Джоульметрические системы экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов
На правах рукописи
ГЕРАЩЕНКО Сергей Михайлович ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ Специальность 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
ПЕНЗА – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, ВОЛЧИХИН Владимир Иванович
Официальные оппоненты: ВИХРОВ Сергей Павлович доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет», заведующий кафедрой биомедицинской и полупроводниковой электроники;
СУШКОВА Людмила Тихоновна доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», заведующий кафедрой биомедицинской инженерии;
ЧУВЫКИН Борис Викторович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры информационно-вычислительных систем ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный Ведущая организация – технический университет»
Защита диссертации состоится «» мая 2012 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в ФГБОУ ВПО «Пензен ский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Крас ная, 40.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».
Автореферат разослан «_»_ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Светлов Анатолий Вильевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При проведении медицинских исследований и диагностике различных заболеваний в последние годы стали применяться методы, основанные на оценке электрохимических свойств тканей органов и жидкостей человека. Электрохимические характеристики тканей отра жают нарушение структуры органов и выполняемых ими функций в про цессе формирования патологии в организме. Жидкости, выделяемые орга низмом, при формировании воспалительных процессов способны характе ризовать его активность. Экссудаты и гнойные экссудаты являются типич ными электролитами с различными электрохимическими свойствами.
В хирургии для удаления гнойного экссудата производится установка дре нажа, по которому образующаяся жидкость откачивается из очага воспале ния. Исследуя электрохимические свойства жидкости, можно определять активность воспалительного процесса. Перспективность этих методов за ключается в простоте их реализации и высокой эффективности по сравне нию с известными методами.
Конкретные результаты, полученные в работах А. Ф. Калашника, Н. Н. Каншина, А. П. Хачатряна, С. И. Щукина, А. И. Мартяшина, А. Ю. Демина, И. Р. Добровинского, придают этим исследованиям теоре тическую направленность и практическую значимость.
На основе признаков, характеризующих электрохимические пара метры тканей и жидкостей, реализуются экспертные системы, решающие задачи получения информации для диагностики заболевания и распознава ния образа исследуемого участка органа. Эти системы используют доста точно простой и эффективный математический аппарат искусственных нейронных сетей, описанный в работах Н. П. Абовского, А. И. Галушкина, А. Н. Горбаня, Т. Кохонена, А. И. Иванова и других и способный решать различные задачи обработки данных, в том числе и задачи классификации биомедицинских объектов.
С середины 1990-х гг. стало развиваться новое направление в диаг ностике биомедицинских объектов – джоульметрия. Джоульметрические исследования нашли отражение в работах В. И. Волчихина, С. И. Геращен ко, В. И. Никольского, С. В. Сергеева, Е. Г. Юткиной, Д. Н. Хотько. Наря ду с интегральной оценкой электрохимических свойств биомедицинских объектов, этот метод позволяет формировать многопараметрическое при знаковое пространство, которое можно использовать при решении задач классификации различных форм патологий биомедицинских объектов.
В джоульметрических системах распознавания образа возникает проб лема выбора структуры нейросетевого классификатора, поскольку он при меняется для распознавания биомедицинских объектов с существенно от личающимися свойствами и характеристиками. Значения параметров раз личных классов могут отличаться на порядки, значительно меняется число наиболее информативных параметров (от 4 до 64 и выше). С учетом вре менных ограничений требуется разработка методов автоматического про граммирования нейросетевых экспертных систем. В настоящее время не разработаны четкие рекомендации по выбору конкретных архитектур и методов обучения нейросетей для всех классов встречающихся задач. На практике используются метод многократных испытаний возможных вари антов архитектур и оценки результата методами статистики.
Для отслеживания момента наступления критических состояний и заблаговременного принятия соответствующих мер необходимо решать задачи распознавания образов и прогнозирования состояния биомедицин ских объектов, которые основываются на точной оценке состояния орга низма.
Поскольку время на принятие решения при определении границ ре зекции в хирургии при удалении новообразований, гангрен, ишемических участков кишечника и т.д. ограничено, существует проблема продолжи тельности осуществления процедур оценки параметров при реализации методов сканирования поверхности органов.
Ключевым вопросом при создании диагностических устройств экс пресс-оценки состояния биомедицинских объектов является разработка информационно-измерительной системы, отличающейся способностью в рамках коротких промежутков времени, отводимого на исследования, формировать необходимое количество значимых параметров, и реализаци ей вычислительных процедур.
Для решения задачи разработки приборов и систем экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов, основанных на использовании де композиционного джоульметрического метода, необходима разработка теоретических основ и инженерной методики проектирования, поскольку прямых аналогов подобных систем не существует.
Это делает проблему создания джоульметрических систем экспресс оценки состояния биомедицинских объектов актуальной. Ее решение представляет важную народно-хозяйственную задачу.
Целью диссертационной работы является разработка теоретиче ских основ и практическая реализация декомпозиционного джоульметри ческого метода для экспресс-оценки состояния тканей и жидкостей в хи рургии, оториноларингологии, онкологии, урологии, ортопедии.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. Исследование потенциальных возможностей реализации экспресс оценки состояния биомедицинских объектов с ионным типом проводимо сти, представляющих диагностическую информацию для измерительных систем в реальном масштабе времени, основанных на использовании де композиционного джоульметрического метода.
2. Разработка и исследование математической модели процессов взаимодействия приборов с биомедицинскими объектами для сокращения времени оценки и оптимизации измерительных процедур.
3. Разработка и исследование вариантов многоэлектродных систем, реализующих джоульметрический декомпозиционный метод для точечных оценок состояния в процессе сканирования поверхностей органов, тканей и биомедицинских жидкостей.
4. Разработка принципов построения и математических моделей де композиционных джоульметрических систем, реализующих оперативное получение и обработку данных о состоянии биомедицинских объектов.
5. Разработка и исследование нейросетевых систем распознавания, основанных на джоульметрическом декомпозиционном методе и позво ляющих повысить достоверность получаемых результатов классификации за счет использования дополнительных информативных признаков.
6. Разработка теоретических основ и инженерной методики проекти рования приборов, основанных на джоульметрическом декомпозиционном методе, решающих проблемы экспресс-оценки динамики воспалительных процессов при гайморитах, абсцессах живота, панкреанекрозе, эмпиеме плевры, определения степени созревания косного регенерата, определения границ резекции патологических участков органов и тканей при проведе нии хирургических операций, солевого состава конкрементов при мочека менной болезни.
7. Выполнение комплекса экспериментальных исследований создан ных приборов, основанных на использовании декомпозиционного джоуль метрического метода, для проверки основных теоретических положений.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, статистической обработки дан ных, нелинейной цифровой фильтрации и обработки сигналов, теории ро бастных систем регулирования, теория автоматического управления, тео рии распознавания образов.
