Школа – конференция молодых ученых, аспирантов и студентов Биомедицинская инженерия –2007

Вид материала

Содержание

Используемая литература.
Рис.1 Архитектура телекардиологической сети
Рис.2 Блок-схема системы дистанционного обследования и диагностики с использованием IP-сети
Рис.3 Распределенная информационная система
Список литературы
Диагностика электромеханического модуля искусственного сердца с применением программного комплекса labview

Подобный материал:

Школа – конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Биомедицинская инженерия –2007»

Компьютерные системы в биологии и медицине, информационные технологии в биомедицинской инженерии

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА РАДИОТЕЛЕМЕТРИИ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГЕМОДИНАМИКИ У ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ ПРИ ВВЕДЕНИИ НОВОГО ВАЗОАКТИВНОГО ПЕПТИДА, ПРОИЗВОДНОГО АПОЛИПОПРОТЕИНА Е «COG1410»

Туховская Е.А., Ржевский Д.И., Хохлова О.Н., Мурашев А.Н.

Филиал Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова, Пущино

tukhovskaya@fibkh.serpukhov.su

Аннотация

Проведено исследование показателей гемодинамики у мышей CD-1 при введении пептида производного аполипопротеина Е «COG1410» с применением метода радиотелеметрии. Пептид вводили в дозах 0.6 мг/кг, 1.8 мг/кг и 6 мг/кг. В результате были обнаружены острая и продолжительная гипотензия и брадикардия после введения COG1410 в дозе 6 мг/кг. Использование метода радиотелеметрии позволило также установить, что введение пептида COG1410 не приводит к изменению циркадианных ритмов гемодинамики.

Доклад

Аполипопротеин Е (АроЕ) является преимущественным апобелком цереброспинальной жидкости [5, 12, 16], он активно экспрессируется в период повреждения нервной ткани глиальными и нейрональными клетками [1, 2, 17, 19]. АроЕ участвует в процессах нейропротекции, нейрональной пластичности и реабилитации при патологии ЦНС, что продемонстрировано в исследованиях на животных, дефицитных [5, 13] или трансгенных [4] по гену АроЕ. Терапевтический потенциал АроЕ при всех преимуществах очень низок, так как интактный апобелок не проникает через гематоэнцефалический барьер [11]. В этой связи был синтезирован пептид, повторяющий аминокислотную последовательность, локализованную в рецепторсвязывающем регионе АроЕ 138-149 с остатками аминоизобутировой кислоты в позициях 140 и 145, который был назван COG1410 [10]. В исследовании на мышиной модели черепно-мозговой травмы пептид COG1410 оказывал нейропротекторный эффект в дозе 0,6 мг/кг [9]. Однако, известно, что большие количества АроЕ способствуют экспрессии индуцибельной NO-синтазы (iNOS) [3, 8]. Этот факт позволяет предположить, что пептид COG1410, обладающий всеми свойствами апобелка, связанными с ApoE-рецепторным взаимодействием, будет стимулировать iNOS и синтез оксида азота (NO). Данные о совместной локализации АроЕ и iNOS в медиальных слоях сосудов представлены Zachary W. Q. Moore и David Y. Hui [20]. NO действует как вазодилататор, который вырабатывается клетками эндотелия сосудов, диффундируя к гладкомышечным клеткам и вызывая их расширение через образование цГМФ [14]. Так как пептид COG1410 активно изучается как нейропротектор с перспективой разработки на его основе лекарственного препарата, необходимо провести доклинические испытания его безопасности. Одним из обязательных международных требований к доклиническим испытаниям [7] является проведение исследований специфической токсичности на жизненно-важные системы органов, к числу которых относится сердечно-сосудистая система (ССС).

Целью нашей работы стало изучить влияние пептида COG1410 в разных дозах на гемодинамические параметры мышей, так как терапевтическая активность ранее показана для этих грызунов [9]. Наиболее подходящим методом для долговременного и детального изучения функций ССС является радиотелеметрия, которая позволяет отслеживать циркадианные колебания гемодинамических параметров, а также уловить и определить длительность гемодинамических реакций на то или иное воздействие [15]. Использовали самцов мышей линии CD-1. Мышам были имплантированы радиотелеметрические датчики для измерения артериального давления (PhysioTel TA11PA-C20, Data Science, Inc.). После восстановительного периода животным производили однократную болюсную инъекцию в хвостовую вену пептида COG1410 в дозах 0,6 мг/кг, 1,8 мг/кг и 6 мг/кг, контрольным животным вводили растворитель – 0,9% раствор натрия хлорида; объем введения составлял 1 мл/кг. Регистрация артериального давления велась в течение двух суток до и двух суток после инъекции с помощью радиотелеметрической системы сбора и анализа физиологических сигналов Data Science, Inc. Клетка с животным помещалась на приемник PhysioTel RPC-1, который усиливал и передавал сигнал датчика на блок сбора сигналов - Data Exchange Matrix. Для регистрации давления крови к блоку сбора сигналов подключали блок трансформации давления с учетом атмосферного давления - APR-1. Блок сбора сигналов подключали к аналого-цифровой плате (PCI Card CQ2240). Анализ сигналов с определением среднего артериального давления (САД) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) осуществлялся при помощи специальной программы Dataquest A.R.T. 3.01. Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета программ Statistica for Windows 7 тестом Duncan. Изменения исследуемых показателей считались с

татистически значимыми при Р<0,05.

Рисунок САД и ЧСС у мышей CD-1 в исходном состоянии и после введения COG1410 в дозах 0.6 мг/кг (А), 1.8 мг/кг (Б) и 6 мг/кг (В). Темные кружки – COG1410, светлые кружки – 0.9% NaCl. Стрелкой обозначен момент введения

На рисунке показано, что после восстановительного периода у экспериментальных животных наблюдалась нормальная циркадианная вариабельность гемодинамических параметров с повышенными уровнями артериального давления и ЧСС ночью, в период бодрствования грызунов. COG1410, введенный внутривенно в дозах 0.6 мг/кг (А) и 1.8 мг/кг (Б), не оказывал выраженного влияния на ССС. Длительная регистрация САД и ЧСС после введения пептида в этих дозах не выявила каких-либо изменений этих показателей по сравнению с параметрами контрольных животных. В дозе 6 мг/кг пептид вызывал выраженное снижение САД и ЧСС (В). Максимум снижения САД (-63±3 % относительно исходного уровня) наблюдался на 20-й минуте после введения. Понижение САД сохранялось на протяжении 4-х часов, затем восстанавливалось практически до контрольного уровня. ЧСС при этой дозе также понижалась, начиная со 2-ой минуты, и на протяжении 2-х часов оставалась пониженной. Максимум падения ЧСС приходился на 20-ю минуту (-47±8% от исходного уровня).

