Система мониторинга вентиляционной функции легких человека на основе электроимпедансной томографии

Внедрение: 2018 г.

Особое место в нашем разделе сайта Оборудование L‑CARD в проектах занимают примеры применения нашего оборудования одних и тех же авторов разных лет, в которых наблюдается прогрессивный рост уровня и качества результатов научных исследований с одновременной тенденцией применения оборудования L‑Card всё с большими возможностями. Например, специалистами из Южно-Российского государственного политехнического университета им. М.И. Платова сначала был создан экспериментальный макет электроимпедансного томографа с применением преобразователя E14‑140‑М‑D. Основательным развитием этой темы стала диссертационная работа [1], выполненная в том же университете на кафедре «Информационные и измерительные системы и технологии». В работе представлена аппаратно-программная реализация системы мониторинга вентиляционной функции (ВФ) легких человека на основе электроимпедансной томографии (ЭИТ) с применением преобразователя E‑502‑X‑U‑D. Выдержки из данной работы приводим ниже.

Разработаны структурная, функциональная (рисунок 1) и принципиальные электрические схемы аппаратной части системы мониторинга и оценки ВФ легких на основе ЭИТ, которая представляет собой устройство сбора и передачи данных для ЭИТ (патент на полезную модель РФ 164812).

Рисунок 1. Функциональная схема системы мониторинга ВФ легких на основе ЭИТ.

Устройство сбора и передачи данных для ЭИТ включает в себя модуль L‑Card E‑502‑X‑U‑D (который содержит микроконтроллер МК, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, аналого-цифровой преобразователь АЦП, программируемый дифференциальный усилитель ПДУ); блок мультиплексоров измерительной цепи БМ_ИЗМ; блок мультиплексоров цепи источника тока БМ_ИТ; источник тока, управляемый напряжением ИТУН; пояс электродов ПЭ; блок питания БП; персональный компьютер ПК.

Программная часть системы мониторинга ВФ легких на основе ЭИТ состоит из графического интерфейса пользователя, модуля инициализации программной части системы мониторинга и оценки ВФ легких на основе ЭИТ, модуля получения данных для ЭИТ, модуля реконструкции и визуализации поля изменения проводимости грудной полости человека, модуля оценки ВФ легких человека, модуля оценки регионарной вентиляции (РВ) легких человека, модуля взаимодействия с базой данных для хранения информации о пациентах.

Рисунок 2. Основное окно графического интерфейса пользователя системы мониторинга и оценки ВФ легких человека на основе ЭИТ.

На программную часть системы мониторинга и оценки ВФ легких на основе ЭИТ получены свидетельства о государственной регистрации ПрЭВМ: № 2017663412; № 2017611242; № 2015662672; № 2017611125.

Внешний вид аппаратно-программной реализации системы мониторинга ВФ легких методом ЭИТ представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Система мониторинга ВФ легких методом ЭИТ: 1 – пояс электродов; 2 – электроды; 3 – кабель пациента; 4 – персональный компьютер; 5 – устройство сбора и передачи данных для ЭИТ; 6 – программное обеспечение.

Рисунок 4. Устройство сбора и передачи данных в составе системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ. Вид спереди (слева) и без верхней крышки (справа).

Рисунок 5. Электроды МНЦ-15-20 (а), резиновый пояс (б), адаптер «штекер-кнопка» (в) и ПЭ в сборе с кабелем пациента (г).

Разработанная аппаратно-программная реализация системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ обладает следующими характеристиками: число электродов в поясе – 4..16; количество поясов электродов – 1; амплитуда инжектируемого тока – 5 мА; частота инжектируемого тока – 20..100 кГц; межкадровая задержка – 0 мс; число изображений в секунду – 10..25.

Представлены результаты экспериментальной апробации в клинических условиях аппаратно-программной реализации системы мониторинга ВФ легких на основе ЭИТ на базе ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский онкологический институт» (рисунок 6).

Рисунок 6. Аппаратно-программная реализация системы мониторинга ВФ легких методом ЭИТ во время экспериментальной апробации в клинических условиях.

Экспериментальная апробация в клинических условиях аппаратно-программной реализации системы мониторинга ВФ легких человека на основе ЭИТ подтвердила достоверность полученных результатов и показала, что разработанные метод и система позволяют оперативно получать количественную и визуальную информацию о вентиляционной (в том числе регионарной) функции легких человека, а также обладают повышенной помехоустойчивостью. Таким образом, разработанная система может быть использована при скрининговых обследования пациентов, а также при пред- и послеоперационном мониторинге состояния ВФ легких пациентов.

Рисунок 7. Результаты мониторинга интегрального изменения проводимости левого и правого легкого для пациента А (а) и пациента Б (д), визуализация поля коэффициентов РВ легких до бинаризации для пациента А (б) и пациента Б (е) и после бинаризации для пациента А (в) и пациента Б (ж), томографический срез методом спиральной компьютерной томографии области наложения пояса электродов для пациента А (г) и пациента Б (з).

Рисунок 8. Пример результатов мониторинга ВФ левого и правого легких до интубации (а) и во время искусственной вентиляции легких (б).

Результаты научных исследований и разработок, выполненные автором и изложенные в кандидатской диссертации, используются в исследовательской деятельности ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский онкологический институт» Минздрава России для задач мониторинга состояния дыхательной активности и функции легких пациентов. Проведенные клинические испытания показали перспективность использования систем электроимпедансной томографии для скрининговых обследований, а также послеоперационного мониторинга состояния вентиляционной функции легких пациентов.

Результаты диссертационной работы внедрены в разделы нескольких лекционных курсов по направлению подготовки «Приборостроение» на кафедре "Информационные и измерительные системы и технологии" ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова.

Желаем автору удачи и новых актуальных научно-практических результатов!  

Источник:
Кучер А.И. Метод и система мониторинга вентиляционной функции легких человека на основе электроимпедансной томографии: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Новочеркасск. – 2018. – 167 с.

Разработчик: Кучер А.И. (Южно-Российский гос. политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова)