|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Дацок Олег Михайлович
УДК 615.47:616-074
МЕТОД ТА ПРИЛАД ВІДЦЕНТРОВОЇ СЕДИМЕНТАЦІЇ
ФОРМОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ КРОВІ
05.11.17 - Медичні прилади та системи
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків –2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти та науки України
Науковий керівник:
кандидат технічних наук, професор
Мустецов Микола Петрович,
Харківський національний університет радіоелектроніки,
професор кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Манойлов В'ячеслав Пилипович,
Житомирський інженерно–технологічний інститут
Міністерства освіти та науки України,
завідувач кафедри медичних приладів та систем
кандидат технічних наук, докторант Поворознюк Анатолій Іванович,
Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”
Міністерства освіти та науки України,
професор кафедри обчислювальної техніки і програмування
Провідна установа:
АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань,
Національне космічне агентство України, м. Харків
Захист відбудеться " 5 " 10 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою:61166, Харків, пр. Леніна, 14.
Автореферат розісланий "3" 09 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради _______________ Мустецов М.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Дослідження швидкості осідання еритроцитів крові (ШОЕ) широко використовується в клінічній лабораторній практиці для діагностики запальних і ряду специфічних захворювань, а також для контролю за ходом їх лікування. Так, наприклад, вимір ШОЕ є обов'язковим при клінічних дослідженнях крові, при діагностиці ревматологічних, дерматологічних і алергологічних захворювань. У стандартній постановці тесту за Панченковим вимірюється висота стовпчика чистої плазми, що утворилася над осідаючими під дією сили ваги еритроцитами через одну годину після початку дослідження. Діапазон нормальних значень ШОЕ досить широкий (2-10 мм/год у чоловіків та 2-15 мм/год у дітей та жінок), тому, незважаючи на численні дослідження, не існує єдиного трактування як фізичної картини, так і діагностичної цінності показника седиментації, що дозволяє визначати його як обмежений диференційно-діагностичний тест. Характер осідання визначається кількістю еритроцитів, їх морфологічними, фізико-хімічними особливостями, агрегаційною здатністю та складом плазми крові. Процес осідання еритроцитів не є монотонним і його динаміка залежить не тільки від наявності або відсутності запалення, але і від загального стану людини, тому параметри динаміки осідання червоної крові можуть служити додатковими діагностичними показниками. Так, облік динаміки осідання за виміром сигма-ШОЕ, дозволяє підвищити ефективність діагностики псоріазу (з 74% при стандартній постановці тесту до 89%).
Оскільки дослідження динаміки седиментації формових елементів крові є надзвичайно трудомістким процесом, а відповідна апаратура відсутня, то розробка медичних приладів, що автоматизують визначення основних показників динаміки осідання, є актуальною.
Зв′язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану науково–дослідницьких робіт за темами “Дослідження і розробка системи інтегральної діагностики стану здоров'я людини за біоенергетичними показниками” № 177–1 (номер держреєстрації 0193U039088), “Розробка та впровадження в медичну практику комплексу діагностичних комп'ютерних систем” № 331 (номер держреєстрації 0193U039132) та науково-дослідної роботи Українського НДІ дерматології та венерології АМН України (номер держреєстрації 0197V015567, шифр ОК 46.97) “Розробка обладнання для діагностики лікарської хвороби та автоматизованого способу її етіологічної діагностики з урахуванням досліджень по вивченню швидкості осідання еритроцитів, навантажених медикаментозним алергеном”.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності седиментаційних досліджень крові шляхом розробки методики та приладу відцентрової седиментації формових елементів.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити ряд задач:
- визначити ступінь впливу на процес осідання зовнішніх фізичних полів та обґрунтувати метод формування поля, яке діє на пробу крові;
- розробити математичну модель седиментації еритроцитів в полі неоднорідних відцентрових сил з урахуванням існуючих фізичних та математичних моделей седиментації;
- оптимізувати параметри поля відцентрових сил та обґрунтувати метод автоматичного визначення межі розподілу фаз;
- розробити алгоритм первинної обробки інформації про динаміку процесу седиментації;
- на основі аналізу динаміки процесу відцентрової седиментації еритроцитів обґрунтувати застосування нового діагностичного показника для оцінки ступеня захворюваності людини.
Об′єкт дослідження – процес седиментації формових елементів крові при проведенні лабораторних досліджень.
Предмет дослідження - фізичні закономірності седиментації формових елементів крові
Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтуються на теорії диференційних рівнянь при побудові математичної моделі, теорії статистичної обробки даних при аналізі адекватності математичної моделі, оцінці ефективності алгоритму розподілу фаз та обробці експериментальних даних.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Розроблена нова модифікація двохфазової математичної моделі седиментації формових часток крові в тонкій довгій трубці для випадку поля неоднорідних вздовж осі відцентрових сил, що адекватно відтворює динаміку седиментації.
2. Обґрунтовано параметри поля відцентрових сил та метод автоматичного визначення межі розподілу фаз при відцентровій седиментації.
3. Розроблена методика обробки та відображення медико-біологічної інформації про динаміку седиментації.
4. Визначено ефективність нового діагностичного показника - часу досягнення максимальної швидкості седиментації крові в полі неоднорідних відцентрових сил.
Практичне значення отриманих результатів.
1. Результати, отримані в дисертаційній роботі, були використані при створенні апарата експрес-аналізу ШОЕ та при розробленні рекомендацій щодо медико-технічних вимог на засіб вимірювальної техніки медичного призначення (метрологічний сертифікат).
2. Запропоновано діагностичний показник для оцінки стану пацієнта на основі аналізу динаміки седиментації формових елементів крові в полі неоднорідних відцентрових сил.
3. Розроблена методика оцінки стану людини з метою виявлення лікарської хвороби була застосована при аналізі впливу неспецифічних алергенів в лабораторії імунології Українського НДІ дерматології та венерології (акт про впровадження).
4. Теоретичні та практичні питання побудови приладу відцентрової седиментації еритроцитів використовуються в навчальному процесі ХНУРЕ при проведенні лекційних, практичних лабораторних занять за курсами “Проектування біотехнічних систем”, “Інженерні методи медико–біологічних досліджень” та “Методи математичної фізики” (акт про впровадження в навчальному процесі ХНУРЕ).
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що складають сутність роботи і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового і практичного значення, отримані автором самостійно. У роботах, що опублікована у співавторстві, здобувачу належить розробка двохфазової математичної моделі седиментації формових часток крові в тонкій довгій трубці в полі неоднорідних вздовж вісі відцентрових сил [3], розробки методу визначення межі розподілу фаз [4], обґрунтування характеру седиментаційних кривих [2,6] та діагностичних показників [5,6].
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були подані на міжнародній науково–технічній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (Туапсе, жовтень 2001), на конференціях “Молодь і електроніка в XXI ст.” (Харків, квітень 2002-2003), IX-XI міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я (MicroCAD)” (Харків, травень 2001-2003), на XXI міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки” (Київ, червень
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 робіт ( 5 статей в наукових виданнях, що входять до переліку ВАК, 1 – в спеціалізованому виданні, та
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації становить 166 сторінок, має 85 ілюстрацій, 17 таблиць, 5 додатків, список використаних джерел містить 167 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, проведено короткий огляд стану проблеми, визначені задачі дослідження, зв′язок з програмами і темами НДР, сформульовано мету роботи та науково–технічні задачі, визначено особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, дана інформація про апробації результатів дисертаційних досліджень.
У першому розділі проаналізовані функції крові в підтримці гомеостазу організму, та зв’язок показників крові з функціональним станом людини, визначено значення дослідження фізичних, а саме седиментаційних, показників крові.
Процес осідання еритроцитів визначається їх фізико-хімічними характеристиками: швидкістю агрегації, початковою концентрацією у об’ємі крові, що досліджується, поверхневим зарядом, деформованістю та білковим складом плазми. При осіданні стовпчик крові в капілярі поступово розділяється на три зони: зона чистої плазми, зона еритроцитів, що осідають, та компактна зона.
Осідання часток суспензій, що агрегують, є нестійким стосовно малих змін однорідного розподілу еритроцитів у перетині капіляра. Випадкові зовнішні впливи і флуктуації можуть привести до утворення агрегаційних комплексів, що будуть швидко осідати, захоплюючи за собою дрібні агрегати, оскільки сила ваги зростає швидше за силу опору з боку навколишньої рідини. При цьому і динаміка осідання, і значення часового показника будуть сильно варіювати, ускладнюючи діагностику.
Поряд з біологічними компонентами на величину ШОЕ впливають також фактори навколишнього середовища та інші специфічні умови експерименту, такі як зовнішнє магнітне поле (за рахунок парамагнітної властивості гемоглобіну еритроцитів), температура, час пробопідготовки, геометричні розміри (довжина і внутрішній діаметр) і матеріал капіляра, а також його розташування відносно вертикалі.
