Устройство выполнено следующим образом: СВЧ-генератор выполнен на микросхеме (МС) ADF4350, блок управления выполнен на МС ATMega32, аналого-цифровой преобразователь входит в состав МС ATMega32, оптический датчик положения антенны-аппликатора выполнен на МС ADNS-9500, усилители выполнены на МС ADL5545, антенны-аппликаторы выполнены в виде копланарных аппликаторов волноводного типа [30, 32], измеритель коэффициента усиления выполнен на МС AD8302, для обработки и визуализации результатов измерений может быть использован любой персональный компьютер отечественного или зарубежного производства с установленным соответствующим программным обеспечением.
На рисунке 2 приведена фотографии печатной платы устройства для диагностики заболеваний бронхолегочной системы.
Рисунок 2. Внешний вид печатной платы устройства для диагностики заболеваний бронхолегочной системы
3. Методика обследования
Процесс проведения обследования осуществляется следующим образом:
1. врач-оператор осуществляет подготовку пациента к обследованию;
2. врач-оператор осуществляет включение ПК и подключает устройство диагностики к USB порту ПК;
3. с помощью клавиатуры ПК в соответствующие окна графического интерфейса вводятся данные о пациенте (паспортные данные, рост, вес возраст, краткую информацию о сопутствующих заболеваниях и прочую необходимую информацию);
4. после инициализации устройства диагностики в соответствующем окне графического интерфейса выводится информация о готовности к проведению обследования;
5. в процессе проведения обследования в соответствующем окне графического интерфейса выводится вспомогательная информация как в текстовом, так и в графическом виде, что облегчает процедуру проведения обследования;
6. врач-оператор осуществляет сканирование грудной клетки пациента с помощью модуля передающей антенны-аппликатора, совмещенной с оптическим датчиком положения;
7. после завершения обследования, либо его этапа, врач-оператор отстраняет передающую антенну-аппликатор от поверхности грудной клетки пациента, после чего программное обеспечение осуществляет обработку и визуализацию результатов обследования.
8. обработанные результаты обследования выводятся в графическом виде на экран ПК с цветовой индикацией проблемных участков в бронхолёгочной системе обследуемого пациента.
9. на основании анализа результатов обследования специальное программное обеспечение формулирует предварительный диагноз и вывод его на экран ПК.
10. на основании анализа полученных результатов и предварительного диагноза врач-оператор осуществляет постановку окончательного диагноза, которые в совокупности с необходимыми для дальнейшего наблюдения пациента комментариями сохраняются на жестком диске ПК.
11. при необходимости врач-оператор осуществляет вывод результатов обследования на печать.
4. Описание графического интерфейса пользователя
Внешний вид графического интерфейса пользователя приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Графический интерфейс программы обработки результатов измерений устройства диагностики бронхиальной астмы
Графический интерфейс программы обработки результатов обследования разработан в пакете MATLAB. Разработанная программа обеспечивает настройку и изменение частоты зондирующего СВЧ-сигнала, что позволяет провести обследование пациента на различных частотах и сравнить результаты для более достоверной постановки диагноза. По умолчанию установлена частота, на которой при проведении экспериментальных исследований имела место наибольшая контрастность результатов измерений.
Для удобства работы с результатами измерений в дальнейшем в соответствующие поля графического интерфейса вводится краткая информация о пациенте, что позволяет идентифицировать результаты в дальнейшем. Введенная информация сохраняется на жестком диске персонального компьютера и при необходимости может быть сохранена на внешний носитель вместе с результатами обследования в графическом виде.
В соответствии с разработанным авторами алгоритмом программа обработки результатов обследования осуществляет анализ измеренных данных и формирует предварительный диагноз, который выводится в окне "Предварительный диагноз". Врач, осуществляющий обследование, имеет возможность ввести в этом же поле уточненный диагноз, который будет также сохранен на жесткий диск персонального компьютера.
В поле отладочная информация выводятся вспомогательные уведомления о ходе выполнения измерений и правильности действий оператора. В случае существенной ошибки в действиях оператора будет выведено сообщение о необходимости проведения дополнительных этапов измерений.
В графических окнах программы обработки результатов измерений выводится траектория движения антенны-аппликатора, что позволяет оператору контролировать ход выполнения обследования и предпринимать своевременные корректировки своих действий.
После завершения измерений и поднятия антенны-аппликатора от поверхности тела, программа осуществляет обработку данных, после чего выводит результаты обследования в графическом виде (2D-график и 3D-график), а также формирует предварительный диагноз.