Продолжительные гипотензия и брадикардия, отмеченные при введении мышам COG1410 в дозе 6 мг/кг, следует расценивать как одно из проявлений токсического действия пептида на ССС. Следует отметить, что доза пептида, при которой проявились его гемодинамические эффекты, превосходит терапевтическую дозу в 10 раз. Предполагаемый механизм подобного некомпенсированного падения САД и ЧСС – экспрессия iNOS в сосудах и сердечной мышце [6, 18] в ответ на стимуляцию ApoE-рецепторов. COG1410, последовательность которого является частью ApoE-рецептор-связывающего домена, в большой дозе, вероятно, взаимодействовал с ApoE-рецепторами, которыми богаты сердце и сосуды, вовлекая их в острый и продолжительный ответ. Полученные результаты радиотелеметрического исследования позволяют прогнозировать побочное действие пептида COG1410 на сердечно-сосудистую систему при передозировке. Таким образом, можно заключить, что радиотелеметрическая методика регистрации показателей гемодинамики у экспериментальных животных является перспективной и полезной в исследовании специфической токсичности новых лекарственных средств при их доклиническом исследовании.

Литература

Aoki K. et al. // Stroke. 2003. V. 34(4). P.875- 880
Boschert U. et al. // Neurobiol. Dis. 1999. V. 6(6). P.508-514
Brown C.M. [et al] // Free Radic Biol Med. 2002. Vol. 32, № 11. P. 1071-1075.
Buttini M. et al. // J. Neurosci. 1999. V. 19(12). P.4867-48805
Chen,Y. et al.// Neuroscience. 1997. V. 80. P. 1255-1262
Hoit D. // Brian Circ. Res. 2001. Vol. 89. P. 289-291
ICH harmonised tripartite guideline preclinical safety evaluation of biotechnology-derived pharmaceuticals S6 Current Step 4 version dated 16 July 1997. 1997. 13 P.
Ishigami. M. [et al] // Arterioscler.Thromb. Vasc. Biol. - 2000. – Vol. 20. – P. 1020–10263]
Laskowitz D. T. et al.// Journal of Neurotrauma. 2007. V. 24, No. 7. P. 1093 -1107
Laskowitz D.T. et al..// Acta. Neurol. Scand. 2006. V.114 (Suppl. 185). P. 15–2016
Linton M. et al. // J. Clin.Invest. 1991. V. 81. P. 270-28117
Lynch,J.R. et al. // Ann. Neurol. 2002. V. 51. P.113-117.
Masliah E. et al. // Exp. Neurol. 1995. V. 136(2). P. 107-122
Nussler A.K.et al. // J.Exp.Med. 1992. Vol. 176. P. 261-264
Pelat M. et al. // Circulation. – 2003. Vol. 107. P. 2480-2486
Pepper C.B.et al. // Spectrum Int. 1996. Vol. 36, № 2. P. 20-23.
Pitas R.E. et al. // J. Biol. Chem. 1987. V. 262(29). P.14352-14360
Poirier J. et al. // Brain. Res. Mol. Brain. Res. 1991. V. 11(2). P.97-106
Xu Q. et al. // J. Neurosci. 2006. Vol. 26(19). P.4985-4994
Zachary W. Q. et al. // J. Lipid Res. 2005. Vol. 46. P. 2083–2090

Построения эффективной системы объективного контроля качества лекарственных препаратов, основанной на калориметрическом анализе и сетевых технологиях.

Бойко Б.Н¹., Радзион А.А^1,2.

¹Институт биологического приборостроения РАН, Пущино (Россия),

³Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино (Россия),

boiko@ibp.psn.ru, boyko@ibp.serpukhov.su.

Эффективные методы контроля лекарственных препаратов, несомненно, актуальны для России в настоящее время. Средства массовой информации свидетельствуют о значительной доле фальсифицированных лекарственных препаратов средней ценовой категории, которые наиболее востребованы как по объему, так и по номенклатуре.

Сейчас для анализа качества лекарственных препаратов используется практически вся совокупность известных физико-химических методов анализа. [1]. Большое многообразие методов, их высокая трудоемкость, необходимость применения специальных реактивов и методов приготовления препаратов, и связанная со всем этим потребность в наличии высококвалифицированного персонала, владеющего всеми этими методами, делают практически невозможным существование на их основе какой-либо реальной, эффективной и доступной системы оперативного контроля лекарственных препаратов. В то же время относительно поставленной задачи все применяемые методы избыточны.

В качестве методики объективного контроля качества лекарственных препаратов предлагается использование методов сканирующей калориметрии. Под объективностью контроля понимается контроль физических свойств препарата, поступающего в аптечную сеть, а не просто проверку сопроводительной документации. Предлагается конкретная реализация системы контроля с применением отечественных приборов и разработок. [2].

Для построения эффективной распределенной системы (см. рис. 1) контроля качества предлагается активное привлечение сетевых технологий, позволяющих обеспечить оперативную доставку из федерального центра контроля стандартных эталонов ДСК-кривых во все удаленные пункты контроля качества с использованием защищенных протоколов глобальной сети Интернет.

