МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Савенко Ярослав Владиславович

УДК 615.47:681.7.069.24

Лазерна діагностична система на основі аналізу індикатриси розсіяння крові

Спеціальність 05.11.17 – "Біологічні та медичні прилади і системи"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Богомолов Микола Федорович,

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут",

доцент кафедри радіоконструювання та

виробництва радіоелектронної апаратури.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Рожицький Микола Миколайович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

професор кафедри біомедичних електронних

пристроїв та систем.

доктор технічних наук, професор

Злепко Сергій Макарович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри проектування біомедичної

апаратури

Провідна установа: Акціонерне Товариство "Науково-дослідний

інститут радіовимірювань",

Національне космічне агентство України,

м. Харків.

Захист відбудеться " 1 " липня 2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалі­зованої вченої ради К 64.052.05 при Харківському національному універ­ситеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського націо­нального університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий " 29 " червня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Мустецов М.П.

ВСТУП

Актуальність теми. Сучасні задачі медичної діагностики, зокрема крові людини і стану здоров’я людини взагалі, вимагають нових підходів до створення сучасних методів і апаратури лабораторної діагностики, високоінформативних і ефективних систем з точки зору їх впровадження в медичну практику. В даний час у більшості країн світу спостерігається інтенсивне впровадження лазерного випромінювання в біологічні дослідження і в практичну медицину. Унікальні властивості лазерного променя відкрили широкі можливості його застосування в різних областях лікування і діагностики.

За період свого існування лазерна медицина і її апаратурне забезпечення сформувалися у відповідні самостійні галузі медицини і приладобудування. Лазерну медицину за функціональним застосуванням лазерної апаратури можна розділити на три основних напрямки: лазерна терапія, лазерна хірургія і лазерна діагностика. Більш 80% приходиться на терапевтичну апаратуру, близько 15% на хірургічну і до 5% - на діагностичну.

У залежності від характеру взаємодії лазерного світла з біологічними тканинами розрізняють три види фотобіологічного впливу:

1) Фотодеструктивний вплив, при якому тепловий, гідродина­мічний, фотохімічний ефекти світла викликають деструкцію тканин. Цей вид лазерної взаємодії використовується в лазерній хірургії.

2) Фотофізичний і фотохімічний вплив, при якому світло, що поглинається біотканинами, збуджує в них атоми і молекули, викликає фотофізичні і фотохімічні реакції. На цьому виді взаємодії ґрунтується застосування лазерного випромінювання для терапевтичних цілей.

3) Фотобіологічний вплив, коли біосубстанція у процесі взаємодії зі світлом утворює реакцію, що несе інформацію про її властивості. Це такі ефекти, як розсіювання, відбиття та пропускання. Цей вид впливу використовують для діагностичних цілей.

Ефективність лазерної медичної техніки визначається її основними параметрами і характеристиками: довжина хвилі, потужність і режим впливу випромінювання. Так, наприклад, у хірургії їхня сукупність визначає ступінь обвуглювання і можливість коагуляції при розрізі біотканини, глибину теплової поразки і товщину розрізу, ряд інших ре­зультатів. У терапії - виникнення тих чи інших фізико-хімічних реакцій у тканинах, більший чи менший відгук у фізіологічних реакціях організму в цілому і його функціональних системах, глибину проникнення випромінювання в тканині і т.д. У діагностиці – достовірність отриманої інформації і постановки діагнозу [1].

Однак у результаті стихійності розвитку лазерного медичного приладобудування в цій галузі накопичились властиві всім новим напрямкам, що розвиваються, недоліки і негативні моменти.

До теперішнього часу в області лазерної медичної техніки склалася парадоксальна ситуація. Вона характеризується, з одного боку, широким поширенням у медичній практиці високоефективних лазерних технологій і відповідного апаратурного забезпечення, і, з іншого, недостатнім розвитком і недосконалістю необхідного метрологічного забезпечення й обслуговування зазначеної медичної апаратури. Як наслідок розроблені передові методики діагностики і лікування різноманітних захворювань використовуються з меншою ефективністю.

У зв’язку з цим є без сумніву актуальним подальші дослідження ефектів взаємодії лазерного випромінювання (ЛВ) з кров’ю людини з метою удосконалення техніки і технології лазерної діагностики крові людини, а також підвищення ефективності діагностики фізіологічного стану людини в цілому.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано у відповідності з планом науково-дослідних робіт кафедри радіоконструювання та виробництва радіоелектронної апаратури (РК та ВРЕА) Національного технічного університету України "Київський політехнічни інститут" (НТУУ "КПІ") за темами: "Розробка лазерного діагностичного комплексу та медико-інженерних методик дослідження взаємодії лазерного випромінювання з біологічними об’єктами" (д/б№2265, 0198U005269); "Розробка терапевтичного дослідного радіоелектронного комплексу для коригування імунної системи людини" (д/б№2163, 0197U009871); "Конструкторська розробка оптичних біостимуляторних систем на базі лазерних волоконно-оптичних опромінювачів ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного діапазонів електромагнітних хвиль" (д/б№2595, 0193U026703); "Розробка багатофункціонального комбінованого опромінювача біологічних точок у оптичному та НВЧ діапазонах електромагнітних хвиль" (д/б№2781, 0196U013156).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка й дослідження лазерної діагностичної системи крові людини. Для досягнення поставленої мети було вирішено такі задачі:

Розробка моделі розсіювання ЛВ на крові людини та розрахунок залежностей розподілу інтенсивностей розсіювання на елементах крові від кута розсіювання.

