительный анализ схемотехнических решений112
3.2 Аппаратура для многоканальных измерений 123
3.3 Аппаратура для электроимпедансной томографии 149
3.4 Узлы импедансного томографа 164
3.5 Практическая реализация источников зондирующего тока и их
сравнительное исследование 180
3.6 Оптимизация структуры и выбор схемотехнических решений
аппаратуры для электроимпедансных измерений 194
3.7 Примеры схемотехнических решений аппаратуры для
визуализирующих биоимпедансных исследований 196
3.8 Схемотехнические решения аппаратуры для одновременной
совместной регистрации импеданса и собственной электрической активности 216
3.9 Выводы к главе 3 228
4 АЛГОРИТМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ
ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА 231
4.1 Прямая и обратная задачи электроимпедансной томографии . . 231
4.2 Регуляризация решения обратной задачи реконструкции
импедансных изображений 273
4.3 Заключение и выводы к главе 4 287
5 ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
СОСТОЯНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНЫХ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ 289
5.1 Интегральный показатель уровня функциональной активности
центральной нервной системы 289
5.2 Биоимпедансные показатели функционального состояния
головного мозга 313
5.3 Выводы к главе 5 319
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 322
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ . 325
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 327
ПРИЛОЖЕНИЕ А БЛОК-СХЕМА АЛГОРИТМА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 362
ПРИЛОЖЕНИЕ Б АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 363
Актуальность темы исследования. Современные способы оценки состояния головного мозга — это отдельное направление развития методов и технических средств для физиологических и клинических исследований структуры и функции центральной нервной системы (ЦНС). Высокая актуальность направления связана с большой ценностью информации, получаемой при изучении физиологических принципов функциональной организации ЦНС, закономерностей развития патологических изменений, а также типологическом анализе индивидуальной вариабельности. Исследование состояния центральной нервной системы человека является непростой задачей вследствие многообразия индивидуальных проявлений мозговой активности, а также технических проблемам измерения информативных параметров.
Существующие в настоящее время методы исследования ЦНС имеют специфические ограничения методического и технического характера, такие как воздействие ионизирующего излучения (рентгеновская компьютерная томография, КТ, и радиоизотопные исследования) и продолжительное время обследования (магнито-резонансная томография, МРТ). Кроме того, современным системам визуализирующей диагностики присущи большие габариты, дороговизна и необходимость постоянного технического обслуживания. В некоторых случаях визуализирующая диагностика невозможна по техническим причинам: во время реанимации с использованием аппаратов искусственной вентиляции легких или искусственного кровообращения, в ходе хирургического вмешательства. Помимо технических и конструктивных особенностей, существуют и принципиальные ограничения, обусловленные физиологическими и патофизиологическими механизмами изменения функционального состояния нервной ткани. Проблемы оценки функционального состояния центральной нервной системы при отсутствии макроскопических проявлений, выявления ранних доклинических признаков начинающегося патологического процесса, а также исследования реакций головнога мозга на внешние воздействия в настоящее время весьма актуальны. Имеющиеся технические средства получения динамических изображений во время различных воздействий ограничены функциональной МРТ и радиоизотопными методами с присущими им достоинствами и недостатками. С другой стороны, существуют простые и недорогие способы оценки состояния головного мозга, основанные на регистрации его электрических характеристик — электроэнцефалография и реоэнцефалография. Эти методы общеизвестны и широко применяются в практической деятельности. Но они обладают принципиальными недостатками, которые вызывают серьезные споры по поводу их метрологических характеристик. С одной стороны, общепризнан факт изменения электрических свойств нервной ткани в различных состояниях, с другой стороны, использование этого наблюдения для оценки статуса головного мозга зачастую приводит к противоречивым результатам. В современных условиях весьма актуально создание недорогой неинвазивной технологии, которая позволяла бы проводить исследование центральной нервной системы в тех ситуациях, когда визуализирующая диагностика недоступна, противопоказана или малоинформативна. Возможное решение этой проблемы может быть найдено путем неинвазивных синхронных многопараметрических измерений электрических параметров нервной ткани.