Рис. 1. Структурная схема системы контроля качества лекарственных препаратов

Разрабатываемая система будет состоять из трех звеньев:

1) фармацевтических компаний, производящих лекарственные препараты и предоставляющих для каждой партии препарата его стандартный образец, с которого будет получаться стандартная ДСК-кривая, используемая в дальнейшем в качестве вторичного эталона в системе контроля;

2) федерального центра стандартных ДСК-кривых, который будет осуществлять ДСК-анализ поступающих от фармацевтических компаний стандартных образцов с целью получения стандартной ДСК кривой препарата, хранить базу данных этих образцов ДСК-кривых и обеспечивать оперативное обновление локальных баз данных лабораторий контроля качества. Это звено будет выполнять и административные функции в системе;

3) пункты контроля качества – лабораторий, в которых будет производиться ДСК-анализ лекарственных средств, поступающих в аптечную сеть и автоматическое компьютерное сравнение полученных ДСК-кривых, со стандартными, хранящимися в базе данных. Пункты контроля качества будут конечным звеном, которое будет контролировать лекарственный препараты в аптечной сети в регионах.

Рис. 2. Структурная схема коммуникационных связей в системе качества лекарственных препаратов.

Как видно из приведенной выше схемы (см. рис2), в системе будет реализовано три типа коммуникационных взаимодействий:

1) курьерская доставка стандартных образцов от фармацевтических компаний;

2) прямое сетевое соединение типа «точка-точка» между компьютером центральной испытательной лаборатории и компьютером администратора и между компьютером администратора и сервером;

3) клиент-серверное взаимодействие по защищенным протоколам глобальной сети Интернет для обеспечения обновления баз данных в пунктах контроля качества лекарственных препаратов.

Программное обеспечение пунктов контроля качества будет хранить локальные базы данных стандартных ДСК-кривых, что позволит проводить анализ независимо от соединения с федеральным центром.

В тоже время, для поддержания базы данных стандартных ДСК-кривых в лабораториях контроля качества в актуальном состоянии разрабатывается система обновления локальных баз данных из центральной базы данных единого центра стандартных ДСК-кривых. Процедура обновления (см. рис. 3) будет осуществляться на базе клиент-серверного подхода по защищенным протоколам глобальной сети Интернет с использованием многоуровневых средств защиты информации.

Рис. 3. Структурная схема работы системы обновления.

Обновление локальных баз данных будет осуществляться в несколько этапов:

1) отправка клиентом по защищенному протоколу глобальной сети Интернет запроса серверу на авторизацию;

2) авторизация клиента в системе с прохождением многоступенчатой системы защиты;

3) проверка наличия обновлений, поступивших после последней процедуры обновления клиентом, т.е. можно будет значительно сократить Интернет трафик и ускорить процедуру обновления, отсылая только новые данные, а не всю базу данных;

4) отправка клиенту архивированной и криптографически защищенной обновляемой информации, отправка осуществляется по защищенному протоколу глобальной сети Интернет;

5) обновление локальной базы данных клиента полученной и дешифрованной информацией.

Внедрение предлагаемой системы позволит решить актуальную, социально значимую для Росси проблему массового, эффективного, объективного и оперативного контроля качества лекарственных препаратов.

Используемая литература.

1. Сливкин А. И., Селеменев В. Ф., Суховерхова Е. А. Физико-химические и биологические методы оценки качества лекарственных средств: Учеб. пособие / Под ред. В. Г. Артюхова, А. И. Сливкина. – Воронеж: Изд. Воронежского государственного университета, 1999. – 368 с.

2. Бойко Б.Н. Прикладная микрокалориметрия: отечественные приборы и методы. Изд-во «Наука». Москва, 2006.

Система мобильной дистанционной функциональной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний

Сенин А. А.^{1, 2}, Казанцев А. П.¹

Институт биологического приборостроения РАН¹
Пущинский государственный университет²

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) широко распространены и в наше время уже приобрели характер эпидемии. В стране имеется значительное число больных, нуждающихся в динамическом контроле состояния сердечно-сосудистой системы. Этим обусловлен социальный заказ на развитие технологии внебольничной телекардиологии.

По данным специалистов, функциональные исследования сердечно-сосудистой системы (электрокардиография, суточное ЭКГ мониторирование по методу Холтера и суточное мониторирование артериального давления) являются наиболее востребованными и информативными методами диагностики. Вместе с тем традиционное их применение и существующие технические решения не позволяют создавать системы дистанционной функциональной диагностики для внебольничных применений, и строить сети закрытого типа для проведения телекардиологического обследования и диагностики больных и пациентов с применением портативных регистраторов функциональных сигналов. Потребовались новые решения.

На основании анализа существующих телемедицинских систем была разработана архитектура телекардиологической сети (рис. 1), которая должна включать портативные микрокомпьютерные регистраторы функциональных сигналов, и портативные или стационарные компьютерные кардиоанализаторы-серверы.

Рис.1 Архитектура телекардиологической сети

Такая топология сети множественных соединений «точка-точка», отличается универсальностью и позволяет исключить или минимизировать посредничество поставщиков услуг глобальной сети Интернет, достигая тем самым сокращения стоимости эксплуатации сети. Изоляция от Интернета, также, обеспечивает начальный уровень защиты информации.

На рисунке 2 показана схема взаимодействия двух участников телемедицинского процесса – терапевта (врача общей практики), проводящего обследование, с одной стороны, и специалиста, анализирующего данные, с другой. Фиксируемые в процессе обследования на микрокомпьютере мобильного регистратора данные передаются по корпоративной сети для интерпретации на компьютер-кардиоанализатор врача-специалиста. Обратная передача заключения специалиста лечащему врачу осуществляется либо факсимильной связью, либо электронной почтой. Для консультаций предусмотрена телефонная связь или сервисы Интернета.

Рис.2 Блок-схема системы дистанционного обследования и диагностики с использованием IP-сети

С точки зрения организации процессов сбора, обработки и передачи информации система телемедицины представляет собой распределенную иерархическую систему (рис. 3), в которой могут быть выделены 3 уровня: регистрирующий, анализирующий, глобальный или уровень общей информации.

На микрокомпьютерах регистрирующего уровня поддерживаются локальные базы данных, в которых хранится информация обследований пациентов, которую можно передавать на анализаторы в отсроченном режиме. На анализирующем уровне системы создаются базы данных анализаторов-серверов. В этих базах данных содержатся данные обследований (картотека) для большой группы обслуживаемых пациентов. Обычно предусматривается обмен данными между анализаторами для взаимных консультаций специалистов, а также возможность передачи необходимых сведений вышестоящим органам здравоохранения или страховым компаниям, которые представлены третьим уровнем информационной системы. Предполагается также использование участниками процесса вспомогательных сетевых баз данных и сервисов Интернета.

