Материал: vmTzDzuaeE
На правах рукописи
Саламонова Ирина Сергеевна
АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СПИРОГРАММ ПРИ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ
Специальность:
05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2014
2
Работа выполнена на кафедре биотехнических систем Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»
Научный руководитель:
доктор технических наук, заслуженный работник высшей школы РФ Немирко Анатолий Павлович, профессор кафедры биотехнических систем.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Гельман Виктор Яковлевич, профессор кафедры Медицинской информатики и физики Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И.Мечникова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ГБОУ ВПО СЗГМУ им. И.И.Мечникова Минздрава России);
кандидат технических наук Краснова Анастасия Ивановна, доцент кафедры Медицинской радиоэлектроники Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП).
Ведущая организация:
Закрытое акционерное общество «МИКАРД-ЛАНА»
Защита диссертации состоится “____” ___________ 2014 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.09 Санкт-Петербургского
государственного |
электротехнического |
университета |
«ЛЭТИ» |
им. В.И. Ульянова |
(Ленина) по адресу: |
197376, Санкт-Петербург, |
|
ул. Профессора Попова, д.5. |
|
|
|
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и
на сайте www.eltech.ru.
Автореферат разослан “____” __________ 2014 г.
Ученый секретарь |
|
диссертационного совета Д212.238.09 |
Е.В. Садыкова |
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы и степень еѐ разработанности. Аппараты искусственной вентиляции лѐгких (ИВЛ), которыми оснащены все отделения реанимации и интенсивной терапии, наряду с кардиомониторами являются основными жизнеобеспечивающими приборами. Основная функция аппаратов ИВЛ заключается в снабжении лѐгких пациента необходимой для дыхания газовой смесью и выводе из них углекислого газа и других компонентов воздушной смеси. Аппарат ИВЛ необходим для сохранения жизни пациентам в тех случаях, когда они не способны дышать самостоятельно. Кроме этого в современных аппаратах необходимо наличие диагностических функций, позволяющих на ранних стадиях обнаруживать развитие состояний, угрожающих жизни пациента. К таким опасным состояниям можно отнести, например, отек лѐгких, обструктивные нарушения в бронхолегочной системе пациента.
Особенно важно проводить раннюю диагностику патологий органов дыхания в ходе непрерывного контроля за состоянием пациента при ИВЛ, в отделении реанимации или в операционной. Такая диагностика основана на автоматическом анализе основных параметров внешнего дыхания, а также обнаружении существенных отклонений в заданных режимах ИВЛ. Такой анализ осуществляется по спирографическим кривым, включающим как скалярные (одномерные) функции (изменение давления, потока и объѐма во времени), так и двумерные функции, представленные в виде петель «объѐмдавление» и «поток-объѐм».
В настоящее время наибольших успехов в области автоматизации диагностики состояния системы дыхания достигли: ООО «ТритонЭлектроникС» (Россия), компания Philips (Нидерланды), компания Сarefusion (США), компания Hamilton medical (Швейцария) и др. В России научные разработки в области диагностики состояния системы дыхания ведутся К.М. Лебединским, В.А. Мазурок и др.
Современное состояние систем ИВЛ и их диагностических возможностей требует создание новых более совершенных методов и алгоритмов непрерывного контроля функций внешнего дыхания при ИВЛ по кривым потока, давления, объѐма и петлям, в частности, по петлям «объѐмдавление».
Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов автоматического анализа состояния системы дыхания по спирограммам для обеспечения диагностических функций в аппаратах ИВЛ.
Для достижения поставленной цели определены задачи:
•разработка модели системы внешнего дыхания при ИВЛ, позволяющей оценивать еѐ текущее состояние;
•разработка метода и алгоритма оценки показателей ИВЛ в реальном масштабе времени;
4
•разработка метода и алгоритма для анализа состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых;
•разработка метода и алгоритма для анализа формы петель, для вычисления параметров петель;
•экспериментальная апробация предложенных методов.
Объектом исследования являются методы автоматического анализа состояния системы дыхания по спирограммам при ИВЛ.
Предметом исследования является алгоритмы вычисления и оценки параметров внешнего дыхания.
Методология и методы исследования. Исследование базируется на методах математического моделирования, компьютерной обработки изображений, теории управления.
Новые научные результаты.
Автором получены следующие научные результаты:
1.электрическая модель системы внешнего дыхания при ИВЛ, использующая в основе двухкомпонентную физическую модель и отличающаяся от известных тем, что позволяет оценить текущее состояние системы дыхания по комплексу показателей дыхания (сопротивления дыхательных путей, растяжимости лѐгких и постоянной времени);
2.метод и алгоритм вычисления показателей ИВЛ в реальном масштабе времени по спирометрическим кривым, отличающийся от известных тем, что включает в себя сочетание процедур скользящего усреднения циклов дыхания и полиномиальной аппроксимации, позволяющее удалять помехи, связанные с неустойчивостью сигналов, со спонтанным дыханием пациента;
3.метод и алгоритм анализа состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых, который позволяет анализировать изменение состояния дыхательной системы во времени;
4.метод и алгоритм анализа формы петель и оценки показателей дыхания по петле «объѐм-давление», который позволяет вычислить значения сопротивления дыхательных путей и растяжимости лѐгких и распознавать патологические отклонения в режиме ИВЛ.
Практическую ценность работы составляют:
1.Методики и алгоритмы оценки параметров внешнего дыхания по спирометрическим кривым (поток, давление, объѐм) и петле «объѐмдавление».
2.Методика, позволяющая бороться с неустойчивостью сигналов, помехами и наличием спонтанного дыхания у пациента.
3.Результаты экспериментального исследования параметров внешнего дыхания.
4.Программно-алгоритмическое обеспечение.
Научное положение, выносимое на защиту:
Для использования в аппаратах ИВЛ диагностических функций необходимо применить предложенные:
5
1.метод и алгоритм вычисления показателей ИВЛ в реальном масштабе времени;
2.метод и алгоритм анализа состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых;
3.метод и алгоритм анализа формы петель и вычисления параметров
петель.
Экспериментально доказано, что совокупность методов синхронного усреднения по N-циклам и аппроксимация полиномом лучше всего позволяет бороться с неустойчивостью сигналов, помехами и наличием спонтанного дыхания.
Для анализа состояния системы дыхания по комплексу
спирометрических кривых предложено представлять сигналы в виде многомерных кривых и анализировать состояние дыхательной системы по изменению расстояния между контрольной кривой и рассматриваемой.
Как показал анализ корреляционной матрицы для динамического анализа петель «объѐм-давление» и распознавания патологических отклонений в режиме вентиляции лѐгких лучше использовать такие параметры, как угол наклона оси анализируемой петли «объѐм-давление» или угловое отклонение от оси контрольного дыхательного цикла, величину среднеквадратического отклонения спирограммы, ширину петли, выраженность артефактов.
Внедрение результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении НИР по грантам РФФИ: 12-01-00583 «Исследование методов распознавания биомедицинских сигналов для медицинских интеллектуальных приборов и систем» (2012-2014 гг.); 13-01-00540 «Исследование методов принятия решений при распознавании биомедицинских сигналов в функциональном пространстве множества анализируемых параметров» (2013-2015 гг.).
Результаты научных исследований внедрены в виде пакетов прикладных программ в компьютерной системе, разработанной предприятием Санкт-Петербурга ЗАО «Завод «ЭМО» по государственному контракту № 6.522.12.2016 от 10.10.2011 г. (2011-2013) «Разработка аппаратов искусственной вентиляции лѐгких с расширенными диагностическими возможностями».
В Роспатенте зарегистрирована программа для ЭВМ «Имитатор спирометрических кривых» ном. гос. рег. 2012616404 от 13 июля 2012 г.
Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по направлениям подготовки специалистов: «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Биомедицинская техника» и «Биомедицинская инженерия».
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы обусловлена достоверностью применяемых методов, математической обработкой полученных результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и