Научная новизна:
1. Впервые разработана математическая модель с замкнутой струк турой, описывающая физико-химические процессы в межэлектродном про странстве, учитывающая специфику биомедицинских объектов и позво ляющая осуществлять выбор рациональных вариантов конструкции, ре жимов работы и схемных решений при разработке средств контроля, осно ванных на оценке в динамике значений межэлектродных потенциалов и токов.
2. Разработаны теоретические основы и методики проектирования приборов, позволяющих производить экспресс-оценку состояния биоме дицинских объектов на базе нового декомпозиционного джоульметриче ского метода.
3. Предложены декомпозиционный джоульметрический метод, реа лизуемый в гальваническом и потенциостатическом режимах работы, и методика идентификации и формирования дополнительных признаков на основе полиномиальных коэффициентов линейных авторегрессионных моделей и модели пространства состояний, позволяющие формировать двухмерное признаковое пространство и предоставляющие возможность выбора наиболее информативных признаков с целью увеличения эффек тивности алгоритмов нейросетевой классификации состояния биомеди цинских объектов.
4. Предложены алгоритмы формирования измерительных токо потенциальных воздействий на биомедицинские объекты для джоульмет рического декомпозиционного метода, позволяющие повысить достовер ность оценки состояния биологических жидкостей непосредственно в оча ге воспаления и по отделяемому экссудату из дренажа и биологических тканей путем сканирования их поверхности.
5. Для сокращения времени проведения исследований предложены новые варианты конструкций систем электродов для декомпозиционных джоульметрических систем, обеспечивающих оперативную оценку со стояния биомедицинских объектов и сканирования поверхности органов с варьируемой глубиной исследования за счет изменения площади поверх ности активного электрода.
6. Для снижения процента ошибок распознавания и расширения об ласти применения джоульметрических систем разработан алгоритм обуче ния и оптимизации структуры нейросетевого классификатора на основе минимизации процента ошибок распознавания для признакового про странства, описывающего состояние биомедицинских объектов.
7. Впервые предложены приборы и методики их применения, позво ляющие осуществлять оценку в реальном масштабе времени с требуемой точностью представления результатов для решения проблем оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреанекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах для решения задач опре деления границ резекции в хирургии с целью реализации тканесохраняю щих методик.
Практическая значимость. Полученные в диссертационной работе результаты заключаются в выработке системных знаний, позволяющих развивать данное научное направление в практическом плане. Основные научные положения реализованы в джоульметрических приборах и ком плексах на базе персональных ЭВМ. Джоульметрические диагностические приборы и методики их применения позволяют решать задачи оператив ной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреанекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах для решения задач опре деления границ резекции в хирургии с целью реализации тканесохраняю щих методик проведения операций. В целом результаты проведенных ис следований обеспечивают создание нового класса приборов медицинского назначения для экспресс-оценки состояния биологических объектов. Их использование позволяет внедрять в медицинскую практику методики прогнозирования состояния пациентов при острых формах воспалитель ных процессов и осуществлять тканесохраняющие методики проведения хирургических операций.
Реализация и внедрение результатов:
1. Приборы и методики определения динамики воспалительных про цессов при гнойном гайморите и эмпиеме плевры, оценки джоульметриче ских свойств полипозных тканей и тканей поджелудочной железы в со стоянии «нормы» и «патологии», реализованы в ГБУЗ «Пензенская обла стная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко».
2. Прибор и методика определения границ резекции и джоульметри ческий комплекс для определения границ резекции новообразований внут ренних органов реализованы в ГБУЗ «Областной онкологический диспан сер» (г. Пенза).
3. Прибор и методика оценки состояния биологических жидкостей и костного регенерата реализованы в ГБОУ ДПО «Пензенский институт усо вершенствования врачей» Минздравсоцразвития России.
4. Выпущена промышленная серия приборов «ДИВО» для оценки динамики воспалительных процессов – ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» имени М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской области).
5. Прибор и методика исследования мочекаменных конкрементов реализованы в НИИ фундаментальной и клинической уронефрологии ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского» Минздравсоцразвития России.
6. Научные и практические результаты диссертационной работы ис пользованы в учебном процессе на кафедре «Медицинские информацион ные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».
7. Работа выполнялась в соответствии с грантами:
– «Разработка приборов для определения динамики воспалительных процессов в лобных пазухах и абсцессов живота» Фонда содействия разви тию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г/к № 4250р/6689 от 26 июня 2006 г.);
– «Разработка и исследование джоульметрических методов и систем для оперативного контроля динамики воспалительных процессов» в рам ках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (г/к № 02.740.11. от 11 июня 2010 г.);
– «Развитие теории нелинейных динамических систем и нечетких ре гуляторов на основе экспертных оценок для джоульметрических информа ционных систем» по тематическому плану научно-исследовательских ра бот Пензенского государственного университета, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ в 2009–2011 гг.;
– «Исследование закономерностей протекания воспалительного про цесса при панкреонекрозе джоульметрическим методом», научно исследовательская работа ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», проводимая в рамках государственного задания Министер ства образования и науки РФ в 2012–2014 гг.
На защиту выносятся:
1. Комбинированный способ формирования измерительных токов и выявленные особенности и рекомендации его применения для разработки измерительных приборов медицинского назначения, предназначенных для оценки состояния биомедицинских объектов.
2. Нейросетевой классификатор, основанный на математической мо дели взаимодействия биологических объектов и измерительного прибора на основе декомпозиционного джоульметрического метода, отличающийся применением расширенного информационного пространства за счет ис пользования увеличенного диапазона измерительных токов.
3. Структурно-алгоритмические и технические решения реализаций джоульметрических систем с комбинированным заданием измерительных токо-потенциальных воздействий на биомедицинские объекты в реальном масштабе времени для оперативной оценки их состояния.
4. Конструктивные решения и результаты экспериментальных иссле дований многоэлектродных систем для зондирования биомедицинских жидкостей и сканирования поверхности тканей и органов с варьируемой глубиной области зондирования.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приборов, реализующих джоульметрический декомпозиционный метод, для прогнозирования динамики протекания воспалительных процессов при абсцессах живота, гайморитах, панкреанекрозе, эмпиеме плевры и оценки состояния тканей полипов и поджелудочной железы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международном форуме «Информа ционные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины – 98» (Турция – Кемер, 1998);
Международном симпозиуме «Надежность и ка чество» (Пенза, 1998–2010);
II Международной научно-практической кон ференции «Прогрессивные технологии в медицине» (Пенза, 1999);
III Ме ждународной конференции «Радиоэлектроника в медицинской диагности ке» (Москва, 1999);
Российской научно-технической конференции «Меди ко-технические технологии на страже здоровья» (Москва, 1999);
Междис циплинарной конференции с международным участием «Новые биокибер нетические и телемедицинские технологии XХI века для диагностики и ле чения заболеваний человека» (Петрозаводск, 2002);
XI Международном симпозиуме «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в систе ме медико-экологической безопасности» (Испания – Коста Дуарда, 2002);
XV научно-технической конференции «Датчики и преобразователи ин формации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2003» (Мо сква, 2003);
Международной научно-технической конференции «Инфор мационные, измерительные и управляющие системы» (Самара, 2005);
II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Меди цинская физика – 2005» (Москва, 2005);
VIII съезде травматологов ортопедов России (Самара, 2006);
Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2006);
Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука.
Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006, 2007);
Межрегиональной научной конференции «Актуальные проблемы медицинской науки и обра зования» (Пенза, 2007);
XXVIII Российской школе «Наука и технологии» (Миасс, 2008);
V съезде Общества биотехнологов России им. Ю. А. Ов чинникова (Москва, 2008);
Международной конференции «Биотехниче ские, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 2009, 2010), I Международной научно-практической конференции «Современ ные проблемы отечественной медико-биологической и фармацевтической промышленности. Развитие инновационного и кадрового потенциала Пен зенской области» (Пенза, 2011).
Достоверность научных положений и выводов подтверждается тем, что в теоретических построениях использовались законы и положения электрохимии, справедливость которых общепризнана, а также известный и хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат, вводимые до пущения и ограничения мотивировались известными из практики фактами.
Обоснованность рекомендаций по инженерному проектированию джоуль метрических приборов и систем, выбору их параметров и организации ал горитмов работы подтверждается полученными положительными резуль татами экспериментальных исследований в реальных условиях лечебно профилактических учреждений.
Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубли ковано 94 печатные работы, в том числе 2 монографии, 5 патентов РФ, 2 свидетельства на полезную модель РФ, 14 статей в изданиях из списка ВАК, 50 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 282 страницах маши нописного текста, включая 80 рисунков, 9 таблиц. Библиографический список содержит 192 источника.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность ра боты, перечислены методы исследования, приведены сведения об апроба ции работы и публикациях, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе осуществлен анализ особенностей оценки состояния биомедицинских объектов и методов, применяемых на практике в настоя щее время.
На основе анализа существующих электрохимических методов ис следования биомедицинских объектов делается вывод о том, что наиболее близкими для решения поставленной задачи являются импедансные мето ды. В сравнении с другими электрохимическими методами они обеспечи вают высокую точность оценки и дают обширную информацию о процессах электрохимической кинетики и свойствах объема исследуемого объекта.
Основные недостатки импедансного метода заключаются в том, что отличительные свойства тканей часто проявляются в области низких час тот, где начинают сказываться фарадеевские составляющие, меняющие проводимость объекта, и, как следствие, вносятся изменения в измеряемый импеданс.
С целью обоснования целесообразности разработки проведено тео ретическое описание электрохимических процессов применительно к джо ульметрическим системам. Получена система уравнений кинематики кон центрации вещества с учетом потенциала поля носителей заряда, которая подробно описывает процессы, происходящие в электрохимической ячейке при протекании через нее электрического тока. Структура электрохимиче ской ячейки в дальнейшем разбита на три подобласти, каждая из которых описывается с позиции движения в поле заряженных частиц. Связь кон центрации носителей заряда с потенциалом поля носителей раскрыта при помощи уравнения Пуассона.
Установлена связь скорости протекающей реакции в электрохимиче ской ячейке с плотностью тока для объектов с ионным типом проводимо сти. В результате исследования установлено, что, зная свойства реакции в ячейке, можно судить о том, какой вклад вносит каждая из составляющих i-го вещества в значение межэлектродного напряжения и, как следствие, в интегральное значение работы, совершаемой током в ячейке. Проанали зирована математическая модель физико-химических процессов внутри электрохимической ячейки применительно к джоульметрическому методу исследования.
На основе проведенных исследований определены основные пробле мы, возникающие в процессе оценки состояния биомедицинских объектов.
Поставлена цель исследований, связанная с реализацией метода, основан ного на разбиении общего значения работы на отдельные составляющие, характеризующие различные по природе процессы, протекающие в элек трохимической ячейке.
Во второй главе проведены исследования с использованием замкну той математической модели электрохимических процессов и средств кон троля объектов с ионным типом проводимости и разработка теоретических основ декомпозиционного джоульметрического метода для экспресс оценки состояния биомедицинских объектов и вариантов его реализации.
На основе результатов моделирования и анализа значения энтропии электрохимических систем сделано заключение о возможности использо вания в качестве обобщенного интегрального показателя, характеризую щего изменение электрохимических свойств биологических объектов, зна чения работы, затраченной на перевод их из одного состояния в другое.
В основу джоульметрического метода положено соответствие между рабо той, совершаемой внешним источником электрической энергии, и измене нием состояния исследуемого объекта.
На основе рассмотрения динамических процессов преобразования разных видов энергии в электрохимической ячейке осуществлена разра ботка теоретических основ декомпозиционного джоульметрического мето да для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов и вариантов его реализации в гальваническом и комбинированном режимах.
В гальваническом режиме на электроды подается стабилизирован ный ток I(t) = const и регистрируется зависимость падения напряжения на них от времени UМЭ(t). Работа, совершаемая в объекте, в соответствии с рисунком 1, на временном интервале от t01 до t21, раскладывается на сле дующие четыре составляющие:
– первая характеризует активность электрохимических реакций:
t21 U МЭ t dt U н1 t21 t11, A11 I t11 где Uн1 – падение напряжения в момент окончания заряда двойного элек трического слоя;
– вторая характеризует сопротивление электрохимической реакции:
A21 I1 U н1 U 01 t21 t11, где U01 – падение напряжения на электрохимической ячейке в момент коммутации тока;
– третья характеризует емкость двойного электрического слоя:
t11 U МЭ t dt U 01 t11 t01 ;
A31 I t01 – четвертая характеризует межэлектродное сопротивление:
A41 I1U 01 t21 t01.
UМЭ(t) А1n Uвn Uнn А12 А3n Uв А Uн2 А21 А Uв Uн U … I(t) А22 А А31 А41 А2n А4n t In I I … t t01 t11 t21 t02 t12 t22 t0n t1n t2n –I –I –In Рисунок 1 – Графики, поясняющие джоульметрический декомпозиционный метод с воздействием разнополярными импульсами тока различной амплитуды на объект исследования В комбинированном режиме регулированием амплитуды измери тельного тока достигается стабилизация временного интервала заряда двойного электрического слоя и последующее поддержание межэлектрод ного напряжения на заданном уровне. Значение напряжения UР и момент времени t11 задаются регулятором согласно рисунку 2 и для исследуемых объектов остаются неизменными. Свойства объекта проявляются в изме нении значений тока I(t), обеспечивающего требуемую зависимость изме нения напряжения UМЭ(t). В комбинированном режиме принцип декомпо зиции проще пояснить на совмещенном графике, характеризующем изме нение U(t), I(t) и мощности W(t). Общая работа, совершенная током I(t) на временном интервале от t01 до t21 (рисунок 2), раскладывается на следую щие составляющие:
t21 I t dt I10 t21 t11, A11 U Р t11 A21 U Р1 I1 I10 t21 t11, t I t U МЭ t dt U 01 t11 t01, A t A41 I 01U 01 t21 t01.