Регистрирующий уровень телемедицинской системы включает в себя:

периферийную диагностическую медицинскую аппаратуру, подключаемую к микрокомпьютеру;
компьютерные средства предварительного анализа и обработки и хранения медицинской информации;
средства коммуникации и связи.

В системе дистанционной функциональной диагностики (ДФД) на регистрирующем уровне применяется сетевой микрокомпьютерный регистратор. Такая микросистема включает в себя цифровую измерительную часть – аппарат суточного мониторирования электрокардиосигналов по Холтеру, портативный электрокардиограф и аппарат суточного мониторирования артериального давления. Информационно-вычислительная часть представлена карманным персональным компьютером. В качестве коммуникационного оборудования применяется мобильный телефон.

Рис.3 Распределенная информационная система

Центральным компонентом регистрирующей системы является карманный компьютер с установленным на нем информационно-коммуникационным программным обеспечением. Разработанное программное обеспечение этих мобильных компьютеров выполняет управление измерительными приборами, позволяет вести локальные базы данных – картотеки обследований, обеспечивает графическое отображение ЭКГ, управляет передачей данных. Программное обеспечение выполняет, также, первичную обработку данных: фильтрация, сжатие. Предполагается применить специальные алгоритмы сжатия данных ЭКГ, которые позволят минимизировать время передачи данных по низкоскоростным каналам связи, таким как сеть GSM, и, как следствие, передавать ЭКГ в реальном времени, чтобы удаленный специалист мог наблюдать в реальном времени, как работает сердце пациента.

На анализаторах-серверах, находящихся на втором уровне системы, работает разработанное нами серверное программное обеспечение. Оно позволяет устанавливать соединения с удаленными регистрирующими микросистемами врачей и принимать от них данные обследования. При работе в сети GSM или локальной сети не требуется посредничество поставщиков услуг Интернета. Также, на кардиоанализаторе-сервере устанавливается программа, помогающая специалисту-консультанту интерпретировать данные ЭКГ обследования.

Практика медицинского применения комплекса ДФД ССЗ показала, что срок до госпитализации сократился с 12 до 2 дней, длительность пребывания в стационаре сократилась с 17 до 11 дней, процент острых коронарных событий (инфаркт миокарда, внезапная смерть и др.) снизился с 24% до 5%, процент коронарных вмешательств увеличился с 2,4% до 21,1%. Такие результаты демонстрируют высокую эффективность дистанционной методики с применением систем дистанционной функциональной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.

Библиографический список

Федорова С.И., Шумский В.И., Булыгин В.П., Пронина В.П., Казанцев А.П., Шокин В.И. Организация дистанционной многоуровневой службы функциональной диагностики Подмосковья. Альманах клинической медицины «Современные медицинские технологии и развитие специализированной медицинской помощи населению Московской области», М., МОНИКИ, 2005 г, том VIII, С. 139-143
Федулаев Ю.Н., Казанцев А.П., Щелкунова И.Г., Корочкин И.М., Лебедева А.Ю., Клыков Л.Л., Гордеев И.Г., Неведомская Т.В., Грибченко О.Ф. Дистанционная методика оценки результатов суточного мониторирования ЭКГ в выявлении преходящей ишемии миокарда. Организационные и прогностические аспекты. Медицинский вестник МВД (принято в печать 26.10.2006 г.).
Казанцев А.П., Шокин В.И., Федорова С.И., Арапов Н.А. Создание мобильной телемедицинской сети для дистанционной функциональной диагностики // VI научно-практическая конференция "Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы" (Москва, Главный клинический госпиталь МВД России, 24 марта 2004 г.). - М., 2004. - С. 101-104
Казанцев А.П., Сенин А.А., Федорова С.И., Арапов Н.А., Давыдов Д.В., Тарасов А.А., Шокин В.И., Неведомская Т.В. Телемедицинская IP-сеть мобильной дистанционной функциональной диагностики // Тезисы докладов конференции «Фундаментальные науки – медицине» (Москва, Президиум РАН, 14-16 декабря 2005 г.) – М., 2005. – С. 118-119
Сенин А.А., Казанцев А.П. Беспроводные технологии для мобильной телемедицины на примере системы дистанционной электрокардиографии // Наука-Бизнес-Образование. Биотехнология – Биомедицина – Окружающая среда: Тезисы докладов второй международной конференции (10-13 мая 2005 г.). – Пущино: «Биоресурсы и Экология», 2005. - С. 97-99
Казанцев А.П., Сенин А.А., Пикуленко О.В. Архитектура и реализация мобильных телемедицинских комплексов дистанционной электрокардиографии // Вестник Рязанской государственной радиотехнической академии. Выпуск 20. Рязань, 2007. С. 85-90.

Применение клеточных автоматов для моделирования возникновения и распространения спиральных автоволн

^*Калмыков В.Л., ^**Николаев Д. А., ^**Семенович Е.А, ^**Христин А.М.

^*Институт биофизики клетки РАН, г. Пущино.
^**магистрант Пущинского государственного университета, Учебный центр «Биомедицинской инженерии» на базе Института биологического приборостроения

Цель нашей работы заключается в том, чтобы наглядно показать, что лишайник по своей структуре роста очень напоминает нам процессы, происходящие по автоволновой теории. Мы попытались показать рост лишайника развивающегося и растущего по автоволновой теории на примере циклического клеточного автомата (Cyclic Cellular Automata, CCA).Эта модель создана в программе Mirek’s Cellebration. Программа позволяет моделировать различные клеточные автоматы, в том числе и автоматы, работающие по правилам описанным в автоволновой теории.

В начале клетки располагались хаотично. После прохождения первого цикла появляется направление движения клеток к упорядоченности. Одни клетки стремятся к центру окружности (темные), другие – от центра окружности (светлые).

С каждым новым шагом итерации структура клеток приобретает очертания витка спирали. Причем в каждом витке мы видим, что цвет меняется последовательно от светло-зеленого к темно-зеленому.