Найпростіший облік динаміки ШОЕ дозволяє обчислити величину сигма-ШОЕ як суму значень, які фіксуються через рівні проміжки часу. Встановлено, що сигма-ШОЕ більш об'єктивно відображає динаміку псоріатичної хвороби в порівнянні з ШОЕ за Панченковим і, отже, є більш інформативним показником.
Дослідження фракційної реакції осідання еритроцитів (ФРОЕ) - дискретної реєстрації висоти стовпа чистої плазми кожні 5-15 хвилин протягом 23 годин дозволяє оцінити динаміку процесу і ввести нові діагностичні показники. Встановлено, що процес осідання еритроцитів не є монотонний, а динаміка процесу залежить не тільки від наявності або відсутності запалення, але й від загального стану людини. Параметри динаміки осідання відрізняються для крові здорових донорів та хворих і також можуть використовуватися для діагностики. Для спостереження динаміки ШОЕ необхідно багаторазове фіксування лаборантом границі розподілу "плазма-еритроцити", що може внести істотну похибку у побудову ШОЕ-грами.
Експериментальні дослідження з пробами крові здорових донорів показують, що границя розподілу фаз є розмитою. Це спричиняє значні (до 12%) похибки у визначенні ШОЕ та зниження вірогідності результатів. Для автоматизації визначення ШОЕ необхідно контролювати границю розподілу фаз при осіданні еритроцитів, що може бути здійснено оптичним методом. Використання даного методу вимагає рішення ряду задач: вибір та обґрунтування джерела і приймача випромінювання, обґрунтування методу отримання зображення границі розподілу фаз, вибір та обґрунтування алгоритму обробки зображення та розробка методики відображення результатів.
На основі аналізу можливих методів прискорення ШОЕ, показано, що седиментація в полі відцентрових сил є найбільш прийнятною.
Проведені експериментальні дослідження та аналіз графіків осідання еритроцитів у полі сил тяжіння та у полі відцентрових сил (рис. 1.а, б) показали, що значення показників седиментації в характерних відліках часу корелюють, а деякі розходження в характері седиментаційних кривих можуть бути пояснені неоптимальними умовами експерименту.
Таким чином, аналіз динаміки ШОЕ в полі відцентрових сил є більш ефективним у порівнянні зі стандартним тестом, однак, значна трудозатратність результатів виміру обмежує застосування даного методу в медичній практиці. Отже, розробка нових методів і засобів автоматизації виміру ШОЕ є актуальною задачею. Для реалізації методу відцентрової седиментації необхідно вирішити ряд наукових і технічних задач: провести теоретичний аналіз процесу осідання формених елементів крові у полі відцентрових сил; оптимізувати параметри центрифугування; обґрунтувати оптимальний метод реєстрації границі розподілу фаз та вибрати метод відображення результатів виміру ШОЕ.
У другому розділі проведено аналіз існуючих фізичних та математичних моделей осідання еритроцитів, показано, що двохфазова модель (тверда фаза – формові елементи крові, рідинна фаза – плазма крові) адекватно відтворює характер седиментації.
Осідання часток, що агрегують, у тонкій довгій трубці в неоднорідному уздовж осі трубки полі відцентрових сил описується системою рівнянь, які випливають із законів збереження маси та імпульсів фаз, а також балансовим рівнянням для повного числа агрегатів N в одиниці об'єму середовища:
 (1)
де  ,  ,  – щільність, швидкість і тиск фаз відповідно,
 - сили міжфазової взаємодії,
 - швидкість утворення агрегатів,
 – поле відцентрових сил,  ,
 - частота обертання диска з капілярами,
 - відстань від позначки “0” капіляра до осі обертання.
Для опису сталого осідання еритроцитів з (1) отримаємо систему квазилінійних рівнянь першого порядку в частинних похідних:
 (2)
де -  , - дійсні щільності еритроцитів і плазми відповідно,
 – об'ємна концентрація еритроцитів,
 - середній об’єм агрегатів,
 - в'язкість плазми,
 - швидкість агрегації еритроцитів,
 - безрозмірна функція, яка на підставі результатів віскозиметрії крові може бути записана у вигляді  .
Початкові та граничні умови для системи (2) мають вигляд:
 ,  при  ;
 при  ,
де  - початкова висота стовпа еритроцитів, які осідають.
Рішення системи (2) знайдено методом характеристик. Введемо безрозмірні величини  ,  ,  ,  ,  , де  - швидкість осідання, а  - об’єм еритроцита.
Рівняння характеристик та умови на них мають вигляд:
I.  уздовж  (3)
II.  уздовж  (4)
де  ;  ;  .