Степень разработанности темы исследования. Научные основы современных методов и технических средств для исследования функционального состояния головного мозга были заложены во второй половине XX века, когда были сформулированы фундаментальные положения теории биотехнических систем [7], а также теория самоорганизующихся функциональных систем и нейрофизиологические основы электрической активности коры головного мозга [2]. В настоящее время результаты этих работ являются фундаментальной составляющей междисциплинарных исследований в области разработки технического и методического обеспечения нейрофизиологических исследований. С появлением мощных и при этом доступных персональных вычислительных машин начало активно развиваться направление количественного исследования электрических параметров головного мозга на основе традиционных методов электроэнцефалографии [21, 28] и реоэнцефалографии [39, 44, 78]. Параллельно начали развиваться новые методы исследования, такие как электромагнитная томография низкого разрешения [132, 212], электроимпедансная томография головного мозга и широкополосная биоимпедансметрия [8, 31, 101, 235]. К данному моменту основные усилия разработчиков технических средств и методов для исследования функционального состояния головного мозга сосредоточены на улучшении метрологических характеристик аппаратуры, снижении ее массогабаритных и стоимостных показателей, а также на повышения информативности функциональных тестов за счет передовых методов анализа и обработки биосигналов.
Цель диссертационной работы: разработка методов и технических средств для оценки функционального состояния головного мозга человека на основе измерения электрических параметров составляющих его тканей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи и направления исследования:
1. Разработать анатомически достоверную вычислительную модель для изучения изменения электрических свойств головного мозга при изменении его функционального состояния.
2. Разработать методику численного моделирования изменения электрических параметров головного мозга в различных физиологических и патологических условиях.
3. Провести численные исследования изменения электрических параметров головного мозга при изменении его функционального и морфологического состояния.
4. Разработать имитационную модель измерительной системы и определить оптимальную структуру и технические параметры с помощью численных экспериментов.
5. Создать программно-аппаратный комплекс для измерения электрических параметров головного мозга на основе оптимизированной структуры.
6. Разработать метод оценки функционального состояния головного мозга человека на основе электрических измерений.
Научная новизна работы заключается в развитии научных основ биотехнического подхода к разработке медицинских диагностических систем для исследования функционального состояния головного мозга человека.
1. Разработана анатомически достоверная трехмерная вычислительная модель головы человека, учитывающая действительное пространственное распределение удельных величин электрической проводимости и диэлектрической проницаемости биологических тканей, позволяющая исследовать импеданс и собственную электрическую активность головного мозга с помощью численных экспериментов.
2. Разработана методика моделирования электрических проявлений различных физиологических и патологических состояний головного мозга, основанная на представлении электрических параметров элементарного объема в виде взвешенной суммы параметров тканей, составляющих данный объем.
3. Обоснован подход к определению технических параметров электронной медицинской аппаратуры для оценки функционального состояния головного мозга, основанный на численном исследовании диагностической биотехнической системы.
4. Разработана имитационная модель, состоящая из анатомически достоверной вычислительной модели и управляемого симулятора электрических характеристик с изменяемыми параметрами, предназначенная для экспериментального комплексного исследования метрологических характеристик технических средств измерения биоимпеданса, а также для оптимизации измерительного тракта при заданных ограничениях.
5. На основе предложенных решений создан и проверен в условиях доклинических испытаний портативный программно-аппаратный комплекс для оценки функционального состояния головного мозга на основе одновременного измерения импеданса в полосе частот от 10 кГц до 1 МГц и собственной электрической активности в полосе частот до 1 кГц.
6. Разработан способ оценки функционального состояния головного мозга на основе измерений его импеданса и собственной электрической активности, позволяющий исследовать широкий спектр физиологических и патологических состояний с возможностью длительных мониторных наблюдений.
Практическая значимость. Разработанные имитационные и численные модели составляют научную основу для инженерной разработки современных аппаратных, программных и методических средств поддержки исследований функционального состояния головного мозга человека. Предложенный метод оценки функционального состояния головного мозга с использованием программно-аппаратного комплекса позволяет выявлять изменения функционального состояния нервной системы на ранних этапах развития физиологических и патологических процессов и может использоваться как в лабораторных нейрофизиологических исследованиях, расширяя возможности традиционных электрофизиологических методов, так и в практических приложениях, включая раннюю диагностику нарушений мозгового кровообращения на догоспитальном этапе и в условиях оказания экстренной помощи. Научно обоснованный подход к созданию современных функционально законченных универсальных программно-аппаратных средств медицинского назначения для измерения электрических параметров нервной ткани позволяет повысить эффективность разработки современной медицинской аппаратуры, ускорить проектирование и снизить затраты на натурные эксперименты.
Объекты и методы исследования
Объект исследования:медицинские системы для измерения
электрических параметров живых тканей, имитационные и компьютерные модели живых систем.
Методы исследования: В работе применены методы системного анализа; дифференциального и интегрального исчисления; одно- и многомерного анализа; имитационного и численного моделирования; метод конечных элементов; методы трехмерной визуализации; методы разработки параллельных программ для высокопроизводительных вычислительных систем.
Положения, выносимые на защиту:
1. Трехмерная вычислительная модель головы человека и методика моделирования электрических проявлений физиологических и патологических процессов в головном мозге, позволяющие анализировать данные в реальном режиме времени за счет оптимизации потоков информации между программными и аппаратными модулями модели.
2. Программное обеспечение для высокопроизводительной вычислительной системы, позволяющие проводить численное исследование электрических свойств головного мозга и определять необходимые метрологические характеристики измерительного оборудования.
3. Способ оптимизации структуры и параметров измерительного тракта приборов медицинского назначения для исследования функционального состояния головного мозга, позволяющий обеспечить необходимые технические характеристики при заданных ограничениях за счет оптимального выбора схемотехнических решений основных узлов и распределения выполняемых функций между программными и аппаратными модулями.
4. Информационно-измерительный комплекс для исследования функционального состояния головного мозга на основе одновременного измерения электрического импеданса в полосе частот от 10 кГц до 1 МГц и собственной электрической активности головного мозга в полосе частот до 1 кГц с одних и тех же электродов при уровне шума, приведенного ко входу, не более 0.8 мкВ.
5. Способ оценки функционального состояния головного мозга, основанный на вычислении интегрального показателя с использованием параметров спектров высокого порядка собственной электрической активности нервной ткани, а также параметров биоимпедасного спектра, полученных в полосе частот от 70 кГц до 1 Мгц.
6. Результаты практического применения разработанного метода оценки функционального состояния головного мозга, полученные в ходе предварительных лабораторных и доклинических испытаний.
Степень достоверности и апробация результатов Результаты, приведенные в диссертации, были получены с помощью современных методов научных исследований. Теоретические обоснования и модельные исследования были проведены с использованием общепризнанных подходов и программных средств. Экспериментальные данные были получены с использованием технических средств, метрологические характеристики которых верифицированы. Достоверность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью использованных методов измерения, а также непротиворечивостью данных численных и натурных экспериментов, их соответствием существующим в настоящее время общепринятым нейрофизиологическим концепциям, существующим знаниям в области биотехнических систем и результатам, полученным другими исследователями. Доказательства работоспособности разработанных методов, аппаратных и программных средств были получены в ходе сравнительных исследований с привлечением независимых экспертных оценок.