Декомпозиция позволяет повысить чувствительность джоульмет рического метода и увеличить число формируемых информативных при знаков.
Разработан также многоуровневый джоульметрический метод для гальванического (рисунок 1) и комбинированного (рисунок 2) режимов работы. В нем осуществляется ступенчатое изменение значения рабоче го тока. Этот метод предназначен для исследования нелинейных свойств объектов.
Совместное использование ступенчатой формы тока и декомпозиции отклика позволяет формировать двухмерное признаковое пространство.
Отдельные составляющие признакового пространства в виде n векторов, состоящих из четырех значений работ (k = 4) на каждом из n уровней, за даваемых рабочими токами I n для комбинированного режима, приведены на рисунке 2.
UМЭ(t) UРn U0n UР UР U t I(t) In In I I I I t W(t) А'1n А'3n А'2n А' А'4n А' А' А' А'11 А' А' А' t t01 t11 t21 t12 t22 t0n t1n t2n Рисунок 2 – Составляющие многоуровневого признакового пространства, представленные в виде n векторов для комбинированного режима Применяя декомпозицию сигнала на различных энергетических уровнях, в джоульметрии можно формировать признаковое пространство в виде матрицы A11 A1n A A2 A2n A A4, n 1.
A31 A3n A A4n A41 A С помощью джоульметрического декомпозиционного метода со сту пенчатой формой задания тока получено расширенное признаковое про странство для описания состояния биологических объектов.
Достоверность результатов измерений связана с их воспроизводимо стью от опыта к опыту. Установлено, что основными причинами ее сниже ния являются заряд двойных электрических слоев и изменение состояния поверхности электродов.
В этой связи разработан джоульметрический декомпозиционный метод с воздействием разнополярным током различной амплитуды (рисунок 1).
При этом изменения, происходящие на поверхности электродов и в при электродном пространстве при пропускании через исследуемый объект импульса тока в обратном направлении, частично компенсируются за счет разряда электрохимической ячейки.
В третьей главе разработаны и исследованы системы электродов для оценки состояния биомедицинских объектов, позволяющие осуществ лять точечные оценки и сканирование поверхности органов, и принципы построения виртуальных моделей декомпозиционных джоульметрических систем, реализующих оперативное получение и обработку данных о со стоянии биомедицинских объектов.
Для исследования биомедицинских объектов предложены различные варианты систем электродов (СЭ), приведенных на рисунке 3.
Для определения границ резекции новообразований предложена кон струкция матричной системы электродов, использование которой позволя ет проводить несколько измерений при одной установке матрицы с элек тродами на поверхности сканируемого биомедицинского объекта (рису нок 3,а). При этом выполнение электродов с округлой рабочей поверхно стью, контактирующих с исследуемой тканью, по сравнению с игольчаты ми датчиками снижает травматичность при осуществлении измерений.
Использование двухэлектродных систем на основе активного элек трода обусловлено тем, что с уменьшением площади одного электрода (ак тивного) по сравнению с другим (пассивным) плотность тока вблизи ак тивного электрода увеличивается пропорционально соотношению площа дей. В результате плотность тока имеет наибольшее значение вблизи ак тивного электрода, поэтому межэлектродное напряжение в наибольшей степени отражает свойства биологического объекта, расположенного вбли зи точки контакта. Это позволяет получить высокую разрешающую спо собность и воспроизводимость результатов при сканировании поверхности биологических объектов, а за счет изменения площади поверхности актив ного электрода возможно варьирование глубиной исследования.
2 3 4 2 а) б) 9 2 10 в) г) 6 2 11 12 13 13 д) е) Рисунок 3 – Конструктивные решения систем электродов: 1 – коммутатор;
2 – тоководы;
3 – диэлектрическая основа;
4 – электроды;
5 – пассивный электрод;
6 – изолирующие прокладки;
7 – проводящие сегменты активного электрода;
8 – диэлектрический цилиндр;
9 – активные электроды;
10 – диэлектрический слой;
11 – диэлектрическая трубка;
12 – токовые электроды;
13 – индикаторные электроды На рисунке 3,б приведена конструкция СЭ для контроля состояния биологических тканей с коммутацией активных электродов различной площади, что позволяет получать несколько измерений при одной уста новке активных электродов на поверхности биомедицинского объекта и оптимизировать процесс исследований за счет достижения необходимой плотности тока в точках контакта СЭ с исследуемым объектом.
На рисунке 3,в приведена конструкция СЭ, сочетающая в себе пре имущества конструкций матричной СЭ (рисунок 3,а) и двухэлектродной системы на основе активного электрода (рисунок 3,б).
Для оценки состояния костного регенерата непосредственно на уча стке сочленения предложена конструкция двухэлектродной системы (ри сунок 3,г).
Для оценки динамики гнойно-воспалительных процессов разработа ны следующие конструкции СЭ: двухэлектродная (рисунок 3,д), предна значенная для изучения биологических и электрохимических процессов, протекающих непосредственно в очаге воспаления, и четырехэлектродная система проточного типа (рисунок 3,е), предназначенная для исследования отделяемого экссудата.
Принцип работы декомпозиционных джоульметрических систем по ясняется обобщенной структурной схемой, приведенной на рисунке 4. Она содержит формирователь измерительных токо-потенциальных воздействий (ФИВ), систему электродов (СЭ), объект измерения (ОИ), коммутатор (К), формирователь признаков (ФП), устройство обработки данных (УОД) и устройство управления (УУ).
к о к УУ f[UМЭ(t)] ф Ak,n I(t) ФП УОД ФИВ I(t) UМЭ(t) К I(t) UМЭ(t) ОИ СЭ … Рисунок 4 – Обобщенная структурная схема джоульметрических систем Схема работает следующим образом. Ток с ФИВ, пройдя через ФП, коммутируется на СЭ. Формируемое на ОИ напряжение поступает через ФП и далее на УУ и УОД. В ФП производится оценка значений тока, по ступающего на объект и формируемого на электродах напряжения. Их значения в зависимости от алгоритма обработки и метода формирования информативных признаков преобразуются в соответствующие значения параметров. УОД формирует обобщенное значение информативных па раметров, характеризующих состояния исследуемого биомедицинского объекта.
