Розробка статичного та динамічного еквівалентів живих тканин та методики їх застосування
| dc.contributor.advisor | Худецький, Ігор Юліанович | |
| dc.contributor.author | Сніцар, Євген Вікторович | |
| dc.date.accessioned | 2024-09-02T08:36:07Z | |
| dc.date.available | 2024-09-02T08:36:07Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Snitsar Ye.V. Development of static and dynamic equivalents of living tissues and their application methods. – Qualified scientific work with the rights of the manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of philosophy on a speciality 163 – Biomedical engineering. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", MES of Ukraine, Kyiv 2024. Preparation was held in the Biomedical Engineering department of National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine. The dissertation is dedicated to the solution of an actual scientific and applied problem - the development of static and dynamic equivalents of living tissues and the methodology of their application in the development and research of electrosurgical equipment. The paper substantiates the development of theoretical models of static and dynamic equivalents of living tissues, creating working models of static and dynamic electrical simulators of living tissues. The method of using an electrical static simulator of living tissues during diagnostic examinations of patients in the preoperative period has been developed. The method of using an electric dynamic simulator of living tissues at the initial stages of development and research of electrosurgical equipment has been developed. The conducted review and analysis of literary sources on the research topic formulates an understanding of the existence of problems in the development and research of electrosurgical equipment. The current stage of development of electrosurgical equipment is closely related to the urgent problems of determining the viability of body tissues and their suitability for the use of electrosurgical equipment in the process of surgical interventions, automation of welding processes, especially welding of pathologically changed living tissues and automation of the selection of welding modes. Currently, these problems are solved by conducting experimental preclinical studies on biological equivalents of living tissues and using laboratory animals. But this way leads to the appearance of new problems, which can lead to the lack of representativeness of the results; the impossibility or difficulty of determining the exact age of the animal from which the sample was obtained in relation to the age of a person; the necessity of using samples with certain pathological changes in the experiment, which cannot always be obtained from a domestic pig, including from the side of ethical aspects. The main content of the dissertation research is presented in four chapters, in which the main results of the dissertation are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, formulates the purpose and tasks of the research, describes the research methods, provides information about the connection of the work with scientific programs, scientific novelty and practical significance of the obtained results, and provides scientific works that certify the approval of the materials of the dissertation. In the first chapter of the dissertation work "Analytical review of the literature" an analysis of the main trends and problems at each stage of the development of electrosurgical equipment was carried out, the biophysical characteristics of living tissues and their properties in the electric field were considered. Much attention is paid to the problems of conducting practical experiments from an ethical and legal point of view. The second chapter of the dissertation study "Electrical equivalents of living tissues" is devoted to the analysis of existing approaches to the replacement of biological tissues in experimental studies, and the development of new relevant theoretical equivalents. The developed theoretical model of the equivalent scheme of replacing living biological tissues of different types provides for the possibility of setting various parameters of resistors for simulating active resistances of skin (Rshi), resistors for simulating active resistances of muscle tissue (Rmі) and capacitors (Cі) that simulate the reactive resistance of biological fabrics When electrosurgical equipment acts on living tissues, their impedance and active resistance indicators change dynamically, therefore, for the development of a dynamic simulator of living tissues under the influence of electrosurgical equipment, a model of an equivalent dynamic scheme for replacing living biological tissues of various types with n heterogeneity (based on Fricke) is proposed, which gives the possibility of implementing equivalents of any fabrics by using variable resistors and capacitors to study their behavior under conditions of electrothermal effects in the process of processing and joining (welding). The third chapter "Development of static and dynamic equivalents of living tissues" describes the developed electrical principle diagram of the simulator of the electrical equivalent of living tissues of different viability states for non-invasive research according to the developed model based on the Cole model. To create a layout, its design was developed and the appropriate components were selected. The simulator was tested and oscillograms were obtained at frequencies of 1 kHz, 10 kHz, 66 kHz, 200 kHz and amplitudes of 1.5 and 5 V.. To create a model of the dynamic equivalent of living biological tissues (which simulates the behavior of living tissues during invasive studies), the theoretical model of the equivalent dynamic scheme for the replacement of living biological tissues of various types and their behavior under conditions of electrothermal effects during processing and connection based on the Fricke model was taken as a basis. The electrical schematic diagram of the layout of the dynamic equivalent