Введение

Актуальность темы. Увеличение числа случаев патологий органа зрения и установления связанной с этим инвалидности обусловливает необходимость совершенствования методов и программно-аппаратных средств диагностики и терапии офтальмологических заболеваний.

Применяемые в современной клинической практике методы позволяют оценить состояние отдельных сосудов ретробульбарного или заднего отделов глазного яблока, различные отделы сетчатки, но не позволяют комплексно оценить кровоток в сосудах, малых артериолах и прекапиллярах переднего отдела глаза, что имеет существенное значение для диагностики миопии, атеросклероза и ряда других заболеваний, как офтальмологического, так и системного характера.

Одним из методов, позволяющих исследовать гемодинамику переднего отдела глаза - разработанный в середине прошлого века метод реоофтальмографии. Его применение связано с проведением контактных измерений прилимбарно (на открытом глазе пациента), что обусловливает необходимость проведения двукратной анестезии, предварительного биометрического исследования глаза, а также повышенные риски инфицирования и травмирования глаза в процессе обследования. Кроме того, отсутствие специальных методов и алгоритмов обработки информации затрудняет поддержку принятия диагностических решений при проведении реоофтальмологических исследований, особенно у детей.

Приоритетным направлением устранения отмеченных недостатков реоофтальмографии является проведение исследования гемодинамики переднего отдела глаза транспальпебрально (через закрытое веко). Однако специальное математическое и программное обеспечение таких исследований с качеством, удовлетворяющим потребностям современной офтальмологической практики, до начала исследований разработано не было.

Выполненная работа является продолжением исследований и разработок программно-аппаратных средств диагностики патологий системы кровообращения глаза, выполненных А.Я.Буниным (1990), К.Е.Котляром (2006), Г.А.Дроздовой (2007), А.М.Шамшиновой (2010); реографии, выполненных представителями зарубежных, советских и российских научных школ (Polzer, 1950; Schuhfried, 1950; Jenker, 1957; Х.Х.Яруллин, 1967; Ю.Е.Москаленко, 1970; Г.И.Эниня, 1973;

A.

реоофтальмографии, Л.А.Кацнельсон, 1966, 1990; В.И.Козлов, 1972;

B. И.Лазаренко, 2000 и др.). Однако возможность проведения реоофтальмографии транспальпебрально (через веко) в известных отечественных и зарубежных образцах реоофтальмографической аппаратуры отсутствует, что определяет актуальность работы, которая состоит в разработке специального математического, программного и аппаратного обеспечения автоматизированного сбора и обработки информации при транспальпебральных реоофтальмографических исследованиях.

Целью работы является обеспечение возможности исследования гемодинамики переднего отдела глаза с использованием неинвазивной методики транспальпебральной реоофтальмографии за счет разработки и реализации специального математического и программного обеспечения обработки информации.

Для достижения цели решены следующие задачи исследования:

1. Обоснована архитектура биотехнической системы транспальпебральной реоофтальмографии, обеспечивающая неинвазивное исследование гемодинамики переднего отдела глаза.

2. Разработана базовая математическая модель для исследования гемодинамики переднего отдела глаза на основе транспальпебральной реоофтальмографии.

3. Выполнено теоретико-экспериментальное обоснование информативных показателей состояния гемодинамики переднего отдела глаза для использования

результатов транспальпебральной реоофтальмографии при диагностике офтальмологических заболеваний.

4. Разработаны и реализованы математические, программные и аппаратные средства для неинвазивного исследования системы кровообращения переднего отдела глаза и поддержки принятия решений при диагностике офтальмологических заболеваний.

Научная новизна работы. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.

1. Архитектура проблемно-ориентированной биотехнической системы реоофтальмографии, отличающаяся использованием тетраполярной системы отведений при транспальпебральном (через веко) исследовании.

2. Математическая электрофизическая трехмерная модель глаза с придаточным аппаратом, отличающаяся от ранее известных учетом характеристик восьми слоев глазного яблока и двух слоев окружающих его тканей.

3. Алгоритм расчета ударного объема кровообращения для переднего отдела глаза с использованием тетраполярной реоофтальмографии.

Практическая значимость работы определяется тем, что разработанное специальное математическое и программное обеспечение обеспечивает возможность исследования гемодинамики переднего отдела глаза с использованием неинвазивной методики транспальпебральной

реоофтальмографии, позволяя исключить необходимость двукратной анестезии, существенно упростить процедуру исследования, проводить исследования у пациентов в возрасте от 5 лет, оценивать абсолютные значения ударного объема крови в переднем отделе глаза, позволяет проводить дифференциальную диагностику с использованием полученной информации.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы: теории биотехнических систем медицинского назначения, математической статистики, теории управления, теории линейных электрических

цепей, математического моделирования. Программное средство было разработано в среде Delphi 7.