Розробка методик проведення експериментальних досліджень розсіяння лазерного випромінювання на лабораторних зразках цільної крові.

Розробка та виготовлення дослідницької установки для дослідження індикатриси розсіювання модельних об’єктів.

Проведення експериментальних досліджень по вимірюванню індикатриси розсіювання зразками крові людини.

Розробка лазерної діагностичної системи та медико-інженерних методик визначення характеристик крові людини та фізіологічного стану людини в цілому.

Об’єктом дослідження є процес дослідження характеристик лазерного випромінювання, розсіяного кров’ю людини, зокрема, індикатриси розсіяння крові.

Предметом дослідження є лазерна діагностична система, що базується на аналізі індикатриси розсіяння крові.

Методи дослідження. При розробці моделі розсіювання ЛВ на крові людини та розрахунку залежностей розподілу інтенсивностей розсіювання на елементах крові від кута розсіювання застосовувалась теорія розсіювання Мі, теорія диференціальних та інтегральних рівнянь та чисельні методи аналізу. При розробці лазерної діагностичної системи та методик проведення експериментальних досліджень розсіяння лазерного випромінювання цільною кров’ю у вигляді мазку крові на предметному склі та в проточній системі застосовувались методи лазерної локації, методи оптимальної обробки сигналів та кореляційні методи аналізу. Також в роботі застосовувались методи математичної статистики при обробці експериментальних результатів.

Наукова новизна отриманих в дисертації результатів полягає в наступному.

1. Досліджено ефект розсіювання лазерного випромінювання на елементах крові в гетерогенній структурі цільної крові, яке проводилось для проби крові у статичному та динамічному режимах, що дало змогу діагностувати кров людини в реальному процесі кровообігу. [1, 2]

2. Вперше розроблено методику визначення елементів крові за результатами аналізу індикатриси розсіювання низькоінтенсивного лазерного випромінювання, що застосовува­лось в якості зондуючого випромінювання [3].

3. Здобув подальший розвиток аналіз впливу форми елементів крові на характеристики індикатриси розсіювання лазерного випромінювання, що дозволило суттєво підвищити інформативність дослідження властивостей елементів крові [4].

4. Вперше запропонований лазерний кореляційний аналізатор для формування й обробки сигналу від елементів цільної крові людини у реальному масштабі часу [4].

Практична значимість отриманих результатів. Розроблені в дисертації концепція, моделі, методи, й отримані результати є методологічною основою для розробки і створення високоінформативних лазерних діагностичних систем медичного призначення. Особлива цінність полягає у можливості подальших досліджень зміни характеристик крові людини після застосування лазерних терапевтичних ендоваскулярних опромінювачів крові.

Отримані результати мають суттєву діагностичну цінність при дослідженні патології крові за допомогою лазерних систем.

Результати дисертації впроваджені в практику наукової роботи НДІ кардіології ім. М.Д.Стражеска (акт впровадження від 11.11.2004), а також використовуються в навчальному процесі НТУУ “КПІ” при підготовці бакалаврів, спеціалістів і магістрів спеціальності "Біотехнічні та медичні апарати і системи" (акт впровадження від 28.11.2005, акт впровадження від 20.03.06).

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно і достатньо повно викладено, насамперед, у публікаціях, що надруковано одноосібно [1-4]. У публікаціях, що надруковано у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному: в роботі [5] здобувачем розроблена конструкція апарату і запропоновано застосування вимірювального каналу для контролю дози опромінення та вимірювання випромінювання розсіяного на елементах крові; в роботі [6] здобувачем запропоновано методику оцінки дози опромінення крові людини лазерними пристроями для визначення необхідних значень потужності випромінювання для лазерної діагностики та лікування; в роботі [7] здобувачем розроблено програмні засоби збору, обробки та реєстрації медико біологічної інформації для лазерної діагностики і лікування людини.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи було представлено та обговорено на міжнародних конференціях і симпозіумах з публікацією у відповідних матеріалах:

1. XVth International Scientific and Engineering Conference on Problem of Physical and Biomedical Electronics, 5-8 May 1996, Kiev, Ukraine.

2. XXVIth General Assembly of The International Union of Radio Science, 14-21 August 1999, Toronto, Canada.

3. IIIrd International Conference on Antenna Theory and Techniques, 7–14 September 1999, Sevastopil, Ukraine.

4. Euro Electromagnetics, 30 May – 2 June 2000, Edinburgh, Scotland.

5. IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 9-13 July 2001, Sidney, Australia.

6. 2001 IEEE EMC International Symposium, 13-17 August 2001, Montreal, Canada.

7. The 27th triennial General Assembly of the International Union of Radio Science, 17-24 August, Maastricht, The Netherlands.

8. Process Innovation and Process Intensification, 9-13 September 2002, Edinburgh, Scotland.

9. IEEE 2003 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 21-25 July 2003, Toulouse, France.

10. The 30th International Symposium on 30^th International Symposium on Remote Sensing of Environment, 10-14 November 2003, Honolulu, Hawaii.

11. EUROEM 2004, 12-16 July 2004, Magdeburg, Germany.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано: 16 наукових робіт, у тому числі 7 робіт у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури, що містить 60 найменувань, чотирьох додатків. Робота містить 104 рисунки, 29 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 162 сторінок, у тому числі 119 сторінoк основного тексту.