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
II съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока, г. Владивосток, 1995; международной научно-практической конференции «Здоровый образ жизни: сущность, структура, формирование на пороге XXI века», г.Томск, 1996; 2 международной конференции "Радиоэлектроника в медицинской диагностике: оценка функций и состояния организма, г.Москва, 23-26 сентября 1997; межрегиональной научно-практической конференции "Современные медицинские технологии г.Томск, 1998; международной конференции «Повреждения мозга», г. Санкт-Петербург, 1999; всероссийской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, 1999; II региональной конференции «Достижения современной лучевой диагностики в клинической практике», г.Томск, 27-28 июня 2002; конференции с международным участием «Перспективные методы томографической диагностики. Разработка и клиническое применение», г. Томск, 26-27 июня 2003; научно-практической конференции «Актуальные проблемы анестезиологии и реаниматологии» г.Омск, 15-16 ноября 2007; 21st International congress of the Israel Society of Anesthesiologist, September 16-18, Tel-Aviv, 2008; Научная конференция с международным участием, посвященная 120-летию кафедры нормальной физиологии СибГМУ и кафедры физиологии ТГУ «Нейрогуморальные механизмы регуляции висцеральных органов и систем в норме и патологии», г. Томск, 2009; The International Exhibition and Congress «Euromedica - Hanover 2012» Hannover, 2012; XXII съезд Физиологического общества имени И. П. Павлова, г. Волгоград, 2013; Proceeding in the 2nd international virtual multidisciplinary conference, QUAESTI 2014. 15th-19th December, Zilina, 2014; HKICEAS Hong Kong International Conference on Engineering and Applied Science. December 29-31, Hong King, 2014.
Публикации Материалы диссертации опубликованы в 27 печатных работах, из них 18 статей в рецензируемых журналах, 9 охранных документов на результаты интеллектуальной деятельности, результаты работы докладывались на 20 конференциях.
Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены соискателем самостоятельно. Тема диссертации, цели и задачи исследований, способы решения поставленных задач были определены соискателем. Лабораторные экспериментальные исследования по теме диссертационной работы были выполнены Бразовским К.С. самостоятельно. Часть результатов была получена в составе научных групп, при этом вклад соискателя был определяющим как в части выдвижения гипотез, так и в части их экспериментальной проверки.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 369 страницах и содержит введение, пять глав, заключение, два приложения. В работе приведено 98 рисунков и 10 таблиц. Библиография включает 303 наименования.
Существующие в настоящее время методы исследования ЦНС имеют специфические ограничения методического и технического характера, такие как воздействие ионизирующего излучения (рентгеновская компьютерная томография, КТ, и радиоизотопные исследования) и продолжительное время обследования (магнито-резонансная томография, МРТ). Кроме того, современным системам визуализирующей диагностики присущи большие габариты, дороговизна и необходимость постоянного технического обслуживания. В некоторых случаях визуализирующая диагностика невозможна по техническим причинам: во время реанимации с использованием аппаратов искусственной вентиляции легких или искусственного кровообращения, в ходе хирургического вмешательства. Помимо технических и конструктивных особенностей, существуют и принципиальные ограничения, обусловленные физиологическими и патофизиологическими механизмами изменения функционального состояния нервной ткани. Проблемы оценки функционального состояния центральной нервной системы при отсутствии макроскопических проявлений, выявления ранних доклинических признаков начинающегося патологического процесса, а также исследования реакций головнога мозга на внешние воздействия в настоящее время весьма актуальны. Имеющиеся технические средства получения динамических изображений во время различных воздействий ограничены функциональной МРТ и радиоизотопными методами с присущими им достоинствами и недостатками. С другой стороны, существуют простые и недорогие способы оценки состояния головного мозга, основанные на регистрации его электрических характеристик — электроэнцефалография и реоэнцефалография. Эти методы общеизвестны и широко применяются в практической деятельности. Но они обладают принципиальными недостатками, которые вызывают серьезные споры по поводу их метрологических характеристик. С одной стороны, общепризнан факт изменения электрических свойств нервной ткани в различных состояниях, с другой стороны, использование этого наблюдения для оценки статуса головного мозга зачастую приводит к противоречивым результатам. В современных условиях весьма актуально создание недорогой неинвазивной технологии, которая позволяла бы проводить исследование центральной нервной системы в тех ситуациях, когда визуализирующая диагностика недоступна, противопоказана или малоинформативна. Возможное решение этой проблемы может быть найдено путем неинвазивных синхронных многопараметрических измерений электрических параметров нервной ткани.