Автоволны - волновые процессы, имеющие устойчивые (самоподдерживающие) параметры: скорость, амплитуду, форму импульса. Способность к многократному поведению автоволн обладают так называемые активные среды. После прохождения автоволнового импульса такая среда должна восстанавливать свои свойства за счет поступающей из вне энергии и подготовиться к проведению следующего импульса.

В одномерном случае автоволна представляет собой распространяющийся с некоторой скоростью импульс определенной формы и амплитуды, тогда как в двумерном или трехмерном она характеризуется еще формой своего фронта. Автоволны характерны для возбудимых (активных) сред, в которых составляющие элементы могут находиться в одном из трех состояний: покоя, возбуждения и рефрактерности (затрудненной возбудимости). В одномерном случае автоволна представляет собой распространяющийся с некоторой скоростью импульс определенной формы и амплитуды, тогда как в двумерном или трехмерном она характеризуется еще формой своего фронта. Спиральные волны, ревербераторы, роторы или автоволновые вихри – эти явления – пример самоорганизации, поскольку существует и местоположение такого вихря не связаны с какой-либо неоднородностью, а определяются только эволюцией системы. Математическую модель клеточной среды можно строить на основе свойств отдельных элементов среды, составляя ее из определенным образом связанных клеточных автоматов. Каждый из них имеет конечное множество состояний и совершает переходы между ними по определенным правилам, характерным для элемента среды данного типа (это аксиоматические модели). Различные автоволновые режимы, такие как распространяющиеся плоские или спиральные волны могут участвовать в активной среде не всегда, а лишь при определенных условиях на параметры этой среды.

Прямым обобщением спиральной волны на 3-х мерное пространство является свиток, у которого вращение происходит вокруг некоторой прямой – нити. Однако нить свитка может быть и произвольным образом искривлена, а, возможно, замкнута, а фаза вращения свитка может меняться вдоль нити (скрученный свиток).

Примером автоволновых процессов может быть горение, распространение возбуждения в сердечной мышце (модель Винера-Розенблюта), а также реакция Белоусова-Жаботинского. Белоусов обнаружил, что при окислении лимонной кислоты броматом калия в кислой среде в присутствии ионов церия, в растворе происходит регулярное периодическое появление и исчезновение желтой окраски. Белоусову удалось наблюдать несколько десятков периодов колебаний при постепенном увеличении длины периода. Он отметил, что в присутствии церия бромат калия практически не окисляет лимонную кислоту.

Первой математической моделью, в которой исследовались распространенные возбуждения в сердечной мышце, была модель Винера-Розенблюта. В их работе было впервые введено понятие формальной возбудимой среды. Среда задавалась следующими аксиомами.

Каждая точка среды может находиться в одном из трех состояний: покоя, возбуждения и рефрактерности. Точка находящаяся в состоянии покоя, может быть внешним воздействием переведена в состояние возбуждения, которое предполагается мгновенным, после чего переходит в состояние рефрактерности (невозбудимости), имеющее длительность R и опять возвращается в состояние покоя
От возбудимых точек по области среды находящейся в состоянии покоя, распространяется волна возбуждения с постоянной скоростью V; рефрактерные точки никак не реагируют на возбуждение соседних.

Эта модель была использована для анализа движения волны возбуждения вокруг отверстия в плоской среде в связи с задачей о трепетании предсердий. В рамках этой модели было показано, что волна циркулирующая вокруг отверстия в двумерной среде имеет форму спирали (эвольвенты отверстия).

Циклический клеточный автомат - класс клеточных автоматов. Клеточный автомат – это способ порождения структур на множестве, каждый элемент которого может находиться как минимум в двух состояниях. Состояния элементов данного множества меняются пошагово и одномоментно для всех элементов через дискретные моменты времени в соответствии с функцией перехода, которая в момент предшествующий переходу зависит как состояния как самого элемента, так и от состояний его соседей. Итак, циклический клеточный автомат это система правил, определяющая волнообразное порождение клеток (Cyclic Cellular Automata, CCA). При этом можно определять генерацию паттернов, имитирующих самоорганизующиеся автокаталитические химические реакции типа реакции Белоусова - Жаботинского. Правила циклического клеточного автомата – одни из самых простых среди клеточных автоматов:

клетка меняет цвет (рождается или умирает) только при наличии рядом заданного критического числа клеток-соседей того же цвета
цвета могут меняться только в определённом порядке.

Здесь правила появления и исчезновения клеток модели имитируют логику вовлечения молекул реагента в химическую реакцию или распространение возбуждения в биологической ткани, а появление клеток клеточного автомата имитирует возникновение возбуждённых клеток биосистемы и, соответственно, распространение волны клеточных изменений.

По созданному нами клеточному автомату видно, что в каждой спирали модели цвет меняется от более светлого к более темному. Задавая порядок цветов и палитр мы подбирали естественную гамму зеленого лишайника, растущего в естественной среде (тундра). Процесс создания представлен на слайдах.

Список литературы:

Кринский В. И. Автоволновые процессы в возбудимых мембранах.
Елькин Ю. Е. «Кинематика стационарных и медленно эволюционирующих автоволновых фронтов». Кандидатская диссертация, Пущино 2000.
Жаботинский А. М. «Исследование автоколебательных химических реакций в гомогенной жидкой среде». Кандидатская диссертация. Москва 1964.

Перспективы использования нейросетей в автоматическом анализе электрокардиосигналов

Исаков Р.В.

Владимирский государственный университет, Владимир

reck2002@mail.ru

Аннотация

В данной работе рассматриваются вопросы целесообразности и особенностей применения нейронных сетей в автоматизированном определении патологических изменений электрокардиосигнала. Приводится описание одного из вариантов построения и обучения нейронной сети, применительно к бытовым системам контроля состояния сердечно-сосудистой системы человека.

Современная медицина немыслима без применения компьютерных технологий. В большинстве случаев ЭВМ применяют в медицинских учреждениях для набора и редактирования текстов, работы с базами данных, выполнения статистических расчётов и других стандартных процедур. Однако, некоторые важнейшие лечебно-диагностические процедуры всё ещё не автоматизированы. Автоматизация диагностических процедур позволит создать медицинские приборы, используемые людьми без медицинского образования даже в домашних условиях. Прежде всего, это касается анализа электрокардиосигнала (ЭКГ), так как процесс его регистрации и расшифровки является довольно сложной задачей, требующей знаний и опыта. Аппараты для ЭКГ-регистрации довольно сложны и дороги для применения в бытовых условиях, но рост сердечно-сосудистых заболеваний вынуждает разрабатывать технические решения, приближающие их использование к конечному пользователю.