of living biological tissues of various types and their behavior under conditions of electrothermal effects was developed, the components were selected and the working layout was assembled. To process the received data, a method of processing experimental sinusoidal curves of two voltages, with determination of the phase shift angle between them using the MathCAD mathematical package, is proposed. The use of the proposed method automates the process of processing data obtained during experiments and speeds up the procedure of their analysis by an order of magnitude. In the fourth chapter "Experimental studies" the methodology of conducting a study of bioimpedance characteristics with the involvement of volunteers is outlined, the impedance indicators of intact tissue through the skin for different age groups are obtained. Inclusion criteria were mature age and advanced age (from 21 to 74 years), and the absence of pronounced pathologies. The oscillograms were taken at frequencies of 1 kHz, 10 kHz, 66 kHz, 200 kHz, were processed in the Mathcad environment, according to the obtained data, graphs of the dependence of the capacitive resistance on the frequency were constructed for each of the age groups. The obtained results were compared with the work of the mock-up simulator of the electrical equivalent of living tissues of different viability states for noninvasive research based on the model based on the Cole model. Next, an experimental study was developed and carried out to take readings of active and capacitive resistance of muscle tissue under the action of electrosurgical equipment at different time points. The research was carried out with the involvement of biological samples of animal origin, namely domestic pigs, forty samples of biological models of living tissues were studied in the process of welding with the use of electrosurgical equipment "BTA-300 M1". Measurements to determine the phase shift angle were taken at three frequencies: 1 kHz, 66 kHz, 200 kHz. According to the obtained data, the dependences of changes in active and reactive resistances during the action of electrosurgical equipment with respect to time were formed. The analysis of the graphs shows the dynamics of the decrease in active resistance in the period from 1 to 4 seconds, which characterizes the process of destruction of cell membranes, then the boiling process takes place - the resistance is stable at 200-400 Ohms, the liquid evaporates and the resistance increases, at this point the welding process ends, if you continue under the influence of HF the fabric will simply dry out and the resistance will tend to infinity. The found dependencies were used to program the work of the dynamic simulator by the equation of the approximating polynomial curve for the average value of the active resistance: y = 83.119x2 - 546.64x + 1100.6, the equation of the approximating polynomial curve for the average value of the reactive resistance at a frequency of 1 kHz: y = 119.01x2 - 715.69x + 1252, the equation of the approximating polynomial curve for the average value of the reactive resistance at the frequency of 66 kHz: y = 46.532x2 - 433.37x + 1157, the equation of the approximating polynomial curve for the average value of reactive resistance at a frequency of 200 kHz: y = 119.41x2 - 703.88x + 1039.3. Conducted comparative studies of the layout of the static simulator of the simulator of the electrical equivalent of living tissues of different vitality states, for non-invasive research with impedance readings obtained during research with volunteers, allow us to assert that the static equivalent we have proposed allows us to conduct research on the suitability of tissues of the human body for welding and to conduct such research without involving volunteers and biological tissues. Conducted comparative studies of the work of the model of the dynamic equivalent of living biological tissues of various types and their behavior under conditions of electrothermal effects and measurements obtained during the study of active and capacitive resistance of muscle tissue under the action of electrosurgical equipment at different times allow us to assert the possibility of using the developed dynamic electrical equivalent biological tissues of various types under conditions of electrothermal effects for, the possibility of building algorithms for automating the welding of living tissues and wound treatment. The work contains 66 figures, 13 tables, 158 literary sources and 2 appendices. | |
| dc.format.extent | 164 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/68627 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | зварювання біологічних тканин | |
| dc.subject | електрохірургічний інструмент | |
| dc.subject | імпедансометрія | |
| dc.subject | медична діагностика | |
| dc.subject | деструкція пухлин | |
| dc.subject | модель | |
| dc.subject | автоматизовані системи | |
| dc.subject | медичні експертні системи | |
| dc.subject | діагностика | |
| dc.subject | електрозварювання м’яких тканин | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | біологічна тканина | |
| dc.subject | біологічні системи | |
| dc.subject | життєздатність органу | |
| dc.subject | параметри крові | |
| dc.subject | welding of biological tissues | |
| dc.subject | electrosurgical instrument | |
| dc.subject | impedance measurement | |
| dc.subject | medical diagnostics | |
| dc.subject | tumor destruction | |
| dc.subject | model | |
| dc.subject | automated systems | |
| dc.subject | medical expert systems | |
| dc.subject | diagnostics | |
| dc.subject | electrowelding of soft tissues | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | biological tissue | |
| dc.subject | biological systems | |
| dc.subject | organ viability | |
| dc.subject | blood parameters | |
| dc.subject.udc | [612.014.42:621.317]-048.24:616-07-089.12](043.3) | |
| dc.title | Розробка статичного та динамічного еквівалентів живих тканин та методики їх застосування | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: