Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов

Номер контракта: 14.574.21.0029

Руководитель: Алексанян Грайер Каренович

Должность руководителя: доцент

Докладчик: Алексанян Грайр Каренович, доцент

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
аппаратно-программный комплекс, электроимпедансная томография, математическая модель, электрическая проводимость, пространственное распределение, реконструкция изображений, алгоритмы реконструкции, двумерная и трехмерная визуализация, внутренние органы, электродная система.

Цель проекта:
Электроимпедансная томография (ЭИТ) представляет собой метод визуализации пространственного распределения удельного сопротивления внутренних структур объекта (биообъекта (БО)). Суть метода заключается в следующем. На исследуемый объект посредством поверхностных токоподводящих электродов подается высокочастотный электрический ток. Путем регистрации напряжения на поверхности тела оценивается распределение электрической проводимости внутренних структур биообъекта. Технология электроимпедансной томографии обладает значительным потенциалом для получения необходимых результатов при диагностике общего функционального состояния человека, исследовании динамических процессов сердечно-сосудистой деятельности, головного мозга, наблюдении онкологических образований, мониторинга дыхательной системы, оценке гипертермии и т.п. Существующие на данный момент методы и устройства не позволяют с высокой точностью определять геометрические размеры внутренних объектов, их структуру, обладают невысокой чувствительностью и разрешающей способностью. В связи с этим существует необходимость в разработке новых технических средств и теоретических основ, подходов, математических моделей для повышения точности измерений, разработки и исследовании алгоритмов визуализации пространственного распределения. На основе результатов анализа современного состояния данной проблемы и исследований в этой области установлено, что перспективным направлением ее решения является комплексное использование экспериментальных исследований, моделирования и компьютерных технологий для получения необходимой информации. Целью проекта является разработка принципов, методов и алгоритмов получения и реконструкции томографических данных, определение технических требований для создания аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов нового поколения и создание научно-методических и нормативно-технических документов.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках прикладных научных исследований, в том числе обзор научных информационных источников, статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии за период 2009 – 2013 гг.
2) Патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3) Теоретические исследования возможности применения методологии натурно-модельного эксперимента в теории электроимпедансной томографии. Проведены вычислительные эксперименты и проанализированы полученные результаты.
4) Принципы построения и алгоритмы функционирования аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов. Подробно рассмотрены и описаны блоки и модули устройства.
5) Источник сигналов зондирующего тока (величина силы зондирующего тока: 1-5 мА±10%; величина частоты зондирующего тока: 20-50 кГц±10%).
6) Разработаны программы и методики экспериментальных исследований.
7) Блок первичных преобразователей. Изготовлена электродная система (количество электродов: не более 16 шт/пояс, количество поясов - до 10 шт., напряжение на электродах измерительного блока не превышает 12 В) и блок сбора данных с объекта. Предусмотрена возможность использования как многоразовых, так и одноразовых медицинских электродов.
8) Программные продукты сбора, обработки, анализа и отображения томографических данных.
9) Макет аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов, в основу которого положен модульный (блочный) принцип построения, позволяющий повысить ремонтопригодность и существенно снизить затраты на расходные материалы и эксплуатацию оборудования. Устройство состоит из следующих основных блоков: электродной системы, источника тока, блока сбора данных (измерительного блока), персонального компьютера со специализированным программным обеспечением обработки, анализа, отображения и архивации данных (оперативная память – не мене 1 Гб; отдельный модуль видеокарты; частота процессора – не менее 2 ГГц; наличие монитора; величина жесткого диска – не менее 120 Гб), блока питания.
10) Эскизная конструкторская документация на макет аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов.
11) Предложения и рекомендации по использованию и реализации (коммерциализации) разработанного аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов, маркетинговые иследования.
12) Специализированный сайт и веб-сервис, посвященные проводимому прикладному научному исследованию и электроимпедансной томографии биологических объектов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Изготовлен один макет АПК ЭИТ БО, который представляет собой законченное устройство, реализованное на трех печатных платах. Для питания электронных устройств (микросхем) используется отдельный блок питания (аккумулятор). Связь с персональным компьютером осуществляется по последовательному интерфейсу USB. Устройство позволяет подключать до 10 электродных поясов с количеством электродов в одном поясе - до 16 шт. Печатные платы размещены в пластмассовом корпусе.