Первые попытки автоматизации ЭКГ–анализа в данных системах были предприняты в 70-х годах. Наиболее важные преимущества автоматической обработки данных состоят в следующем: 1) обработка данных осуществляется по одинаковой схеме; 2) результаты представляются в стандартном виде; 3) можно использовать стандартную терминологию. Обычно ЭКГ–анализ выполняется в четыре этапа:

1- ввод ЭКГ;

2- фильтрация ЭКГ;

3- распознавание характерных элементов ЭКГ и измерение соответствующих параметров;

4- интерпретация и классификация ЭКГ.

На ЭКГ сердечный цикл обычно представляется в виде трех комплексов. Р–комплекс соответствует деполяризации предсердий, QRS– деполяризации желудочков, Т– их реполяризации. Каждый комплекс состоит из нескольких разнонаправленных пиков (зубцов). Наиболее трудоемкой задачей является распознавание характерных элементов ЭКГ и измерение параметров. Характерные элементы ЭКГ, которые необходимо распознать – это комплексы, сегменты (расстояние между зубцами) и интервалы. К параметрам ЭКГ, подлежащим измерению, относятся высота зубцов и длительность комплексов, а также величина сегментов и интервалов. Таким образом, необходимо выполнять два типа измерений: временные и амплитудные. [1]

Наиболее типичный метод распознавания элементов ЭКГ состоит из трех этапов.

1. Распознавание пиков, т.е. выявление истинных пиков ЭКГ (не артефактов).

2. Разграничение пиков, т.е. нахождение границ между истинными пиками.

3. Распознавание характерных элементов ЭКГ.

Результаты выявления элементов ЭКГ и измерения их параметров используются для интерпретации с цель постановки правильного диагноза. В настоящее время известны две основные категории алгоритмов, применяемых в различных системах автоматической диагностики.

К первой категории относятся алгоритмы, моделирующие логику врача-диагноста. Естественно, в них используются признаки заболеваний, диагностическая значимость которых установлена всем предшествующим опытом медицины. Применительно к задачам электрокардиографии это связано, в частности, с обязательным использованием параметром медицинского описания электрокардиограммы.

Алгоритмы второй категории, как правило, основаны на методах многомерного статистического анализа и теории вероятностей. При этом отказываются не только от медицинской логики, но и от принятых в медицине обозначений элементов электрокардиограммы и способов измерения.

Обе названные категории алгоритмов имеют свои достоинства и недостатки. Безусловное достоинство медицинских алгоритмов - в возможности их быстрой реализации. Это определяется тем, что они концентрируют опыт диагностики, накопленный в медицине, и не требуют предварительных обучающих выборок. Предел диагностических возможностей таких алгоритмов ограничивается современным уровнем развития медицины, а качество конкретных алгоритмов - компетентностью лиц, их составляющих. Главным недостатком медицинских алгоритмов является то, что они ограничиваются лишь формализацией диагностической логики врача.

Достоинством немедицинских диагностических алгоритмов является то, что они могут использовать любые параметры описания электрокардиограммы. Благодаря этому им оказываются доступны резервы информации, которые в клинической практике остаются неиспользованными. Недостатком этих алгоритмов является неудобность их обучения. Это представляет существенные трудности, так как связано с подбором хорошо исследованных больных с заболеваниями, различать которые должен научиться автомат. Тем не менее, алгоритмы второй категории считаются более перспективными, так доступная им новая информация даст возможность сделать диагностику более эффективной. [1]

В последнее время ведутся активные работы, как в России, так и за рубежом, по разработке более точных и быстрых алгоритмом классификации электрокардиограмм. Большая часть работ направлена на использование нейронных сетей. В них с помощью обучения нейронной сети соответствующими выборками (иногда с предварительной обработкой), добиваются устойчивого распознавания типов ЭКГ и выявления нарушений. Иногда делаются попытки построения алгоритмов, реализующих искусственный интеллект, для задач распознавания ЭКГ аритмий.

Таким образом, можно отметить, что проблема разработки алгоритмов распознавания элементов классификации электрокардиограмм по–прежнему актуальна.

В данной работе рассматривается проблема автоматического распознавания патологий ЭКГ по одноканальной записи PQRST-комплекса. Одноканальная запись ЭКГ выбрана для того, чтобы свести до минимума сложность аппаратной части и процедуры регистрации. Тем самым можно снизить стоимость комплексов регистрации ЭКГ и облегчить их использование. Стандартная процедура анализа ЭКГ требует использования двенадцати отведений, но в тоже время, любые патологические изменения электрической активности сердца должны оказывать своё влияние на все отведения ЭКГ в большей или меньшей степени. Некоторые изменения ЭКГ бывает невозможно выделить по одному отведению, используя медицинские методы автоматического анализа, поэтому в этой работе была предпринята попытка применения теории нейронных сетей для образного анализа QRST-комплексов. Применение нейронных сетей для задач классификации сигналов даёт много достоинств: малая чувствительность к помехам, возможность аппроксимации данных, ассоциативная память и т.п.

Для реализации системы распознавания патологий ЭКГ была выбрана структура слоистой нейронной сети, состоящей из 3 слоёв (1 входной, 1 выходной, 1 скрытый). Нелинейная функция всех нейронов имела тип сигмоида.

Процесс выбора параметров нейронной сети носит итерационный характер с постепенным увеличением числа нейронов скрытого слоя и изменениями параметра нелинейных функций нейронов. На всех итерациях используется одинаковый процесс обучения. Предполагаемым алгоритмом обучения является алгоритм обратного распространения ошибки.

Основной трудностью при таком варианте обучения является организация репрезентативной обучающей выборки примеров ЭКГ комплексов в норме и при различных патологиях.

