Разработка и исследование автоматизированной установки для проверки медицинских хлор-серебряных электродов и медицинских наноэлектродов для съема поверхностных биопотенциалов человека

Актуальность работы.

Перед российскими производителями медицинской техники и средств диагностики в настоящее время остро стоит задача создания конкурентоспособной отечественной продукции, превышающей технико-экономические и потребительские показатели аналогичной продукции зарубежного производства.

Все более широко в медицине применяются электрофизиологические методы исследования функционального состояния организма человека как в целом, так и отдельных органов.

Одной из наиболее распространенных методик оценки состояния биообъекта и его параметров в биологии и медицине является измерение его электрических характеристик: биопотенциалов, биотоков, либо проводимостей тканей, органов, жидкостей биологического происхождения — биоэлектролитов.

С этой целью в качестве измерительных преобразователей широко используются биоэлектрические электроды — устройства съема биопотенциалов, имеющие поверхность, контактирующую с биологическим объектом, и выходные элементы.

К настоящему времени создано большое количество биоэлектрических электродов, отличающихся физическими принципами работы, конструктивными решениями, техническими характеристиками, необходимостью использования дополнительных приемов и средств.

Независимо от типа биоэлектродов в них формируется при изготовлении либо при эксплуатации переход «электронная-ионная проводимость».

Достоверность результатов электрофизиологического исследования во многом зависит от качества электродов, их физико-химических свойств. Электроды контактируют с поверхностью тела человека и таким образом замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и измерительным устройством. В настоящее время для чрескожной регистрации биопотенциалов используют электроды из различных материалов (нержавеющая сталь, нихром, серебро, золото, углеграфит и т. д.).

Качество и достоверность регистрируемой информации также зависят от параметров электродов: электродного потенциала, напряжения поляризации, напряжения шума, полного электродного сопротивления, геометрических размеров электродов и т. д.

Биоэлектрические сигналы, регистрируемые при диагностике различных органов и тканей человека, занимают диапазон от единиц нановольт до десятков милливольт по амплитуде и от 0 Гц до 20 кГц по частоте. Эти обстоятельства определяют довольно жесткие требования к электродам по минимизации потерь полезного сигнала, которые необходимо учитывать при разработке электродов.

Естественно, что проблема разработки электродов с более высокими метрологическими характеристиками связана с необходимостью создания современного испытательного оборудования для проверки параметров электродов.

Таким образом, необходимость улучшения метрологических параметров электродов приводит к необходимости создания более совершенной испытательной аппаратуры для их проверки в процессе научных исследований и для производства при проведении приемосдаточных и периодических испытаний электродов.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ НИИ интроскопии ГОУ ВПО Томский политехнический университет, а также по проектам:

1. «Проведение опытно-конструкторских, технологических и экспериментальных работ по созданию промышленной технологии массового производства одноразовых хлор-серебряных электродов на базе пористой керамики», программа Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы», 2005 г.

2. Грант ТПУ для молодых ученых и аспирантов, 2005 г.

3. «Разработка автоматизированных средств измерения и контроля метрологических характеристик медицинских одноразовых ЭКГ-электродов на базе пористой керамики», грант Администрации Томской области на 2005;2006 гг.

4. Проект РФФИ № 08−08−99 069 «Разработка научных основ формирования малошумящего высокостабильного неполяризующегося перехода „электронная-ионная проводимость“ на базе пористой керамики», 2008 г.

Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной аппаратуры для проверки метрологических характеристик медицинских электродов, изготовленных на основе различных технологий, создание и экспериментальные исследования медицинских наноэлектродов, разработанных на основе современных нанотехнологий и наноматериалов, исследование и физическое моделирование электрических процессов, протекающих в электродах.

Основными задачами, решаемыми в диссертационной работе в связи с поставленной целью, являются следующие:

1. Обобщение имеющихся типов медицинских электродов, технологий их изготовления и уровня метрологического обеспечения данной проблемы.