Положения, выносимые на защиту:

1. Биотехническая система транспальпебральной реоофтальмографии, обеспечивающая неинвазивное исследование гемодинамики переднего отдела глаза, должна быть реализована в виде трикотажного шлема с корсажной лентой, настраиваемой под любой обхват головы, и электродной системы, расположенной на подложке анатомически оптимизированной формы и использующей тетраполярную систему отведений.

2. Математическая электрофизическая трехмерная модель глазного яблока и его придаточного аппарата, объединяющая восемь слоев глазного яблока и два слоя окружающих его тканей с учетом геометрических характеристик глаза и системы электродов, является базовой для исследования гемодинамики переднего отдела глаза на основе транспальпебральной реоофтальмографии.

3. Импедансный показатель, характеризующий величину и скорость притока (оттока) крови в переднем отделе глаза с учетом артериального давления, и ударный объем крови являются информативными показателями состояния гемодинамики переднего отдела глаза по результатам транспальпебральной реоофтальмографии.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами проведенной апробации и верификации результатов сотрудниками отдела патологии рефракции, бинокулярного зрения и офтальмоэргономики и отдела ультразвуковых исследований Московского НИИ глазных болезней им. Гельмгольца в группах пациентов общей численностью 116 человек.

Реализация результатов исследований. Разработанные аппаратно­программные средства и методические рекомендации исследования гемодинамики переднего отдела глаза на основе транспальпебральной реоофтальмографии внедрены в клиническую практику МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца

(г. Москва) и в Частном Учреждении Здравоохранения «Медико-санитарная часть» (г. Астрахань).

Личный вклад автора: результаты получены автором лично, основными из них являются: разработка и реализация технических, математических и программных средств проблемно-ориентированной биотехнической системы, разработка математической модели глазного яблока и его придаточного аппарата, математическое описание сосудистых структур глаза, разработка алгоритма расчета ударного объема крови переднего отдела глаза, статистическая обработка результатов измерений и экспертной информации, полученной в ходе исследований.

Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «МЕТРОМЕД-2011» (Санкт-Петербург, 2011), на 6-м Российском общенациональном офтальмологическом форуме (Москва, 2013), на 7-м Российском общенациональном офтальмологическом форуме (Москва, 2014), на 7­й всероссийской конференции «Биомеханика» (Пермь, 2014), на конференции «Инновационные технологии в офтальмологической практике регионов» (Астрахань, 2014), на 10-м съезде офтальмологов России (Москва, 2015), на 11 -м Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 2015), на 8-м Российском общенациональном офтальмологическом форуме (Москва, 2015), на 9-м Российском общенациональном офтальмологическом форуме (Москва, 2016), на 18-ой научно­технической конференции «МЕДТЕХ-2016» (Москва, 2016), на конференции «European Medical and Biological Engineering Conference (EMBEC) and the Nordic- Baltic Conference on Biomedical Engineering and Medical Physics (NBC) 2017» (Тампере, 2017).

По результатам исследования опубликованы 19 научных работ, 11 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, получены 2 патента на полезные модели.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №13-08-01079 «Разработка и исследование неинвазивного метода диагностики кровотока глаза с использованием тетраполярной импедансной плетизмографии» и гранта РФФИ № 15-08-99682 «Разработка и исследование метода терапевтического воздействия на гемодинамику глаза с одновременной оценкой эффективности по показателям глазного кровотока».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Основное содержание работы изложено на 173 страницах, содержит 94 рисунка, 11 таблиц; список литературы включает 105 источников, из них 22 зарубежных.

Автор выражает искреннюю благодарность проф., д.т.н. Парашину В.Б. за предложенную идею развития метода реографии для офтальмологии, сотрудникам факультета «Биомедицинской техники» МГТУ им. Н.Э. Баумана и лично декану

факультета проф., д.т.н. С.И. Щукину за конструктивную критику материалов диссертации, коллегам из ООО «АТЕС МЕДИКА софт», а также проф., д.б.н.

Е.Н. Иомдиной и другим сотрудникам Московского НИИ глазных болезней им.

Гельмгольца за помощь и консультации при проведении ряда исследований.