Для решения данной проблемы была использована модель электрокардиосигнала, позволяющая имитировать любые изменения формы ЭКГ, а также накладывать на сигнал псевдослучайные и гармонические помехи. Для создания входного образа, PQRST-комплексы локализовались по R-зубцу, а затем производилась их нормировка.

Обучающая выборка включает в себя практически все основные известные виды патологий, причём на каждую патологию выделено по шесть разновидностей сигнала ЭКГ, в т.ч. с воздействием помех.

В настоящее время ведётся подбор оптимальных параметров нейронной сети по критерию минимизации ошибки распознавания патологий. В дальнейшем предполагается сформировать обучающую базу из результатов реальных исследований ЭКГ с различными нарушениями.

Созданную и обученную нейронную сеть предполагается использовать совместно с одноканальным регистратором ЭКГ в бытовых системах автоматизированного анализа функционального состояния сердечно-сосудистой системы.

Библиографический список

1. Теоретические основы электрокардиологии.//Под.ред. К.В.Нельсона, Д.В.Гезеловица:- М: Медицина.-1979.-470с

2. Дехтярь Г.Я. Электрокардиографическая диагностика. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Медицина, 1972. - 402с.

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ искусственных желудочков сердца

Бортникова Т.М., Жданов А.В.

ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет», Владимир

tms@vlsu.ru

Аннотация

Работа посвящена анализу и прогнозированию возможных дефектов, брака искусственных желудочков сердца на основе конечно-элементного анализа.

Проведен анализ технологий быстрого прототипирования, на основе которого выбрана технология быстрого прототипирования ИЖС методом лазерной стереолитографии. Дано описание технологии изготовления ИЖС на установке лазерной стереолитографии ЛС-250, предложены результаты изготовления опытного образца ИЖС методом лазерной стереолитографии. Представлены результаты изготовления опытных образцов ИЖС, анализ и классификация видов брака.

Искусственные желудочки сердца (ИЖС) являются одним из важнейших элементов систем вспомогательного кровообращения (ВК) и искусственного сердца (ИС), к которым предъявляются жесткие требования.

На основе анализа технологий быстрого прототипирования выбрана технология изготовления прототипа ИЖС методом лазерной стереолитографии, в соответствии с которой изготовлен опытный прототип ИЖС. Прототип искусственного желудочка сердца изготовлен на комплексе ЛС-250.

Для разработки конструкции новых конструкций ИЖ необходимо его создание в системах объемного моделирования (CAD-системах). Этого требует сложная геометрия ИЖ, наличие переходов, сочетания различных поверхностей, сложное сопряжение ИЖ с корпусом и другие факторы. Особую сложность представляет передача твердотельных моделей в технологические системы (CAM-системы) для проектирования технологии изготовления данной детали, а также в системы инженерного анализа (CAE-системы) для проведения прочностных, тепловых и гидродинамических расчетов.

Для исследуемого желудочка сердца необходимо определить следующее:

объемное напряженно-деформированное состояние (НДС) при действии нагрузки (для наиболее неблагоприятного случая);
поля напряжений и деформаций;
опасные участки с точки зрения прочности и жесткости;
дать рекомендации по усовершенствованию конструкции.

Для решения поставленных задач использование аналитических зависимостей затруднительно из-за сложности геометрии исследуемого объекта. Поэтому необходимо использовать приближенные численные методы решения. Наиболее распространенным методом является метод конечных элементов (МКЭ), точность решения в котором определяется степенью дискретизации и задается самим пользователем. Решение поставленных задач проводилось в программном пакете Pro/Mechanica 2000 i², основанного на МКЭ, особенностью которого по сравнению с другими аналогичными программами являются высокая сходимость (точность), удобная дискретизация модели и высокая достоверность результатов. Численные методы, реализуемые на ЭВМ, поддаются большей алгоритмизации, и удобны для реализации на современных быстродействующих компьютерах. В основе численных методов лежит замена континуальной расчетной модели с непрерывным распределением параметров и бесконечным числом степеней свободы дискретной моделью, имеющей конечное число неизвестных, которое может быть очень большим.

Лазерная стереолитография включает в себя получение трехмерной компьютерной модели объекта в STL формате (рис. 1,а), его разбиение на тонкие слои (рис. 1,б), расчет траектории движения лазерного луча, заполняющего каждое сечение (рис. 1,в) и последовательное воспроизведение соответствующих поперечных сечений на поверхности жидкой фотополимеризующейся композиции сфокусированным пучком инициирующего полимеризацию лазерного излучения.


а)	б)	в)
Рис. 1. Модифицирование исходной твердотельной модели

Для исследования геометрических, массо-инерционных и других характеристик детали необходимо провести твердотельное моделирование систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца. Такое моделирование проводилось в интегрированной системе автоматизированного проектирования и изготовления Pro/Engineer 2000 i². Такой подход позволяет проанализировать объект еще на стадии изготовления, а также использовать созданную геометрию в расчетных системах конечно-элементного анализа. Для исследования процесса лазерной стереолитографии необходимо определить напряженно-деформированное состояние изделия (по стадиям) с учетом комплексных нагрузок, а именно: силовых нагрузок (сила тяжести выплавленных и охлажденных слоев) и тепловых нагрузок (влияние лазерного излучения).

При лазерной стереолитографии необходимо определить напряжённо-деформированное состояние (НДС) изделия в каждый момент времени для прогнозирования брака, потери устойчивости детали и др. дефектов. Для численного определения полей напряжений и деформаций и анализа напряженно-деформированного состояния образцов необходимо создать конечно-элементные модели. Они выполняются на основе дискретизации твердотельных моделей вручную или автоматически. Наиболее рациональным способом разбиения модели на конечные элементы является автоматическая дискретизация с последующей корректировкой («лечением») сетки. С целью упрощения были исключены элементы, не влияющие на расчет. Для исследования напряженно-деформированного состояния необходимо создать расчетную схему модели. В эту схему входит определение параметров материала, приложение граничных условий (параметры закрепления и нагружения).