2. Разработка метрологического оборудования с повышенной разрешающей способностью для оценки собственной электрической активности перехода «электронная-ионная проводимость».

3. Создание и экспериментальные исследования медицинских наноэлектродов, основанных на применении современных нанотехнологий и наноматериалов, с более высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

4. Экспериментальные исследования медицинских электродов, созданных на основе различных технологий.

5. Разработка физической модели электрода на основании проведенных экспериментальных исследований.

Методы исследований теоретико-экспериментальные, основанные на общих принципах построения электронной измерительной и медицинской аппаратуры, прикладной и вычислительной математике, прикладных программ для персонального компьютера, технологиях математического и физического моделирования и проведения экспериментов.

Достоверность и обоснованность.

Все выводы, полученные в результате теоретических исследований и математического моделирования, проверены и подтверждены путем экспериментальных исследований.

Научная иовизна работы.

1. Впервые разработано и успешно прошло испытания в Томском центре стандартизации и метрологии автоматизированное метрологическое оборудование для проверки медицинских электродов по ГОСТ 25 995–83 с повышенной разрешающей способностью, позволяющее измерять и оценивать размах собственного дрейфа напряжения электродов и собственного напряжения шума электродов порядка единиц нановольт на фоне шумов измерительной аппаратуры микровольтового уровня.

2. Впервые получены результаты оценки собственного дрейфа и собственного напряжения шума электродов, изготовленных с помощью различных технологий, в частотных диапазонах в соответствии с ГОСТ 25 995–83.

3. Впервые разработаны и экспериментально исследованы лабораторные образцы медицинских наноэлектродов, созданных на основе современных нанотехнологий и наноматериалов.

4. Экспериментально доказано, что хлор-серебряные электроды на базе пористой керамики имеют значительно меньшие шумы по сравнению с хлор-серебряными электродами зарубежного производства, наименьший уровень шумов имеют наноэлектроды.

5. На основании сравнительных экспериментальных исследований разработана физическая модель хлор-серебряного электрода на базе пористой керамики.

Практическая ценность.

1. Практическая ценность исследований состоит в разработке принципов построения информационно-измерительной аппаратуры для оценки собственных шумов первичного преобразователя (электрода), которые могут быть использованы и в других областях измерительной техники для оценки шумов радиокомпонентов (микросхем, резисторов, конденсаторов), а также различных измерительных преобразователей с целью оценки качества технологии их изготовления.

2. Созданы первые лабораторные образцы медицинских наноэлектродов, метрологические параметры которых на порядок или в несколько раз превышают параметры существующих электродов.

Полученные результаты внедрены в производство медицинских хлор-серебряных электродов на базе пористой керамики в НИИ интроскопии ГОУ ВПО Томский политехнический университет.

Разработанные методы исследования собственных шумов измерительных преобразователей внедрены в учебный курс «Преобразование измерительных сигналов» для студентов специальности 200 106 «Информационно-измерительная техника и технологии» в ГОУ ВПО Томский политехнический университет.

Личный вклад автора.

Основные научные теоретические и экспериментальные исследования, макетирование выполнены автором самостоятельно:

1. Разработан алгоритм измерения, вычисления и оценки размаха собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума электродов на фоне шумов измерительной аппаратуры, значительно превышающих их по уровню.

2. Проведено моделирование данного алгоритма в пакетах программ для автоматизации математических расчетов и математического моделирования: MATLAB и Simulink. Проведенные исследования показали необходимость создания специального программного обеспечения для решения данной задачи.

3. Разработаны структурные схемы и макеты отдельных узлов автоматизированной установки для проверки параметров электродов, определены технические требования к установке, к уровням измеряемых сигналов и параметров, составлено техническое задание на данную установку.

4. Разработаны первые лабораторные образцы наноэлектродов. Проведены сравнительные исследования их с существующими электродами, которые показали, что созданный новый тип медицинского электрода, основанный на применении современных нанотехнологий и наноматериалов, имеет метрологические параметры в несколько раз или на порядок превышающие параметры всех существующих электродов.

5. По результатам экспериментальных исследований автором предложена физическая модель хлор-серебряного электрода на базе пористой керамики.

Полученный научный задел явился основой для обоснования четырех проектов, на которые были получены гранты. Общая сумма средств, выделенных по грантам, составляет 5 миллионов 300 тысяч рублей.

При выполнении грантов автор принимал участие и в опытно-конструкторской части работы, участвовал в подготовке автоматизированной установки к испытаниям и в проведении испытаний.

В создании промышленного образца автоматизированной установки для проведения государственных испытаний и выполнения грантов принимали участие: Ким B.JI. — создание и пуско-наладка электронной схемы установки, Казаков В. Ю. — программное обеспечение для режимов проверки электродов по ГОСТ 25 995–83- Вылегжанин О. Н., Рыбалка С. А. -программное обеспечение для цифровой обработки регистрируемых данных и вычисленийКлубович И.А. — исследования электродов для целей электрокардиографииСадовников Ю. Г — проведение технологических работЯкимов Е.В. — метрологические исследования.

Апробация результатов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века». — Сургут, 2003;

• 10-ой Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». — Томск, 2004;

• 22-ой Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами». — Челябинск, 2004;

• Открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века». — Сургут, 2004;

• Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии». — Новочеркасск, 2006;

• Международной научно-практической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». — Томск, 2008;

• Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в медицине». — Китай, Пекин, 2008.

Публикации.

Основное содержание работы изложено в 10 опубликованных статьях и докладах [1−3, 5, 6, 8, 25−28], в описании заявки на патент на изобретение (приоритетная справка) [38], одна статья принята к печати в журнал «Медицинская техника».

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 77 библиографических ссылок, содержит 124 страницы основного машинописного текста, 41 рисунок и 5 таблиц.

Основные результаты исследований, проведенных в диссертации, сводятся к следующему:

1. На основании аналитического обзора существующих типов электродов показана необходимость в дальнейшем повышении метрологических характеристик электродов и расширении частотного диапазона в область инфранизких частот вплоть до постоянного тока.

2. Показано, что эксплуатационные параметры электродов зависят от конструкции электродов, технологии их изготовления, а также свойств применяемых материалов.

3. Показано, что собственный дрейф напряжения электродов и напряжение шума электродов определяется дискретной природой носителей заряда (ионов и электронов), а также тепловым движением носителей заряда.

4. Установлено, что уменьшить собственный дрейф напряжения и напряжение шума электродов можно путем совершенствования технологии изготовления электродов и их конструкции.

5. Разработана процедура измерения, вычисления и оценки собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума электродов на фоне шумов измерительной аппаратуры, значительно превышающих их по уровню, которая прошла государственные испытания в составе установки для проверки хлор-серебряных электродов, внесенной в Государственный реестр средств измерений.

6. Экспериментально доказано, что хлор-серебряные электроды на базе пористой керамики имеют более высокие метрологические характеристики по сравнению с хлор-серебряными электродами зарубежного производства.

7. Наноэлектроды, изготовленные с применением наночастиц серебра, имеют более высокие метрологические характеристики по сравнению с обычными хлор-серебряными электродами на базе пористой керамики.

8. Пористые электроды (обычные и наноэлектроды) состоят из многочисленных микроэлектродов и поэтому имеют более высокие метрологические характеристики по сравнению с электродами зарубежного производства.

Наиболее перспективными для дальнейшего применения в медицине и создания новейшей электродиагностической аппаратуры с повышенной разрешающей способностью являются наноэлектроды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе описаны типы существующих электродов и методы исследования метрологических параметров электродоврассмотрены основные эксплуатационные характеристики электродов, эквивалентные схемы кожно-электродного контакта различных типов электродов, артефакты и шумы электродовдано описание установки для проверки медицинских хлор-серебряных электродов автоматизированной УПЭ-2- способа измерения и оценки размаха собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума электродовприведены результаты исследования метрологических характеристик электродов, изготовленных с помощью различных технологий.