АННОТАЦИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
БИОПОТЕНЦИАЛОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА 10
1.1 ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 10
1.2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 12
1.3 МОДЕЛЬ ХОДЖКИНА-ХАКСЛИ ДЛЯ НЕЙРОДИНАМИЧЕСКИХ
СИСТЕМ 14
1.4 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ 17
2 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ 23
2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕЛЕМОНИТОРИНГА 23
2.2 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛИРУЕМОГО
ПРИБОРА 23
2.3 НОСИМОЕ МЕДИЦИНСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ
МАГНИТОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА
3 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ
ЗАБОЛЕВАНИЯ
3.1 СИСТЕМА РАЗМЕЩЕНИЯ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА ДЛЯ МЭГ 35
3.2 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ГРАФОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ
УСТРОЙСТВА 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 43
Развитие инструментальной модели здравоохранения, ориентированной на пациента, в России, как и во всем мире, приобретает все большее значение. Развитие мобильных технологий идет большими темпами, что связано, в первую очередь, с технологическими изменениями. Вследствие бурного инновационного и научно-технического прогресса, возникает непрерывный цикл появления на рынке принципиально новых образцов медицинской техники, позволяющих значительно повысить качество клинической диагностики и лечения. Возрастающий темп развития области мобильного здравоохранения, так называемого «mHealth», затронул и Россию. Стартапы в данной области, получают в том числе и государственное финансирование, что обуславливает быстрый рост данной области.
США и Китай являются крупнейшими рынками в сфере мобильного здравоохранения и на момент 2019 года делят между собой более одной трети мирового рынка, по данным организации GSM «Association» [2]. Россия занимает примерно 3% мирового рынка mHealth и таким образом входит в число 10 стран, имеющих большие перспективы в области мобильных медицинских технологий. На 2019 год объем рынка в России оценивается примерно в 1 млрд. долларов США и продолжает активно расти.
Развитие данной области, в значительной мере зависит от доступности, удобства и качества носимого медицинского оборудования и оказываемых телеметрических услуг для пациентов. Однако, разработка медицинских устройств нового класса, соответствующих обязательным медицинским стандартам [7, 8, 9, 10], является трудной научно-технической задачей. Создание прототипов требует много времени и сил, что значительно снижает заинтересованность компаний в рынке mHealth.
Актуальность темы. Одним из ключевых методов, позволяющих снизить время создания прототипов и улучшить качество разрабатываемых устройств, является метод имитационного моделирования. Таким образом, 6
обеспечивается актуальность задачи моделирования носимого медицинского устройства для магнитоэнцефалографии (МЭГ).
Цель работы - разработать математическую модель носимого медицинского устройства для магнитоэнцефалографии, предоставляющего пациентам возможность мониторинга состояния своего здоровья и предотвращающего развитие инсульта и эпилепсии.
Для достижения постановленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) сделать обзор теоретических аспектов моделирования биопотенциалов головного мозга;
2) обосновать методику моделирования;
3) проанализировать предметную область;
4) выявить требования к проектируемой системе;
5) разработать архитектуру программной системы;
6) разработать программную реализацию программной системы;
7) разработать программную документацию (описание решения, текст программы, руководство пользователя).
Объект исследования - медицинское оборудование для снятия МЭГ.
Предмет исследования - моделирование особенностей снятия потенциалов головного мозга.
Информационная база исследования - сведения об утвержденных типах средств измерений (№45899-10, №27045-08, №18450-99), информационно-коммуникационная сеть Интернет; труды отечественных и зарубежных исследователей.
Научная новизна определяется, в первую очередь, определяется предложенной методикой прогнозирования обнаружения признаков болезни в организме пациента при использование носимого медицинского устройства путем минимизации ошибок дипольной локализации стандартных отведений датчиков методом раскраски графа и последующим обходом ориентированного графа.
Практическая ценность работы состоит в том, что в процессе решения поставленных задач, была подготовлена методика моделирования носимого медицинского устройства и сделан анализ предметной области, что позволило указать на конкретных ряд технических характеристик и особенностей модели будущего мобильного медицинского устройства. Критический анализ существующих медицинского оборудования и технологий, позволил четко обозначать требования к проектируемой системы, перспективы носимых устройств и их технические ограничения. Было создано программное обеспечение для работы с носимыми устройствами нового типа.
Структура и объем работы
Работа состоит из 3 глав, введения, заключения, 19 источников в библиографическом списке и 3 приложений.
Во введении формулируется цель ВКР, задачи для ее достижения, а также обозначается предмет и объект исследования.
В первой главе тщательно освещены основные аспекты моделирования биопотенциалов головного мозга. Рассмотрены особенности работы головного мозга на физическом и химическом уровнях, модель Ходжкина- Хаксли. По результатам главы, сделано обоснование предложенной методики моделирования.
Во второй главе подробно изучается предметная область и особенности анализа данных в данной области, рассмотрено основное медицинское оборудования для ЭЭГ и его особенности, излагается идея носимого медицинского устройства использующего датчика Холла.
В третьей главе приведена методика прогнозирования состояние пациента с использованием теории графов.
В заключении формулируются общие выводы и рекомендации по полученным результатам, обобщаются все полученные результаты.
Развитие мобильного здравоохранения и телемедицины создает необходимость в новых подходах к клинической диагностики и соответствующих классах медицинских устройств. Усложнение современного носимого оборудования требует применения методов имитационного моделирования. В качестве основной модели для моделирования может быть взята модель Ходжкина-Хаксли, аппроксимированная с помощью алгоритма Левенберга-Марквардта.
В ходе проделанной работы, разработана математическая модель нового носимого медицинского устройства класса магнитоэнцефалограф (МЭГ). Активность магнитного поля головного мозга можно оценивать с помощью датчиков Холла, размещенных над поверхностью кожи головы пациентов. Размещение датчиков по стандартной системе «10-20%» изначально предназначенной для электродов, позволяет доступно отобразить датчики на плоскости с помощью графов.
Новый подход к прогнозированию состояния пациента, основанный на оценки вероятности фазовой синхронизации между нейронами полей головного мозга, с последующим заданием веса ребер графа устройства обладает большими перспективами.
Практическая ценность работы состоит в моделирование ряда важных особенностей носимого медицинского устройства, что позволяет лучше продумать последующую техническую реализацию. Главной сферой применения моделируемого носимого устройства класса МЭГ является мониторинг состояния здоровья пациентов с целью предотвращения приступов инсульта и эпилепсии.