В результате решения поставленной задачи были получены поля напряжений и деформаций для различных материалов. По результатам расчетов при различных нагрузках были построены графики зависимости упругих перемещений и напряжений от нагрузки. По результатам можно сделать следующие выводы: с увеличением нагрузки, растет максимальная упругая деформация и напряжения. Максимальные напряжение для базового варианта превышали допустимые пределы, поэтому потребовалось скорректировать конструкцию желудочка сердца, после чего напряжения уменьшились на 23%.

а) б)

Рис. 2. Деформация (а) и касательные напряжения модели ИЖС.

В ходе выполнения прототипирования ИЖС были сделаны несколько бракованных изделий. На рис.3 показаны дефекты полученных образцов. На рис.3,а показаны дефекты, вызванные неверным проектированием перегородок, а на рис.3,б – вызванные неверной траекторией движения луча лазера. Полученные образцы были проанализированы, были скорректированы конструкция перегородок и подпорок, а также выбрана оптимальная траектория движения луча. Для скорректированных параметров лазерной стереолитографии получен образец (рис.4), который отвечает всем требованиям.

а) б)

в) г)

Рис. 3. Дефекты пробных образцов ИЖС, выполненных методом лазерной стереолитографии: а, б – дефекты, вызванные неверным проектированием перегородок; в, г – дефекты, вызванные неверной траекторией движения лазерного луча.

Рис. 4. Образец ИЖС, выполненный методом лазерной стереолитографи

ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ИСКУССТВЕННОГО СЕРДЦА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА LABVIEW

Беляев Л.В.,

ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет», Владимир

otleonida@pisem.net

Аннотация

В статье приведено описание конструкции электромеханического модуля пульсирующего типа искусственного сердца, а так же встроенной системы диагностики на базе программного комплекса LabView.

Одной из важнейших проблем функционирования систем искусственного сердца является создание надежного привода, обеспечивающего непрерывный кровоток. Электромеханические приводы наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к таким устройствам. Это объясняется более высоким КПД, меньшими массогабаритами, большей надежностью и долговечностью по сравнению с гидро- и пневмоустройствами. Применение электромеханических приводов позволяет создавать автономные компактные системы искусственного кровообращения (ИК) вместо стационарных центров. Известные конструкции на базе электромагнитных приводов линейного перемещения позволяют обойтись без дополнительных преобразователей и вспомогательных устройств. К недостаткам подобных устройств относят низкий КПД (около 50 %) из-за больших потерь на совершение механической работы в обмотках и увеличение массогабаритных показателей. Использование в системах ИК электродвигателей с вращающимся ротором снижает массу и габариты привода, но требует дополнительного преобразователя движения. Среди всего многообразия двигателей с вращающимся ротором наиболее перспективными для трансплантологии являются бесконтактные двигатели постоянного тока, у которых отсутствует щеточно–коллекторный узел, КПД приближается к 90 95 %, а ресурс работы составляет 10000 часов.

Электромеханический модуль привода искусственного сердца выполнен на базе бесконтактного моментного двигателя на постоянных магнитах, в полый ротор которого встроен механический преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательные циклические перемещения выходного штока – планетарный роликовинтовой механизм (РВМ). Электрическая машина работает в режиме вентильного двигателя, при этом электронная коммутация обмоток фаз обеспечивается датчиком положения ротора, выполненного на элементах Холла. Многопарность контакта в сопряжениях резьб РВМ позволяет получить высокие характеристики по нагрузочной способности, жесткости, редукции и КПД при малых массе и габаритах и короткой кинематической цепи.

В крайних положениях ход штока ограничен конечными выключателями на базе транзисторных оптопар, что позволило приблизить габариты привода к естественным габаритам сердца. К хвостовикам винта крепятся толкатели, которые воздействуют на мембраны искусственных желудочков. Возвратно–поступательное движение мембран создает давление для перекачивания крови.

Исполнение привода в виде модуля значительно улучшает характеристики всего устройства системы искусственного кровообращения. Общий вид модуля представлен на рис. 1.

4

Рис. 1 Общий вид модуля системы вспомогательного кровообращения и искусственного сердца (без системы управления) (1 - электромеханический модуль, 2 – искусственный желудочек сердца, 3 – кабель для подключения системы управления, 4 –искусственный желудочек сердца с клапанами).

Предлагаемая конструкция обеспечивает следующие технические характеристики:

ресурс непрерывной работы в течение 10 тыс. часов при частоте пульсации 60 180 циклов в минуту;
ход штока 10 мм при максимальном усилии 100 Н;
габариты - диаметр 55 мм, длина 45 мм;
масса 280 г;
питание привода от аккумуляторных батарей с напряжением 12 В.

Отличительными особенностями данного привода являются пониженные виброактивность и создаваемый шум.

Сравнительный анализ различных конструкций приводов систем ИК показал, что электромеханические приводы модульного исполнения на базе РВМ и вентильного двигателя с постоянными магнитами представляют наиболее перспективное решение для трансплантологии.

Контроль основных технических и биомедицинских параметров осуществляется на основе программного комплекса LabView, системы сбора данных американской фирмы National Instruments и персонального компьютера. Принцип функционирования данной системы заключается в следующем. Сигналы с датчиков контролируемой величины захватываются системой сбора данных, которая представляет собой устройство, обычно содержащее каналы ввода аналоговых сигналов (AI), каналы генерации аналоговых сигналов (AO), каналы цифрового ввода/вывода (DIO) и счетчик, а также интерфейс связи с компьютером. Причем количество каналов как цифрового, так и аналогового ввода/вывода данных может варьироваться, в зависимости от решаемой задачи. Основными техническими характеристики самой системы сбора данных являются:

разрешение при аналоговом вводе;
максимальная частота дискретизации, один канал;
суммарная максимальная частота дискретизации;
конфигурация цифрового ввода/вывода.

Далее сигнал выводится на экране монитора компьютера, по средствам прибора созданного в LabView, в графическом или табличном виде, что позволяет отображать данные как в режиме реального времени так и производить запись данных на жесткий диск компьютера для последующей обработки и анализа работы систем искусственного сердца.

Предлагаемая система прошла лабораторно – стендовые испытания в специализированной лаборатории LabView ВлГУ (г. Владимир) и НИИТ и ИО (г. Москва).

Blog

Школа – конференция молодых ученых, аспирантов и студентов Биомедицинская инженерия –2007

Содержание