Разработано специализированное программное обеспечение, которое позволяет пользователю задавать режимы работы устройства, выбрать инжектирующие и измерительные электроды, указывать величину и частоту зондирующего тока, измерять электродные потенциалы, сохранять результаты измерений в файл и т.п.
Программное обеспечение АПК позволяет обрабатывать данные и выдавать пользователю информацию в течение 20±20% минут. Предусмотрена возможность архивирования и протоколирования процедуры проведения томографического обследования, создания и наполнения карты пациента.
Разработанные технические средства позволяют проводить экспериментальные исследования для проверки адекватности предложенных моделей и разработанных алгоритмов и методов для ЭИТ.
Кроме того, при выполнении работ по проекту применяются современные радиоэлементные компоненты и материалы, а также используются передовые системы автоматического проектирования, моделирования и обработки измерительной информации.
Достижение зявленных результатов обеспечивается: применением фундаментальных законов теории электрического поля, теории измерений, теории планирования экспериментов, математической статистики, электротехники, метрологии, обработки сигнало, теории планирования эксперимента; всесторонним анализом результатов научно-исследовательских работ по предмету исследования; применением численных методов решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений; согласованием теоретических положений, результатов, методов и методик с результатами экспериментальных исследований; адекватностью предложенных моделей, логической структурой исследований; критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами по данной тематике на всероссийских и международных научных конференциях.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применение аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов возможно в лечебно-профилактических учреждениях, медицинских диагностических центрах, ветеринарных клиниках; научно-исследовательских институтах и центрах; высших учебных заведениях для диагностикой функционального состояния человека, определением пространственного распределения внутренних органов, реконструкцией изображения биологических объектов и т.п. Возможно использование результатов работ как дополнительные функциональные модули медицинской техники. Разработанные методы и алгоритмы найдут применение как в биологических, так и в технических системах обнаружения, детектирования внутренних особенностей объекта.
Повсеместное применение электроимпедансной томографии в клинической практике позволит решить ряд медико-социальных задач, повысить качество медицинских услуг, уменьшить затраты лечебно-профилактических учреждений на оснащение современным медицинским оборудованием, и как следствие, сделать медицинскую помощь доступнее населению. Дальнейшая систематизация полученных результатов, их популяризация позволит консолидировать научных и инженерных сообществ в области электроимпедансной томографии, позволит обеспечить всестороннее изучение данного вопроса и способствует разработке нормативно- методического материала для практикующих специалистов по применению метода.

Текущие результаты проекта:
В настоящий момент выполнены следующие основные этапы работ.
1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников, статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии за период 2009 – 2013 гг.
2. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Выполнены исследования и анализ современных методов и устройств электроимпедансной томографии, применяемых в клинической практике.
4. Проведены теоретические исследования возможности применения методологии натурно-модельного эксперимента в теории электроимпедансной томографии
5. Разработаны принципы построения и алгоритмы функционирования аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов.
6. Разработан блок первичных преобразователей, источник сигнала зондирующего тока.
7. Разработана и изготовлена электродная система, блок сбора данных. Программа и методики экспериментальных исследований.
8. Разработана эскизная конструкторская документация на макет аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов
9. Разработаны программы и методики испытаний разработанного макета аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов.
10. Разработан и изготовлен макет аппаратно-программного комплекса электроимпедансной томографии биологических объектов, программные системы обработки и анализа данных с биообъекта и реконструкции изображения. Проведены экспериментальные исследования источника тока и блока сбора данных.
11. Разработаны и опубликованы специализированный сайт и веб-сервис в сети Интернет, посвященные проводимому прикладному научному исследованию.