Степень разработанности темы исследования. Научные основы современных методов и технических средств для исследования функционального состояния головного мозга были заложены во второй половине XX века, когда были сформулированы фундаментальные положения теории биотехнических систем [7], а также теория самоорганизующихся функциональных систем и нейрофизиологические основы электрической активности коры головного мозга [2]. В настоящее время результаты этих работ являются фундаментальной составляющей междисциплинарных исследований в области разработки технического и методического обеспечения нейрофизиологических исследований. С появлением мощных и при этом доступных персональных вычислительных машин начало активно развиваться направление количественного исследования электрических параметров головного мозга на основе традиционных методов электроэнцефалографии [21, 28] и реоэнцефалографии [39, 44, 78]. Параллельно начали развиваться новые методы исследования, такие как электромагнитная томография низкого разрешения [132, 212], электроимпедансная томография головного мозга и широкополосная биоимпедансметрия [8, 31, 101, 235]. К данному моменту основные усилия разработчиков технических средств и методов для исследования функционального состояния головного мозга сосредоточены на улучшении метрологических характеристик аппаратуры, снижении ее массогабаритных и стоимостных показателей, а также на повышения информативности функциональных тестов за счет передовых методов анализа и обработки биосигналов.
Цель диссертационной работы: разработка методов и технических средств для оценки функционального состояния головного мозга человека на основе измерения электрических параметров составляющих его тканей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи и направления исследования:
1. Разработать анатомически достоверную вычислительную модель для изучения изменения электрических свойств головного мозга при изменении его функционального состояния.
2. Разработать методику численного моделирования изменения электрических параметров головного мозга в различных физиологических и патологических условиях.
3. Провести численные исследования изменения электрических параметров головного мозга при изменении его функционального и морфологического состояния.
4. Разработать имитационную модель измерительной системы и определить оптимальную структуру и технические параметры с помощью численных экспериментов.
5. Создать программно-аппаратный комплекс для измерения электрических параметров головного мозга на основе оптимизированной структуры.
6. Разработать метод оценки функционального состояния головного мозга человека на основе электрических измерений.
Научная новизна работы заключается в развитии научных основ биотехнического подхода к разработке медицинских диагностических систем для исследования функционального состояния головного мозга человека.
1. Разработана анатомически достоверная трехмерная вычислительная модель головы человека, учитывающая действительное пространственное распределение удельных величин электрической проводимости и диэлектрической проницаемости биологических тканей, позволяющая исследовать импеданс и собственную электрическую активность головного мозга с помощью численных экспериментов.
2. Разработана методика моделирования электрических проявлений различных физиологических и патологических состояний головного мозга, основанная на представлении электрических параметров элементарного объема в виде взвешенной суммы параметров тканей, составляющих данный объем.
3. Обоснован подход к определению технических параметров электронной медицинской аппаратуры для оценки функционального состояния головного мозга, основанный на численном исследовании диагностической биотехнической системы.
4. Разработана имитационная модель, состоящая из анатомически достоверной вычислительной модели и управляемого симулятора электрических характеристик с изменяемыми параметрами, предназначенная для экспериментального комплексного исследования метрологических характеристик технических средств измерения биоимпеданса, а также для оптимизации измерительного тракта при заданных ограничениях.
5. На основе предложенных решений создан и проверен в условиях доклинических испытаний портативный программно-аппаратный комплекс для оценки функционального состояния головного мозга на основе одновременного измерения импеданса в полосе частот от 10 кГц до 1 МГц и собственной электрической активности в полосе частот до 1 кГц.
6. Разработан способ оценки функционального состояния головного мозга на основе измерений его импеданса и собственной электрической активности, позволяющий исследовать широкий спектр физиологических и патологических состояний с возможностью длительных мониторных наблюдений.