Предложена обобщенная схема ФИВ, представленная на рисунке 5, состоящая из формирователя уровней воздействия (ФУВ), регулятора (Р), сумматора (С) и источника стабилизированного тока управляемого напря жением (ИТУН). Блоки ФУВ и ИТУН используются для формирования измерительных воздействий на биомедицинские объекты в гальваническом режиме (связь обозначена пунктирной линией на рисунке 5), в комбиниро ванном режиме – дополнительно задействуется регулятор с петлей обрат ной связи и сумматором.
от УУ к In (t) UРn ФУВ + С ИТУН Р _ кК UРn (t) F [UРn (t)] Рисунок 5 – Обобщенная структурная схема формирователя измерительных токо-потенциальных воздействий На выходе ФУВ в зависимости от сигнала управления в и времени формируются значения UРn. В гальваническом режиме они поступают на ИТУН, в нем генерируется соответствующий стабилизированный ток, по ступающий далее через коммутатор на систему электродов.
В комбинированном режиме значения UРn поступают на ИТУН через C и Р. В зависимости от разности напряжения UРn и напряжения на элек тродах исследуемого объекта U мэ F [U Р n (t )] регулятор, в соответствии с законом регулировки, формирует управляющее воздействие UРn (t), кото рым корректируется значение тока I n (t ) ИТУН.
При разработке регулятора учитывались особенности электрохими ческих объектов, связанные с их нестационарностью, высоким уровнем шумов в обрабатываемых сигналах и нелинейными свойствами. Сказанное существенным образом отражается на степени неопределенности иссле дуемой системы, выступающей в роли регулируемого объекта. В этих ус ловиях задача проектирования регулятора заключается в синтезе закона регулировки, который сохраняет отклик системы и сигналы рассогласова ния в пределах заданного допуска, несмотря на неопределенности иссле дуемой системы.
Предложенный вариант реализации формирователя измерительных токо-потенциальных воздействий позволяет проводить исследования в ре альном масштабе времени с исключением процедур предварительной на стройки режимов работы джоульметрических систем.
В четвертой главе осуществлена реализация декомпозиционных джоульметрических методов экспресс-оценки состояния биологических объектов на основе робастных регуляторов и нейросетевой системы распо знавания образов биомедицинских объектов.
Процесс получения признаков разделен на два вида.
Для первого формируются джоульметрические признаки, характери зующие значения отдельных компонент значений работ на различных энергетических уровнях. Представленные в работе алгоритмы обработки вольт-амперных кривых основаны на градиентных методах выявления ха рактерных точек на каждом из уровней. Для реализации алгоритмов разра ботан пользовательский интерфейс в среде графического программирова ния LabView. В результате исследований разработана программа, позво ляющая получать до 32 хорошо воспроизводимых параметров для биоме дицинских объектов с различными свойствами с учетом присутствия шу мов в обрабатываемых сигналах.
Для второго параллельно с оценкой джоульметрических характери стик реализуются процедуры идентификации. В качестве исходных при менялись линейные динамические модели. Исследование процедур иден тификации заключалось в нахождении типа модели, выборе ее порядка, определении значений коэффициентов полиномов, при которых представ ленная модель наилучшим образом описывает наборы наблюдаемых дан ных. Использование значений коэффициентов полиномов в качестве ин формативных признаков позволило расширить признаковое пространство на 32 параметра. С учетом присутствия шумов во входном и выходном сигналах наиболее приемлемой оказалась модель выходной ошибки второ го порядка.
Нейросетевой классификатор реализован в виде специального про граммного обеспечения, состоящего из модуля формирования признаково го пространства, модуля нейросетевой классификации и модуля формиро вания результата (рисунок 6).
Модуль формирования признакового пространства Блок II Блок I Метод авторегрессионных Джоульметрический параметрических моделей декомпозиционный метод Наборы параметров, описывающих серию кривых Набор параметров I Набор параметров II Модуль нейросетевой классификации Модуль Модуль Модуль Модуль нейросетевой нейросетевой нейросетевой нейросетевой классифика- классифика- классифика- классифика ции I ции II ции III ции IV Результат работы модулей нейросетевой классификации Для модели: значение «норма» – «патология» и средний процент ошибки распознавания Для реальных данных: значение «норма» – «патология» Модуль формирования результата Рисунок 6 – Обобщенная блок-схема нейросетевого классификатора Отличительная особенность разработанного нейросетевого класси фикатора заключается в использовании четырех независимых нейросете вых структур, каждая из которых обучается на основе определенного на бора параметров и имеет в качестве цели обучения значение «норма» – «патология».
Каждый нейросетевой классификатор представляет собой совокуп ность архитектуры, функций и параметров обучения. Выбор структуры и оптимизация производятся на основе минимальной средней ошибки обу чения на существенно уменьшенном контрольном множестве значений «норма» – «патология» методом взвешенной суммы с учетом влияния на конечный результат каждого оптимизированного классификатора на осно вании среднего процента ошибки распознавания. Использование предва рительно настроенных четырех нейросетевых структур с последующим выбором наиболее эффективной позволяет существенно сократить время, связанное с подготовкой данных для ее обучения и осуществления проце дур настройки сети.
В пятой главе рассмотрены основные принципы создания джоуль метрических систем для экспресс-оценки состояния биологических тканей и жидкостей и их внедрение в медицинскую практику хирургических, ото риноларингологических, онкологических, урологических и ортопедиче ских отделений и разработка полиномиальных математических моделей для прогнозирования динамики воспалительных процессов на основе джо ульметрических параметров.
Приведены общие методы построения джоульметрических приборов и систем для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов. Они основаны на концепции практического использования рассмотренных в работе джоульметрических методов и электродных систем в реальном мас штабе времени. Техническая реализация связана с созданием дополни тельных систем, обеспечивающих сопровождение джоульметрических из мерений и представление результатов в наиболее простой и удобной для врачей форме.
На рисунке 7 приведена обобщенная структурная схема джоульмет рического измерительного комплекса. Она содержит систему электродов (СЭ), джоульметрический прибор (ДП), состоящий из измерительного тракта (ИТ) и процессора цифровой обработки сигналов (ПЦОС), и персо нальную ЭВМ (ПЭВМ).
ДП ПЦОС ИТ СЭ ПЭВМ Рисунок 7 – Обобщенная структурная схема джоульметрического измерительного комплекса Для реализации отработанных методик исследования биомедицин ских объектов при известных режимах работы предложены конструктив ные варианты портативных автономных микропроцессорных приборов.
В них режимы работы устанавливаются на заранее заданные уровни для определенной конструкции электродной системы. Обеспечение режимов работы, получение, преобразование и представление информации осуще ствляет ДП. Отличительной особенностью этих приборов является просто та конструкции и использования. В основном они предназначены для оценки динамики воспалительных процессов.