Рішення системи (2) знаходиться в області, обмеженій характеристиками сімейств I та II, що виходять з точок О(0,0), А(0,1), та відрізком ОА координатної осі (рис. 2а). Точки О та А відповідають вершині та дну седиментаційної трубки. На ОА виконуються умови в безрозмірному вигляді:  ,  . Система (2) допускає розриви, умови на яких в безрозмірних змінних мають вигляд:
 ;  , (5)
де індекси  та  відносяться до руху середовища по різні сторони від лінії розриву характеристики, що рухається зі швидкістю  .
Один розрив, який відокремлює верхній шар чистої плазми ( ) від шару агрегатів, що осідають ( ), має місце завжди. З (3) випливає, що траєкторія цього розриву збігається з характеристикою ОВ сімейства I. Для характеристик першого сімейства  , оскільки  . Нахил кривої  залежить від початкової концентрації еритроцитів у пробі крові  (рис. 2б).
Через кожну точку відрізку ОА (рис. 2а) проходить пара характеристик обох сімейств. Якщо  (рис. 2б), то в точці А бере початок сімейство характеристик, нахил яких безупинно зменшується від  до  , де  відповідає максимально можливому упакуванню еритроцитів в осаді.
При  нахил характеристик спочатку зростає зі збільшенням концентрації ( ), а потім зменшується ( ), тобто рішення задачі в областях ОВА і САВ безупинно не стикуються, отже у точці А має місце розрив, обумовлений співвідношенням (5). Після утворення розриву при  варто шукати рішення системи (2) на інтервалах  та  окремо, а потім зшивати рішення, використовуючи (5) та умови  .
Для характеристик другого сімейства  тільки при  . При стандартному розведенні крові антикоагулянтом (4:1) ця умова порушується тільки при вкрай низьких вихідних показниках гематокрита ( ). Отже, на всьому діапазоні фізіологічних концентрацій еритроцитів розв’язання задачі (2) існує.
В результаті чисельного дослідження системи (2) отримані розподіли концентрацій  і об’єму агрегатів  в області ОАВ (див. рис. 2а), положення характеристик обох сімейств  і  , а також значення параметра  - моменту часу, починаючи з якого вплив дна капіляра позначається на русі границі розподілу зон чистої плазми й агрегатів, що осідають. Фізично це означає, що зона агрегатів, які осідають, при  відсутня і нижче зони чистої плазми розташована тільки компактна зона, у якій відбувається ущільнення агрегатного кістяка та фільтрація плазми у верхню зону. При  рух границі розподілу сповільнюється, тому  є часом досягнення максимальної швидкості осідання – діагностично значимий показник.
Для перевірки адекватності моделі виконані за стандартною методикою експериментальні дослідження залежності від часу висоти стовпа плазми  та швидкості осідання  характерні для проб крові здорового донора (рис. 2а, б).
Адекватність фізичної та математичної моделі підтверджується експериментально.
У третьому розділі розглянуті особливості технології проведення аналізу, обґрунтована методика реєстрації вимірювальної інформації та формування поля відцентрових сил, синтезована структурна схема пристрою, а також проаналізовані основні джерела завад при визначенні ШОЕ та методи їх усунення.
Технологія проведення експрес-аналізу ШОЕ відповідає стандартній, а змінюється лише метод вимірювання, що не призводить до зміни режиму лабораторного аналізу.
Аналіз відомих методів реєстрації границі розділу фаз підтверджує перспективність застосування оптоелектронного методу, суть якого полягає в реєстрації границі за допомогою джерела світла і лінійки фотоприймачів (рис. 3а).
Обґрунтовано вимоги до джерела та приймача оптичного випромінювання, елементів оптичного каналу. Проаналізовані та обґрунтовані параметри механічної частини приладу, що дозволило вибрати параметри вимірювального диску з використанням стандартних капілярів та з дотриманням санітарних норм (рис. 3б).
При вертикальному розташуванні диску (рис. 4а) на пробу крові впливають як відцентрова так і сила земного тяжіння. У процесі обертання відцентрова сила завжди спрямована від центра диска уздовж капіляра з кров'ю. Сила земного тяжіння змінює напрямок впливу на кут 2 щодо осі капіляра за один оберт диска центрифуги, тому осідання еритроцитів здійснюється під дією поля неоднорідної відцентрової сили з прискоренням в межах (n±1)g, де n - параметр, що характеризує величину відцентрової сили.
При горизонтальному розташуванні диска напрямок впливу сили ваги в процесі центрифугування не змінюється, що приводить до седиментації еритроцитів у напрямку, перпендикулярному основному осіданню (рис. 4б). У результаті формується градієнт в'язкості проби крові в напрямку, перпендикулярному основному осіданню, що призводить до зміни характеру седиментаційних кривих. Візуальне спостереження розподілу еритроцитів у такому капілярі дозволило встановити причину нестійкості осідання - утворення пробок з конгломератів еритроцитів, які осідають на стінках капіляру (рис. 4в).