Практическая значимость. Разработанные имитационные и численные модели составляют научную основу для инженерной разработки современных аппаратных, программных и методических средств поддержки исследований функционального состояния головного мозга человека. Предложенный метод оценки функционального состояния головного мозга с использованием программно-аппаратного комплекса позволяет выявлять изменения функционального состояния нервной системы на ранних этапах развития физиологических и патологических процессов и может использоваться как в лабораторных нейрофизиологических исследованиях, расширяя возможности традиционных электрофизиологических методов, так и в практических приложениях, включая раннюю диагностику нарушений мозгового кровообращения на догоспитальном этапе и в условиях оказания экстренной помощи. Научно обоснованный подход к созданию современных функционально законченных универсальных программно-аппаратных средств медицинского назначения для измерения электрических параметров нервной ткани позволяет повысить эффективность разработки современной медицинской аппаратуры, ускорить проектирование и снизить затраты на натурные эксперименты.
Объекты и методы исследования
Объект исследования:медицинские системы для измерения
электрических параметров живых тканей, имитационные и компьютерные модели живых систем.
Методы исследования: В работе применены методы системного анализа; дифференциального и интегрального исчисления; одно- и многомерного анализа; имитационного и численного моделирования; метод конечных элементов; методы трехмерной визуализации; методы разработки параллельных программ для высокопроизводительных вычислительных систем.
Положения, выносимые на защиту:
1. Трехмерная вычислительная модель головы человека и методика моделирования электрических проявлений физиологических и патологических процессов в головном мозге, позволяющие анализировать данные в реальном режиме времени за счет оптимизации потоков информации между программными и аппаратными модулями модели.
2. Программное обеспечение для высокопроизводительной вычислительной системы, позволяющие проводить численное исследование электрических свойств головного мозга и определять необходимые метрологические характеристики измерительного оборудования.
3. Способ оптимизации структуры и параметров измерительного тракта приборов медицинского назначения для исследования функционального состояния головного мозга, позволяющий обеспечить необходимые технические характеристики при заданных ограничениях за счет оптимального выбора схемотехнических решений основных узлов и распределения выполняемых функций между программными и аппаратными модулями.
4. Информационно-измерительный комплекс для исследования функционального состояния головного мозга на основе одновременного измерения электрического импеданса в полосе частот от 10 кГц до 1 МГц и собственной электрической активности головного мозга в полосе частот до 1 кГц с одних и тех же электродов при уровне шума, приведенного ко входу, не более 0.8 мкВ.
5. Способ оценки функционального состояния головного мозга, основанный на вычислении интегрального показателя с использованием параметров спектров высокого порядка собственной электрической активности нервной ткани, а также параметров биоимпедасного спектра, полученных в полосе частот от 70 кГц до 1 Мгц.
6. Результаты практического применения разработанного метода оценки функционального состояния головного мозга, полученные в ходе предварительных лабораторных и доклинических испытаний.
Степень достоверности и апробация результатов Результаты, приведенные в диссертации, были получены с помощью современных методов научных исследований. Теоретические обоснования и модельные исследования были проведены с использованием общепризнанных подходов и программных средств. Экспериментальные данные были получены с использованием технических средств, метрологические характеристики которых верифицированы. Достоверность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью использованных методов измерения, а также непротиворечивостью данных численных и натурных экспериментов, их соответствием существующим в настоящее время общепринятым нейрофизиологическим концепциям, существующим знаниям в области биотехнических систем и результатам, полученным другими исследователями. Доказательства работоспособности разработанных методов, аппаратных и программных средств были получены в ходе сравнительных исследований с привлечением независимых экспертных оценок.