Для исследовательских целей и оценки состояния биологических тканей разработаны джоульметрические измерительные комплексы на базе ПЭВМ. Управление работой данной системы осуществляется с помощью специального программного обеспечения, состоящего из следующих функциональных модулей:
– модуля взаимодействия с ДП, который предназначен для обмена информацией между ДП и специализированным программным обеспече нием по шине USB;
– модуля конфигурирования, предназначенного для выбора режима измерений, типа используемых датчиков, передачи управляющей инфор мации на ДП, запуска и остановки процесса измерений;
– модуля отображения информации, осуществляющего функции ви зуализации результатов измерений в виде гистограмм значений работ и графиков измерений;
– модуля анализа информации и принятия решений, осуществляю щего обработку при помощи специализированных алгоритмов поступаю щей от измерительного комплекса информации и принятие решения о со стоянии исследуемого объекта;
– модуля управления базой данных, осуществляющего функции ра боты с базой данных: чтение, запись в базу данных, поиск по базе и т.д.;
– базы данных, содержащей информацию о пациентах и результатах измерений.
Применение данной архитектуры позволило решить задачу обработ ки, анализа информации и принятия решений с использованием специали зированного программного обеспечения, работающего на ПЭВМ. ДП вы полняет функции проведения измерений, хранения результатов последнего измерения и передачи результатов измерений на ПЭВМ.
Отработка программного обеспечения джоульметрического ком плекса осуществлена в системе визуального моделирования SIMULINK пакета MATLAB с применением технологий системного моделирования.
Библиотечные функции MATLAB используются в качестве субблоков, на базе которых собраны отдельные функциональные блоки. Библиотечные функции составлены из специальных подпрограмм, реализующих необхо димые алгоритмы обработки данных и представления результатов. Блок распознавания реализован на базе нейросетевого классификатора. При его настройке учитывались: четыре типа архитектуры нейросети, функции обучения и параметры обучения. Для обучения сети использовались дан ные, характеризующие биологические объекты с ярко выраженными при знаками «нормы» и «патологии».
Отработка программы для джоульметрического декомпозиционного метода производилась в среде графического программирования LabView.
С использованием разработанных джоульметрических приборов и систем проведены экспериментальные исследования биомедицинских объектов.
Исследования тканей онкологически пораженных органов проводи лись в ГБУЗ «Областной онкологический диспансер» (г. Пенза). Исследо вались ткани различных органов с ярко выраженными границами новооб разования, удаленные в процессе проведения хирургических операций.
В результате проведенных исследований тканей удаленных органов у нескольких больных было установлено, что значения работы тока в поражен ных участках существенно больше значений работ тока на здоровых участках и резко уменьшаются при движении датчика от здоровой ткани к поражен ной. Так, при исследовании пораженных тканей на предмет обнаружения границ резекции применение разработанных алгоритмов робастного управ ления позволило получить до 16 уровней тока в диапазоне 5…190 мкА. Экс периментально установлено, что при классификации тканей почки в состоя нии «нормы» и «патологии», а также для определения границ поражения ор гана достаточно 8 уровней тока, а для тканей желудка – 10 уровней. Вероят ность правильной классификации при этом составляет 95 %.
Исследования биологических жидкостей проводились в оторинола рингологическом отделении ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко». Исследовались жидкости, взятые у боль ных гнойным гайморитом, на протяжении периода лечения. Для исследо ваний использовался четырехэлектродный датчик проточного типа.
В результате исследований было установлено, что при прогрессиро вании воспалительного процесса в околоносовых пазухах значения работы тока увеличиваются, а по мере снижения воспалительного процесса значе ния работы тока уменьшаются. Проведенные исследования позволяют сде лать вывод о том, что с помощью комбинированного джоульметрического метода можно осуществлять контроль за протеканием воспалительного процесса у больных гнойным гайморитом и по оценкам джоульметриче ских параметров судить о его активности. Экспериментально установлено, что при классификации активности воспалительного процесса достаточно четырех уровней тока в диапазоне 5…180 мкА. Вероятность правильной классификации активности воспалительного процесса при этом составляет 95 %.
Исследования костной ткани проводились в ГБОУ ДПО «Пензен ский институт усовершенствования врачей» Минздравсоцразвития России.
Данные были получены в результате исследования пациентов с переломом нижних конечностей.
В результате исследований костной ткани у больных с переломами нижних конечностей и с необходимостью удлинения конечностей было ус тановлено, что по мере преобразования костного регенерата в костную ткань значения работы тока уменьшаются и постепенно становятся посто янными, приближаются к значениям работы, измеренным в нормальной кости. Экспериментально установлено, что при классификации состояния костного регенерата достаточно четырех уровней тока в диапазоне 5…150 мкА. Вероятность правильной классификации состояния костной ткани при этом составляет 97 %.
Исследования полипов проводились в оториноларингологическом отделении ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко». Цель исследований заключалась в возможности определения четырех основных гистологических вариантов типов поли пов полости носа неинвазивным джоульметрическим методом. В результа те исследований экспериментально установлено, что для их классифика ции достаточно восьми уровней тока в диапазоне 10–120 мкА. Вероятность правильной классификации типа полипа составляет 81 %.
На базе ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко» проведено обследование тканей поджелудочной железы при панкреанекрозе джоульметрическим методом. Цель исследо ваний заключалась в создании системы распознавания трех стадий воспа лительного процесса: малоизмененная поджелудочная железа, нечетко дифференцированные изменения в ткани поджелудочной железы и выра женные некротические изменения поджелудочной железы. Параллельно проводились морфологические исследования. Экспериментально установ лено, что чем выраженнее некротические изменения в ткани поджелудоч ной железы, тем выше значения работы тока. В 32 случаях (46,4 %) джо ульметрические параметры более чем на сутки опережают появление нега тивной динамики со стороны маркеров воспаления. Для определения вы раженных некротических изменений с вероятностью 85 % необходимо во семь уровней тока в диапазоне 5…210 мкА.
На базе ГБУЗ «Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко» проведены исследования стадий воспаления эмпиемы плевры. Цель исследований заключалась в создании джоульметрической системы распознавания фибринозной, фибринозно-гнойной и репаратив ной стадий плеврита. Установлено, что для этого достаточно четырех уровней тока в диапазоне 10…80 мкА. Вероятность правильной классифи кации составляет 78 %.
Совместно с НИИ фундаментальной и клинической уронефрологии ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского» Минздравсоцразвития России проведены ис следования мочекаменных конкрементов в растворе соляной кислоты с це лью возможности применения джоульметрического метода для распозна вания уратов, фосфатов и оксалатов. Установлено, что при классификации конкрементов достаточно четырех уровней тока в диапазоне 10…270 мкА.
Вероятность правильной классификации составляет 97 %.