Таким чином, вертикальне розташування диску дозволило сформувати поле відцентрових сил, в якому виникнення завад процесу седиментації є неможливим.
Теоретично розрахований та експериментально підтверджений вибір діапазону швидкості обертання диска центрифуги, що визначає величину відцентрової сили, яка діє на еритроцити та їхні агрегати. Вплив на еритроцити поля відцентрових сил 200–600 g не змінює властивостей часток крові, а при великих прискореннях спостерігається явище деформабельності еритроцитів, у результаті чого змінюються їх фізичні та хімічні властивості. При центрифугуванні проб крові з різною швидкістю були отримані наступні результати (рис. 5а, б).
При низьких (~300 об/хв) обертах диска центрифуги крива, що характеризує динаміку осідання еритроцитів носить нестійкий характер. При великих обертах диска (~900 об/хв) внаслідок того, що на еритроцити, які знаходяться на периферії діє велика відцентрова сила, відбувається розшарування біопроби, що істотно спотворює динаміку ШОЕ (наявність “плато” на графіку рис. 5б). При обертах диска 600 об/хв характеристика носить S-подібний характер, що найбільш точно відповідає динаміці ШОЕ, дослідженій за стандартною методикою.
Проаналізовані джерела похибок, які впливають на результати вимірювання ШОЕ, виділений ряд характерних груп. Найбільшу складову частину становлять методичні похибки (підготовка біопроб). Зменшення впливу похибок даної групи можна досягти завдяки строгому дотриманню підготовчих процедур. Апаратні похибки, серед яких слід виділити похибки зчитування, нестабільність центрифугування, похибки відображення та ін., визначаються особливостями побудови технічного засобу, використаного в ньому програмного й алгоритмічного забезпечення. Їхня величина оцінена під час метрологічних випробувань, що підтверджує метрологічний сертифікат.
У четвертому розділі розглянуті особливості отримання та алгоритми первинної обробки інформації про хід процесу седиментації.
В результаті аналізу особливостей формування бінарного масиву вимірювальної інформації при оптичному методі реєстрації результатів седиментаційних досліджень встановлено, що границя розподілу фаз є розмитою, крім того, можливе розшарування біопроби при центрифугуванні призводить до істотного спотворення результатів виміру (рис. 6).
Для попередньої обробки інформації формується ковзна рамка шириною n з позиції першого нуля в масиві, після чого підраховується кількість одиниць у ній.
У такий спосіб перекривається наступний фрагмент масиву, який піддається аналогічній граничній обробці. Якщо число одиниць у рамці менше заданого, то сканування масиву в даному напрямку припиняється і призначається границя G1. Наступним етапом обробки є сканування інформаційного масиву з протилежного кінця. При цьому послідовність дій залишається тією ж, але всі операції проводяться для значень елементів, протилежних описаним вище - рух рамки проходить у напрямку праворуч-ліворуч (від дна капіляра). Призначається рамка при зустрічі першої одиниці, а граничне обмеження встановлюється на кількість нулів. При невиконанні граничної умови переміщення рамки продовжується до позиції, наступної за аналізованою рамкою одиниці. При числі одиниць у фрагменту, що перекривається рамкою, меншому встановленого порога, сканування масиву припиняється й призначається границя G2 на позиції елемента перед останньою аналізованою рамкою. Потім знаходиться середнє арифметичне двох отриманих значень границь і округляється до цілого числа, що є позицією границі (рис. 7).
Проведено порівняння запропонованого алгоритму з розробленими раніше [4] за параметрами границі як випадкової величини. Аналіз даних показав, що запропонований алгоритм має кращі статистичні показники. Ефективність роботи алгоритму підтверджена експериментальними дослідженнями.
- ШОЕg - значення часового показника при гравітаційному осіданні;
- ШОЕц - значення хвилинного показника при осіданні в центрифузі;
 - час досягнення максимуму при гравітаційному осіданні; - час досягнення максимуму при осіданні в поле відцентрових сил;
Для оцінки інформативності седиментаційних показників проведена обробка результатів обстеження 92 пацієнтів з використанням методів математичної статистики (табл. 3,4).
Статистична обробка приведених показників дозволяє виділити більш інформативні з числа розглянутих (див. табл. 3), оскільки CKВ(%) для  має мінімальне значення при однорідності вибірки.
| 