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
II съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока, г. Владивосток, 1995; международной научно-практической конференции «Здоровый образ жизни: сущность, структура, формирование на пороге XXI века», г.Томск, 1996; 2 международной конференции "Радиоэлектроника в медицинской диагностике: оценка функций и состояния организма, г.Москва, 23-26 сентября 1997; межрегиональной научно-практической конференции "Современные медицинские технологии г.Томск, 1998; международной конференции «Повреждения мозга», г. Санкт-Петербург, 1999; всероссийской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, 1999; II региональной конференции «Достижения современной лучевой диагностики в клинической практике», г.Томск, 27-28 июня 2002; конференции с международным участием «Перспективные методы томографической диагностики. Разработка и клиническое применение», г. Томск, 26-27 июня 2003; научно-практической конференции «Актуальные проблемы анестезиологии и реаниматологии» г.Омск, 15-16 ноября 2007; 21st International congress of the Israel Society of Anesthesiologist, September 16-18, Tel-Aviv, 2008; Научная конференция с международным участием, посвященная 120-летию кафедры нормальной физиологии СибГМУ и кафедры физиологии ТГУ «Нейрогуморальные механизмы регуляции висцеральных органов и систем в норме и патологии», г. Томск, 2009; The International Exhibition and Congress «Euromedica - Hanover 2012» Hannover, 2012; XXII съезд Физиологического общества имени И. П. Павлова, г. Волгоград, 2013; Proceeding in the 2nd international virtual multidisciplinary conference, QUAESTI 2014. 15th-19th December, Zilina, 2014; HKICEAS Hong Kong International Conference on Engineering and Applied Science. December 29-31, Hong King, 2014.
Публикации Материалы диссертации опубликованы в 27 печатных работах, из них 18 статей в рецензируемых журналах, 9 охранных документов на результаты интеллектуальной деятельности, результаты работы докладывались на 20 конференциях.
Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены соискателем самостоятельно. Тема диссертации, цели и задачи исследований, способы решения поставленных задач были определены соискателем. Лабораторные экспериментальные исследования по теме диссертационной работы были выполнены Бразовским К.С. самостоятельно. Часть результатов была получена в составе научных групп, при этом вклад соискателя был определяющим как в части выдвижения гипотез, так и в части их экспериментальной проверки.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 369 страницах и содержит введение, пять глав, заключение, два приложения. В работе приведено 98 рисунков и 10 таблиц. Библиография включает 303 наименования.
Представленная диссертация направлена на развитие научных основ биотехнического подхода к разработке медицинских диагностических систем для исследования функционального состояния головного мозга человека.
1. В результате проведенной работы была разработана анатомически достоверная трехмерная вычислительная модель головы человека, учитывающая действительное пространственное распределение удельных величин электрической проводимости и диэлектрической проницаемости биологических тканей, с помощью которой можно исследовать закономерности изменения импеданса и собственной электрической активности головного мозга в различных функциональных состояниях с помощью виртуальных численных экспериментов без использования биологических моделей.
2. Для изучения закономерностей изменения электрических параметров головного мозга при изменении его функционального состояния была разработана методика моделирования электрических проявлений различных физиологических и патологических изменений нервной ткани, основанная на представлении пассивных электрических параметров элементарного объема в виде взвешенной суммы параметров тканей, составляющих данный объем. Предложенный подход позволяет исследовать влияние малых вариаций электрических параметров на измерения, проводимые с поверхностных электродов, что дает возможность охарактеризовать предельные диапазоны для регистрируемых величин.
3. С помощью разработанной методики моделирования был обоснован подход к определению технических параметров электронной медицинской аппаратуры для оценки функционального состояния головного мозга, основанный на численном исследовании возможностей диагностической биотехнической системы с учетом имеющихся ограничений на метрологические характеристики измерительного тракта.
4. Для проведения численных лабораторных исследований была разработана имитационная модель, состоящая из анатомически достоверной вычислительной модели и управляемого симулятора электрических характеристик с изменяемыми параметрами. Предложено альтернативное традиционным физическим фантомам решение, что позволило существенно снизить погрешность имитационного моделирования при экспериментальном исследовании метрологических характеристик технических средств, а также в процессе оптимизации структуры и параметров измерительного тракта при заданных ограничениях.
5. Сформулированные на этапе численных экспериментов требования были использованы при создании портативного программно-аппаратного комплекса для оценки функционального состояния головного мозга на основе одновременного измерения импеданса в полосе частот от 10 кГц до 1 МГц и собственной электрической активности в полосе частот до 1 кГц.