В приложениях приведены таблицы данных, фотоиллюстрации и документы, подтверждающие внедрение результатов работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Доказана принципиальная возможность, с позиции движения в по ле заряженных частиц, джоульметрического принципа оценки состояния объектов, обладающих ионным типом проводимости. Обсуждены основ ные подходы к направленному изменению метрологических характеристик джоульметрического метода. Установлено, что работа тока, определяемая на основе оценки значений межэлектродных потенциалов и токов в дина мике, является интегральным показателем, характеризующим состояние и активность электрохимических процессов объекта, заключенного в меж электродном пространстве системы электродов.
2. Рассмотрены процессы, учитывающие потенциал поля носителей заряда, происходящие в электрохимической ячейке при протекании через нее электрического тока различной плотности. Моделирование показало возможность применения ступенчатой формы задания внешних воздейст вий с целью расширения признакового пространства на основе рассмотре ния процессов на различных энергетических уровнях.
3. Разработан, теоретически обоснован и применен на практике но вый декомпозиционный джоульметрический метод, основанный на ис пользовании оценки четырех составляющих значения работы, затрачивае мой на перевод объекта исследования из одного состояния в другое. Ин формативными составляющими метода являются: работа тока, затрачивае мая на омическую составляющую электрохимической ячейки;
работа тока, затрачиваемая на заряд двойного электрического слоя электрохимической ячейки;
работа тока, затрачиваемая на электрохимические реакции;
работа тока, затрачиваемая на омическую составляющую межэлектродного со противления. Показано, что работа тока, затрачиваемая на электрохимиче ские реакции, является наиболее информативным признаком. Это значение целесообразно применять в автономных джоульметрических приборах с целью снижения их сложности.
4. Представлены способы реализации декомпозиционного джоуль метрического метода в гальваническом и комбинированном режимах рабо ты, позволяющие формировать признаковое пространство до 32 парамет ров. Главная особенность декомпозиционного метода заключается в по следовательном вовлечении в электрохимический процесс различных групп ионов на разных энергетических уровнях. Это позволяет осуществ лять процедуры создания образа исследуемого объекта и на их основе про изводить детектирование отдельных комплексов ионов.
5. Рассмотрены новые подходы к использованию систем электродов.
Предложены новые варианты алгоритмов формирования входных воздей ствий на биомедицинские объекты в гальваническом и потенциостатиче ском режимах. Их отличительная особенность заключается в реализации исследований в реальном масштабе времени. При этом исключаются про цедуры предварительной настройки режимов работы джоульметрических систем, что способствует существенному сокращению времени подготовки и проведения исследований.
6. Разработаны конструкции систем электродов для декомпозицион ных джоульметрических систем. Показана принципиальная возможность использования активного электрода в качестве основного чувствительного элемента для экспресс-оценки состояния биомедицинских объектов. Это существенно упрощает процедуры практического использования джоуль метрических методов и расширяет функциональные возможности и об ласть применения за счет реализации процедуры сканирования поверхно сти органов разноповерхностными электродами и возможности направ ленного изменения глубины исследования.
7. Представлена методика идентификации и формирования дополни тельных признаков на основе полиномиальных коэффициентов линейных авторегрессионных моделей и модели пространства состояний, позволяю щая увеличить количество информативных признаков от 8 до 32 при про гнозировании активности воспалительных процессов.
8. Разработаны алгоритм оптимизации структуры нейросетевого классификатора и алгоритм его обучения, на основе минимизации процен та ошибок распознавания, для расширенного признакового пространства, описывающего состояние биомедицинских объектов, при оценке динамики воспалительных процессов, что позволяет достичь максимального качества обучения нейросетевого классификатора и снизить процент ошибок распо знавания.
9. Впервые разработаны диагностические приборы и методики их применения в биомедицинской практике для решения задач оперативной оценки динамики гнойно-воспалительных процессов, протекающих во внутрибрюшной полости, околоносовых пазухах, при панкреонекрозе, оценки состояния костной ткани при переломах, для решения задач опреде ления границ резекции в хирургии. Доказано, что джоульметрические при боры обеспечивают воспроизводимость результатов при экспресс-оценке стадии воспалительного процесса в тканях и жидкостях. Показано, что джо ульметрические приборы, основанные на декомпозиционном методе, вы годно отличаются от предыдущих приборов и существенно упрощают про цедуру оценки активности воспалительного процесса.
10. Представлены обобщенные результаты проведенных биомеди цинских исследований, позволившие впервые установить полиномиаль ные зависимости, характеризующие динамику воспалительных процессов при абсцессах живота, риносинуите, панкреонекрозе, эмпиеме плевры. Ус тановлена высокая корреляция результатов джоульметрических парамет ров с результатами морфологических исследований. Это позволяет осуще ствлять процедуры прогнозирования тяжести состояния пациентов, опера тивно менять тактику терапии и принимать реабилитационные методы за благовременно.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии 1. Геращенко, С. М. Джоульметрические медицинские приборы и системы / В. И. Волчихин, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко // Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. – М. : РАН, 2008. – 131 с.
2. Геращенко, С. М. Методы обработки информации в джоульмет рических системах экспресс-контроля состояния биологических объектов / С. М. Геращенко. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. – 130 с.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 3. Геращенко, С. М. Джоульметрические информационно измерительные системы контроля биологических объектов / С. М. Гера щенко // Вестник Самарского государственного технического университе та. Серия «Технические науки». – 2005. – № 33. – С. 211–214.
4. Геращенко, С. М. Выбор оптимальной структуры нейросети для фильтрации сигнала в задаче джоульметрического метода оценки состоя ния биологических объектов / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, И. Ю. Мартынов // Известия Таганрогского государственного радиотехни ческого университета (ТРТУ). – 2006. – № 11(66). – С. 68–69.
5. Геращенко, С. М. Диагностика гайморитов прибором «ДИВО» / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, В. Т. Елистратов, Л. Г. Комарова, В. Н. Мишин, Н. Н. Янкина, И. Ю. Мартынов // Новые промышленные технологии. – 2006. – № 3. – С. 54–56.
6. Геращенко, С. М. Оптимизация выбора структуры нейросетевого классификатора с помощью метода рейтинговых оценок в джоульметриче ских системах распознавания состояния биологических объектов / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, В. Т. Елистратов и др. // Новые про мышленные технологии. – 2006. – № 4. – С. 57–61.
7. Геращенко, С. М. Разработка новых медицинских приборов и систем для экспресс-диагностики состояния биологических объектов и реализации тканесохраняющих методик проведения операций / С. М. Ге ращенко, С. И. Геращенко, В. Т. Елистратов и др. // Новые промышленные технологии. – 2008. – № 5. – С. 15–18.
8. Геращенко, С. М. Оценка параметров линейных динамических моделей биологических тканей / С. М. Геращенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2008. – № 3. – С. 63–70.