Таким образом, разработанная программа обработки и визуализации результатов обследования в совокупности с графическим интерфейсом пользователя обеспечивают простоту и удобство проведения обследования и анализа его результатов.
Заключение
Таким образом, в настоящей работе представлена практическая реализация устройства для неинвазивной диагностики бронхиальной астмы, а также описание специализированного программного обеспечения и графического интерфейса пользователя, обеспечивающих обработку и визуализацию результатов обследования. Результаты обследования отображаются как в графическом виде, что позволяет врачу-оператору определить локализацию изменений в бронхолегочной системе пациента, так и в виде сформулированного на основе результатов измерений предварительного диагноза.
Работа подготовлена по итогам исследования, проведенного в рамках научного проекта при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 16-38-00263 мол_а.
Библиографический список
1. National Heart Lung and Blood Institute, NIH (2012, June) What is Asthma? [Online] Available: http://www.nhlbi.nih.gov/health/health-topics/topics/asthma (in Russian).
2. N. Celik, R. Gagarin, G.C. Huang, M.F. Iskander, B.W. Berg. Microwave Stethoscope: Development and Benchmarking of a Vital Signs Sensor Using Computer-Controlled Phantoms and Human Studies. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.61, 2014, No. 8, pp. 2341-2349. DOI: 10.1109/TBME.2013.2241763.
3. M.A. Cristensen, E. Leitner, B. Levy, B.B. Sathiyamoorthy, D.T. Burke, T.H. Sisson. Breath Sounds Analysis for Asthma Monitoring: A Method for Automated Detection of Flow Events from Tracheal Recordings. 2014 Health Innovations and Point-of-Care Technologies Conference, Seattle, Washington USA, October 8-10, 2014, pp. 331-334. DOI: 10.1109/HIC.2014.7038942.
4. A.A. Lebedenko, O.E. Semernik, A.A. Demidova. The method of choice of the bronchodilator drug for the treatment of bronchial asthma in the child during the period of exacerbation of the disease. Patent for the invention RUS 2530658 14.08.2014. (in Russian).
5. Семерник О.Е., Демьяненко А.В., Семерник И.В., Лебеденко А.А. Проектирование прибора для диагностики бронхиальной астмы у детей раннего возраста // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы и достижения в медицине", Самара, Инновационный центр развития образования и науки. 2015. 7 апреля, С. 136-138.
6. Neale R. Lange, Daniel P. Schuster. The measurement of lung water. Critical Care, 1999, Vol.3, No.2.
7. Liza Rodriguez, Homer Nazeran, Erika Meraz, Elias Estrada, Carlos Rodriguez, Roya Edalatpour. Discriminative Capacity of Impulse Oscillometry in Diagnosis and Treatment of Asthmatic Children. 2013 29th Southern Biomedical Engineering Conference, 2013.-pp. 13-14.
8. Clara M. Ionescu, Gerd Vandersteen, Johan Schoukens, Kristine Desager, Robin De Keyser. Measuring Nonlinear Effects in Respiratory Machanics: A Proof of Concept for Prototype Device and Method. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014, Vol.63, No.1, pp.124-134.
9. Pauroosh Kaushal, R.P. Mudhalwadkar. Pellet sensor based asthma detection system using exhaled breath analysis. 2015 International Conference on Industrial Instrumentation and Control (ICIC), College of Engineering Pune, India, May 28-30, 2015, pp. 139-142.
10. Keegan Kosasih, Udantha R. Abeyratne, Vinayak Swarnkar, Rina Triasih. Wavelet Augmented Cough Analysis for Rapid Childhood Pneumonia Diagnosis. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2015, Vol.62, No.4, pp. 1185-1194.
11. Feng Yang, Wee Ser, Jufeng Yu, David Chee-Guan Foo, Daniel Poh Shuan, Pow-Li Chia, Jennifer Wong. Lung Water Detection using Acoustic Techniques. 34th Annual International Conference of IEEE EMBS, San Diego, California USA, 28 August - 1 September, 2012, pp.4258-4261.
12. K. Kosasih, U.R. Abeyratne, V. Swarnkar. High Frequency Analysis of Cough Sounds in Pediatric Patients with Respiratory Diseases. 34th Annual International Conference of IEEE EMBS, San Diego, California USA, 28 August - 1 September, 2012, pp.5654-5657.
13. Mahmood Al-khassaweneh, Susan Bani Mustafa, Faisal Abu-Ekteish. Asthma Attack Monitoring and Diagnosis: A Proposed System. 2012 IEEE EMBS Conference on Biomedical Engineering and Sciences (IECBES), 2012, Dec. 17-19, pp. 763-767.