6. Было проведено исследование существующих методов вычисления индикаторов функционального состояния головного мозга на основе измерения его электрических параметров, в результате были выявлены источники существенной вариабельности известных критериев уровня функциональной активности и предложен альтернативный способ оценки функционального состояния головного мозга на основе измерений его импеданса и собственной электрической активности, позволяющий исследовать широкий спектр физиологических и патологических состояний с возможностью длительных мониторных наблюдений.
7. Разработанные программно-технические средства были использованы для оценки уровня функциональной активности головного мозга в группе добровольцев. Комплекс был использован для оценки глубины анестезии во время хирургических операций, для исследования физиологического сна и результатов функциональных нагрузочных проб. Было показано, что предложенные нами показатели функционального состояния соответствуют экспертным оценкам и значениям других индикаторов в типичных физиологических условиях (спокойное бодрствование, сон, глубокое угнетение активности коры), при этом предложенные нами индикаторы могут быть использованы в существенно более широком диапазоне функциональных состояний.
1. В результате проведенной работы была разработана анатомически достоверная трехмерная вычислительная модель головы человека, учитывающая действительное пространственное распределение удельных величин электрической проводимости и диэлектрической проницаемости биологических тканей, с помощью которой можно исследовать закономерности изменения импеданса и собственной электрической активности головного мозга в различных функциональных состояниях с помощью виртуальных численных экспериментов без использования биологических моделей.
2. Для изучения закономерностей изменения электрических параметров головного мозга при изменении его функционального состояния была разработана методика моделирования электрических проявлений различных физиологических и патологических изменений нервной ткани, основанная на представлении пассивных электрических параметров элементарного объема в виде взвешенной суммы параметров тканей, составляющих данный объем. Предложенный подход позволяет исследовать влияние малых вариаций электрических параметров на измерения, проводимые с поверхностных электродов, что дает возможность охарактеризовать предельные диапазоны для регистрируемых величин.
3. С помощью разработанной методики моделирования был обоснован подход к определению технических параметров электронной медицинской аппаратуры для оценки функционального состояния головного мозга, основанный на численном исследовании возможностей диагностической биотехнической системы с учетом имеющихся ограничений на метрологические характеристики измерительного тракта.
4. Для проведения численных лабораторных исследований была разработана имитационная модель, состоящая из анатомически достоверной вычислительной модели и управляемого симулятора электрических характеристик с изменяемыми параметрами. Предложено альтернативное традиционным физическим фантомам решение, что позволило существенно снизить погрешность имитационного моделирования при экспериментальном исследовании метрологических характеристик технических средств, а также в процессе оптимизации структуры и параметров измерительного тракта при заданных ограничениях.
5. Сформулированные на этапе численных экспериментов требования были использованы при создании портативного программно-аппаратного комплекса для оценки функционального состояния головного мозга на основе одновременного измерения импеданса в полосе частот от 10 кГц до 1 МГц и собственной электрической активности в полосе частот до 1 кГц.
6. Было проведено исследование существующих методов вычисления индикаторов функционального состояния головного мозга на основе измерения его электрических параметров, в результате были выявлены источники существенной вариабельности известных критериев уровня функциональной активности и предложен альтернативный способ оценки функционального состояния головного мозга на основе измерений его импеданса и собственной электрической активности, позволяющий исследовать широкий спектр физиологических и патологических состояний с возможностью длительных мониторных наблюдений.
7. Разработанные программно-технические средства были использованы для оценки уровня функциональной активности головного мозга в группе добровольцев. Комплекс был использован для оценки глубины анестезии во время хирургических операций, для исследования физиологического сна и результатов функциональных нагрузочных проб. Было показано, что предложенные нами показатели функционального состояния соответствуют экспертным оценкам и значениям других индикаторов в типичных физиологических условиях (спокойное бодрствование, сон, глубокое угнетение активности коры), при этом предложенные нами индикаторы могут быть использованы в существенно более широком диапазоне функциональных состояний.