9. Геращенко, С. М. Оптимизация структуры нейросетевого клас сификатора, используемого при диагностике в оториноларингологии / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, Н. Н. Янкина, И. Ю. Мартынов, В. С. Абубекирова // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. – 2008. – № 3–4. – С. 53–57.
10. Геращенко, С. М. Комбинированный джоульметрический метод на базе робастных регуляторов / Н. О. Голотенков, С. М. Геращенко // Из вестия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические нау ки. – 2008. № 1. – С. 105–112.
11. Геращенко, С. М. Джоульметрический метод контроля объектов с ионной проводимостью // Известия высших учебных заведений. Поволж ский регион. Технические науки. – 2008. – № 2. – С. 106–114.
12. Геращенко, С. М. Использование нейросетевого классификатора для идентификации новообразований / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, Н. Н. Янкина, Ф. Ш. Енгалычев // Нейрокомпьютеры: разработка, приме нение. – 2008. – № 9. – С. 77–79.
13. Геращенко, С. М. Джоульметрический декомпозиционный метод контроля состояний биологических объектов и его реализация / С. М. Ге ращенко, А. А. Митин, С. И. Геращенко // Известия высших учебных заве дений. Поволжский регион. Технические науки. – 2009. – № 4. – С. 93–100.
14. Геращенко, С. М. Вопросы моделирования электрохимических методов и средств контроля динамики воспалительных процессов / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, Е. В. Кучумов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2010. – № 3. – С. 165–172.
15. Геращенко, С. М. Построение замкнутой математической модели электрохимических методов и средств оценки состояния биологических объектов / С. М. Геращенко // Известия высших учебных заведений. По волжский регион. Физико-математические науки. – 2011. – № 2. – С. 90–97.
16. Геращенко, С. М. Исследование взаимосвязи джоульметрических параметров с воспалительными изменениями тканей пародонта / С. М. Ге ращенко, П. В. Иванов, Л. А. Зюлькина и др. // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 6. – URL: www.science-education.ru/100 5086 (дата обращения: 24.12.2011).
Патенты РФ 17. Пат. 2217049 Российская Федерация. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство для его осуществления / Волчихин В. И., Енгалычев Ф. Ш., Геращенко С. М., Сергеев С. В., Янкина Н. Н., Голотенков Н. О. ;
патентообладатель Пензенский государ ственный университет. – № 2002102164/14 ;
заявл. 23.01.2002 ;
опубл.
27.11.2003, Бюл. № 33.
18. Пат. 2218077 Российская Федерация. Устройство для прогно зирования динамики воспалительного процесса / Волчихин В. И., Гера щенко С. И., Геращенко С. М., Енгалычев Ф. Ш., Чистова Ю. С., Ива нов А. В. ;
патентообладатель Пензенский государственный университет. – № 2002102163 ;
заявл. 23.01.2002 ;
опубл. 10.12.2003, Бюл. № 34.
19. Пат. 2224458 Российская Федерация. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство для его осуществления / Волчихин В. И., Енгалычев Ф. Ш., Геращенко С. И., Геращенко С. М., Ки реев А. В., Голотенков Н. О. ;
патентообладатель Пензенский государст венный университет. – № 2002108201 ;
заявл. 01.04.2002, опубл.
27.02.2004, Бюл. № 6.
20. Свидетельство на полезную модель РФ № 24088. Устройство для диагностики заболеваний и лечения слизистой оболочки придаточных пазух носа / Сергеев С. В., Геращенко С. М., Никольский В. И. ;
патенто обладатель Пензенский государственный университет. – № 2002104189/ ;
заявл. 18.02.2002 ;
опубл. 27.07.2002, Бюл. № 21.
21. Пат. 2264796 Российская Федерация. Устройство для контроля состояния дистракционного костного регенерата / Геращенко С. И., Кис лов А. И., Геращенко С. М., Янкина Н. Н., Кибиткин А. С., Спиридонов В. А. ;
патентообладатель Пензенский государственный университет. – № 2003132627/14 ;
заявл. 06.11.2003 ;
опубл. 27.11.2005, Бюл. № 33.
22. Пат. 2338461 Российская Федерация. Устройство для диагности ки состояния биологических объектов / Геращенко С. И., Геращенко С. М., Капустин К. А., Мартынов И. Ю. ;
патентообладатель Геращенко С. И. – № 2006130943/14 ;
заявл. 28.08.2006 ;
опубл. 20.11.2008, Бюл. № 32.
23. Свидетельство на полезную модель РФ № 86431. Диагностиче ский датчик / Геращенко С. И., Геращенко С. М., Калашникова С. Ю., Логинов С. Н., Сергацкий К. И., Юткина Е. Г. ;
патентообладатель Гера щенко С. И. – № 2009113522/22 ;
заявл. 10.04.2009 ;
опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25.
Публикации в других изданиях 24. Калашникова, С. Ю. Использование метода джоульметрии в ди агностике различных форм полипозного риносинуита / С. Ю. Калашнико ва, С. В. Сергеев, С. М. Геращенко // Российская оториноларингология. – 2009. – № 5 (42). – С. 63–66.
25. Геращенко, С. М. Цифровая фильтрация при джоульметриче ском контроле в медицине / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, Н. Н. Ян кина, И. Ю. Мартынов, А. И. Кислов, А. С. Кибиткин // Мир измерений. – 2006. – № 12. – С. 102–105.
26. Геращенко, С. М. Многопараметрические джоульметрические системы контроля / С. М. Геращенко // Известия высших учебных заведе ний. Поволжский регион. Серия «Медицинские науки». – 2002. – № 2. – С. 98–103.
27. Геращенко, С. М. Оценка состояния костного регенерата джо ульметрическим методом / С. М. Геращенко, С. И. Геращенко, А. И. Ки слов, Н. Н. Янкина, А. С. Кибиткин // Известия высших учебных заведе ний. Поволжский регион. Медицинские науки. – 2007. – № 1. – С. 12–22.
28. Геращенко, С. М. Обеспечение электробезопасности джоуль метрического медицинского аппаратно-программного комплекса / С. М. Геращенко, Д. А. Толмачев, Ф. Ш. Енгалычев, Н. Н. Янкина, Н. О. Голотенков, А. В. Иванов // Надежность и качество : труды Между народного симпозиума (Россия, Пенза, 21–31 мая 2001 г.). – Пенза : Инф. изд. центр ПензГУ, 2001 – С. 411–413.
Научное издание ГЕРАЩЕНКО Сергей Михайлович ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ Специальность 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения Редактор Ю. В. Коломиец Технический редактор А. Г. Темникова Компьютерная верстка А. Г. Темниковой Распоряжение № 12/2012 от 27.02.2012.
Подписано в печать 28.02.2012. Формат 60841/16.
Усл. печ. л. 1,86. Заказ № 34. Тираж 100.
Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33;
e-mail: [email protected]