Розробка статичного та динамічного еквівалентів живих тканин та методики їх застосування
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Сніцар Є.В. Розробка статичного та динамічного еквівалентів живих тканин та методики їх застосування. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 163 – «Біомедична інженерія». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, м. Київ, 2024.
Робота виконувалася на кафедрі біомедичної інженерії факультету Біомедичної інженерії Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі – розробці статичного та динамічного еквівалентів живих тканин та методики їх застосування при розробці та дослідженні електрохірургічної апаратури. В роботі обґрунтовано розробку теоретичних моделей статичного та динамічного еквівалентів живих тканин, створено робочі макети статичного та динамічного електричних імітаторів живих тканин. Розроблено методику використання електричного статичного імітатора живих тканин при діагностичних дослідженнях пацієнтів у доопераційний період. Розроблено методику використання електричного динамічного імітатора живих тканин на початкових етапах розробки та дослідження електрохірургічної апаратури. Проведений огляд та аналіз літературних джерел за темою дослідження формулює розуміння наявності проблем при розробці та дослідженні електрохірургічної апаратури. Сучасний етап розвитку електрохірургічної апаратури тісно пов’язаний з актуальними проблемами визначення життєздатності тканин організму та їх придатності до застосування електрохірургічної апаратури в процесі хірургічних втручань, автоматизації процесів зварювання, особливо – зварювання патологічно змінених живих тканин та автоматизації вибору режимів зварювання. На даний момент вирішення цих проблем відбувається шляхом проведення експериментальних доклінічних досліджень на біологічних еквівалентах живих тканин, та з використанням лабораторних тваринах. Але такий шлях веде до появи нових проблем, що може призвести до відсутності репрезентативності результатів; неможливість або важкість визначення точного віку тварини, з якої був отриманий зразок у відношенні до віку людини; необхідність використання в експерименті зразків з певними патологічними змінами, які не завжди можна отримати у свійської свині, у тому числі й зі сторони етичних аспектів. Основний зміст дисертаційного дослідження викладений у чотирьох розділах, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про зв’язок роботи з науковими програмами, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено наукові праці, які засвідчують апробацію матеріалів дисертації. У першому розділі дисертаційної роботи «Аналітичний огляд літератури» проведено аналіз основних тенденцій і проблем на кожному з етапів розробки електрохірургічної апаратури, розглянуто біофізичні характеристики живих тканин та їх властивості в електричному полі. Приділили велику увагу проблематиці проведення практичних експериментів з етичної за законодавчої точки зору. Другий розділ дисертаційного дослідження «Електричні еквіваленти живих тканин» присвячений аналізу наявних підходів, щодо заміщення біологічних тканин при експериментальних дослідженнях, та розробці нових актуальних теоретичних еквівалентів. Згідно з теоретичною моделлю, запропонованою Худецьким І.Ю., було розроблено еквівалентну схему електричну принципову заміщення живих біологічних тканин різних типів. Вона передбачає можливість задання різноманітних параметрів резисторів для імітації активних опорів шкіри (Rші), резисторів для імітації активних опорів м’язової тканини (Rmі) та конденсаторів (Cі), які моделюють реактивний опір біологічних тканин. При дії електрохірургічної апаратури на живі тканини їх показники імпедансу та активного опору змінюються динамічно, тому для розробки динамічного імітатора живих тканини в процесі впливу електрохірургічної апаратури запропонована модель еквівалентної динамічної схеми заміщення живих біологічних тканин різних типів з змінними параметрами(на основі Фріке), що дає можливість реалізації еквівалентів будь-яких тканин за допомогою використання змінних резисторів та конденсаторів для дослідження їх поведінки в умовах електротермічних впливів в процесі обробки та з’єднання (зварювання). У третьому розділі «Розробка статичного та динамічного еквівалентів живих тканин» описано розроблену схему електричну принципову імітатора електричного еквіваленту живих тканин різного стану життєздатності для неінвазивного дослідження за розробленою моделлю на основі моделі Коула. Для створення макету розроблено його дизайн та підібрано відповідні компоненти. Було проведено випробування роботи імітатора та отримані осцилограми на частотах 1 кГц, 10 кГц, 66 кГц, 200 кГц амплітудах 1,5 та 5 В. Для створення макета динамічного еквіваленту живих біологічних тканин (що імітує поводження живих тканин при інвазивних дослідженнях), за основу було взято теоретичну модель еквівалентної динамічної схеми для заміщення живих біологічних тканин різних типів та їх поведінки в умовах електротермічних впливів в процесі обробки та з’єднання на основі моделі Фріке. Було розроблено електричну принципову схему макета динамічного еквіваленту живих біологічних тканин різних типів та їх поведінки в умовах електротермічних впливів, підібрано компоненти за зібрано робочий макет. Для обробки отриманих даних запропоновано метод обробки дослідних синусоподібних кривих двох напруг, з визначенням кута зсуву фаз між ними за допомогою математичного пакета MathCAD. Використання запропонованого методу автоматизує процес обробки отриманих під час експериментів даних та на порядок пришвидшує процедуру їх аналізу. У четвертому розділі «Експериментальні дослідження» викладено методологія проведення дослідження характеристик біоімпедансу з залученням волонтерів, отримано показники імпедансу неураженої тканин через шкіру, для різних вікових груп. Критеріями включення слугували зрілий вік та похилий вік (від 21 до 74 років), та відсутність виражених патологій. Осцилограми зняті на частотах 1 кГц, 10 кГц, 66 кГц, 200 кГц, було оброблено у середовищі Mathcad, згідно отриманих даних - побудовано графіки залежності ємнісного опору від частоти, для кожної з вікових груп. Отримані результати було порівняно з роботою макета імітатора електричного еквіваленту живих тканин різного стану життєздатності для неінвазивного дослідження за моделлю на основі моделі Коула. Далі було розроблено та проведено експериментальне дослідження для зняття показів активного та ємнісного опорів м’язової тканини при дії електрохірургічної апаратури в різні моменти часу. Дослідження проводилось із залученням біологічних зразків тваринного походження, а саме свині свійської, було досліджено сорок зразків біологічних моделей живих тканин в процесі зварювання з застосуванням електрохірургічної апаратури «БТА-300 М1». Заміри для визначення кута зсуву фаз знімались на трьох частотах 1 кГц, 66 кГц, 200 кГц. Згідно з отриманих даних було сформовано залежності зміни активного та реактивного опорів при дії електрохірургічної апаратури відносно часу. З проведеного аналізу графіків видно динаміку зменшення активного опору в період від 1 до 4 секунд, що характеризує процес руйнування мембран клітин, далі проходить процес кипіння - опір стабільний 200-400 Ом, рідина випаровується і опір росте, на цьому процес зварювання завершується, якщо продовжити вплив ВЧ тканина просто висохне і опір буде прагнути до безкінечності.. Знайдені залежності було застосовано для програмування роботи динамічного імітатора шляхом рівняння апроксимуючої поліноміальної кривої для середнього значення активного опору: y = 83,119x2 - 546,64x + 1100,6, рівняння апроксимуючої поліноміальної кривої для середнього значення реактивного опору при частоті 1кГц: y = 119,01x2 - 715,69x + 1252, рівняння апроксимуючої поліноміальної кривої для середнього значення реактивного опору при частоті 66 кГц: y = 46,532x2 - 433,37x + 1157, рівняння апроксимуючої поліноміальної кривої для середнього значення реактивного опору при частоті 200 кГц: y = 119,41x2 - 703,88x + 1039,3. Проведені порівняльні дослідження роботи макета статичного імітатора імітатора електричного еквіваленту живих тканин різного стану життєздатності, для неінвазивного дослідження з показами імпедансу отриманими при дослідженнях з волонтерами дають змогу стверджувати - запропонований нами статичний еквівалент дозволяє проводити дослідження придатності тканин організму людини до зварювання і проводити такі дослідження без залучення волонтерів та біологічних тканин. Проведені порівняльні дослідження роботи макета динамічного еквіваленту живих біологічних тканин різних типів та їх поведінки в умовах електротермічних впливів та вимірів отриманих при дослідженні активного та ємнісного опорів м’язової тканини при дії електрохірургічної апаратури в різні моменти часу, дозволяють стверджувати про можливість застосування розробленого динамічного електричного еквіваленту біологічних тканин різних типів в умовах електротермічних впливів для, можливості побудови алгоритмів автоматизації зварювання живих тканин та обробки ран. Робота містить 66 рисунків, 13 таблиць, 158 літературних джерел та 2 додатки.
Опис
Ключові слова
зварювання біологічних тканин, електрохірургічний інструмент, імпедансометрія, медична діагностика, деструкція пухлин, модель, автоматизовані системи, медичні експертні системи, діагностика, електрозварювання м’яких тканин, моделювання, біологічна тканина, біологічні системи, життєздатність органу, параметри крові, welding of biological tissues, electrosurgical instrument, impedance measurement, medical diagnostics, tumor destruction, model, automated systems, medical expert systems, diagnostics, electrowelding of soft tissues, modeling, biological tissue, biological systems, organ viability, blood parameters
Бібліографічний опис
Сніцар, Є. В. Розробка статичного та динамічного еквівалентів живих тканин та методики їх застосування : дис. … д-ра філософії : 163 Біомедична інженерія / Сніцар Євген Вікторович. – Київ, 2024. – 164 с.