14. S. Ohshimo, T. Sadamori, K. Tanigawa. Innovation in Analysis of Respiratory Sounds. Annals of internal medicine, February 2016, pp. 1.
15. R. Nabiev, A. Glazova, V. Olyinik, Li Fellander-Tsai. Portable system for auscultation and lung sound analysis. Studies in health technology and informatics, April 2014, pp. 290-293.
16. H. Pasterkamp, C. Carson, D. Daien, Y. Oh. Digital respirosonography. New images of lung sounds. Chest 96(6), January 1990, pp. 1405-1412.
17. Benjamin Sanchez, Gerd Vandersteen, Irene Martin, Diego Castillo, Alfons Torrego, Pere J. Riu, Johan Schoukens, Ramon Bragos. In vivo electrical bioimpedance characterization of human lung tissue during the bronchoscopy procedure. A feasibility study. Medical Engineering&Physics, 2013, Vol.35, pp.949-957.
18. Khusnul Ain, Deddy Kurniadi, Suprijanto, Oerip Santoso. Lungs Anomaly Detection by Filtered Back Projection Reconstruction Method in Electrical Impedance Tomography. 3rd International Conference on Instrumentation Control and Automation (ICA), Bali, Indonesia, August 28-30, 2013, pp. 133-137.
19. S. Zlochiver, M. Arad, M.M. Radai, D. Barak-Shinar, H. Krief, T. Engelman, R. Ben-Yehuda, A. Adunsky, S. Abboud. A portable bio-impedance system for monitoring lung resistivity. Medical Engineering & Physics, 2007, Vol. 29, pp. 93-100.
20. Jean-Charles Bolomey. Recent European Developments in Active Microwave Imaging for Industrial, Scientific, and Medical Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1989, Vol.37, No.12, pp.2109-2117.
21. Paul M. Meaney, Keith D. Paulsen, John T. Chang. Near-Field Microwave Imaging of Biologically-based Materials Using a Monopole Transceiver System. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1998, Vol.46, No.1, pp.31-45.
22. H. Hermet. Medical Imaging Using Microwaves and Ultrasound. 16th European Microwave Conference, 1986, pp. 42-52.
23. Magdy F. Iskander, Rajnish Maini, Carl H. Durney, David G. Bragg. A Microwave Method for Measuring Changes in Lung Water Content: Numerical Simulation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1981, Vol. BME-28, No.12, pp. 797-804.
24. S. Ahdi Rezaeieh, A. Zamani, K.S. Bialkowski, A. Mahmoud, A.M. Abbosh. Feasibility of Using Wideband Microwave System for Non-Invasive Detection and Monitoring of Pulmonary Oedema. Scientific Reports, 2015, Vol. 5, pp. 1-11.
25. Magdy F. Iskander, Carl H. Durney. Electromagnetic Techniques for Medical Diagnosis: A Review. Proceedings of the IEEE, 1980, Vol. 68, No. 1, pp. 126-132.
26. M.F. Iskander, C.H. Durney, D.J. Shoff. Diagnosis of pulmonary edema by a surgically noninvasive microwave technique. Radio Science, 1979, Vol. 14, No. 6S, pp. 265-269.
27. Соколова В.С., Климов А.Б., Гасс М.В., Свирин А.А. Прибор для исследования кровенаполнения и вентиляции лёгких. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2003 г., - №5, С. 3-7.
28. I.V. Semernik, A.V. Dem'yanenko, O.E. Semernik, A.A. Lebedenko. Non-invasive method for bronchopulmonary diseases diagnosis in patients of all ages based on the microwave technologies. 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Proceedings, February 01-03, 2017, St. Petersburg, Russia.
29. O.E. Semernik, A.V. Dem'yanenko, I.V. Semernik, A.A. Lebedenko. Radio-Frequency Scanning of the Chest as a Method of Diagnostics for Bronchial Asthma in Children. Izvestiya vysshyh uchebnyh zavedeniy. Fizika [Proceedings of the higher educational institutions. Physics]. Vol. 58, 2015, No. 8/2, pp. 328-330. (in Russian).
30. M.F. Iskander, C.H. Durney. An Electromagnetic Energy Coupler for Medical Applications. Proceedings of the IEEE, 1979, Vol. 67, No.10. pp. 1463-1465.
31. Nuri Celik, Ruthsenne Gagarin, James Baker, Hyoung-Sun Youn, Magdy F. Iskander. A Noninvasive Microwave Sensor and Signal Processing Technique for Continuous Monitoring of Vital Signs. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, Vol. 10, pp. 286-289.