Теоретичні основи, методи та засоби діагностики і комп'ютерного планування в ринології : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук : 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

Abstract

В роботі виконано теоретичні та експериментальні дослідження щодо функціональної діагностики верхніх дихальних шляхів та комп’ютерного планування ринохірургічних втручань. Розроблено основи теорії побудови та організації систем комп'ютерного планування ринохірургічних втручань, які полягають у формуванні основних модельних уявлень, створенні методів, інформаційно-логічної структури та алгоритмічної моделі роботи даних систем, що дозволяє підвищити ефективність проведення хірургічних втручань в ринології. Розроблено моделі та виконано чисельні оцінки функціонування носового клапану, ступеня рухливості м'якого піднебіння, визначено та обґрунтовано виникнення різниці фаз між сигналами перепаду тиску і витрати повітря у носовій порожнині, розглянуто механізми аерації придаткових пазух. Отримані результати є теоретичною базою для розробки діагностичних засобів та додаткових критеріїв функціональної діагностики верхніх дихальних шляхів. Створено концепцію побудови діагностичних засобів для тестування носового дихання, яка за рахунок застосування методу динамічної задньої активної риноманометріі і динамічної моделі обробки даних дозволяє забезпечити об'єктивну оцінку аеродинамічного опору верхніх дихальних шляхів при максимальній фізіологічності вимірювальних процедур з урахуванням індивідуальної варіабельності.

Диссертация посвящена решению важной научно-прикладной проблемы – разработке теоретических основ, методов и средств компьютерного планирования хирургических вмешательств в ринологии, а также объективизации и повышению достоверности методов функциональной диагностики носового дыхания. Разработаны основы теории построения и организации систем компьютерного планирования ринохирургических вмешательств, заключающиеся в формировании основных модельных представлений, создании методов, информационно-логической структуры и алгоритмической модели работы данных систем, что позволяет повысить эффективность проведения хирургических вмешательств в ринологии. Сформированная концепция компьютерного планирования ринохирургических вмешательств является теоретической основой для формирования современных доказательных методов медицинского лечебно-диагностического планирования. Разработана концепция построения диагностических средств для тестирования носового дыхания, которая за счет применения метода, реализующего принцип динамической задней активной риноманометрии при форсированном дыхании и динамической модели обработки данных, позволяет обеспечить объективную оценку аэродинамического сопротивления верхних дыхательных путей при максимальной физиологичности измерительных процедур и учете индивидуальной вариабельности. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что наибольшая турбулизация потока возникает при входе и на выходе из носового канала, причем при спокойном дыхании (при расходе воздуха не более 0,3 л/с) режим течения воздуха в верхних дыхательных путях можно считать ламинарным, при форсированном – турбулентным; воздухообмен в придаточных пазухах носа осуществляется со скоростью около 5 см/с и носит диффузионный турбулентный характер, в отличие от аэродинамических процессов в носовой полости, при которых скорость воздуха составляет величину порядка 10…20 м/с (время диффузионного воздухообмена составляет порядка 0,4 с). Эти положения являются теоретическим обоснованием для пересмотра или оптимизации лечебной тактики при проведении терапии заболеваний верхних дыхательных путей. Разработан метод определения функции носового клапана по данным динамической задней активной риноманометрии, основанный на анализе формы инспираторных кривых при форсированном дыхании, что позволяет оценить степень подвижности анатомических структур носового клапана и его роль в суммарном аэродинамическом сопротивлении верхних дыхательных путей в различных режимах дыхания. Введено понятие «гидравлического диаметра для носовых проходов», с помощью которого по данным пространственной интраскопической модели верхних дыхательных путей можно определить сечения носовой полости с наибольшим аэродинамическим сопротивлением, оценить режим течения воздуха и выбрать соответствующие методы расчета потока. Разработано и сертифицировано как индивидуальное измерительное устройство для определения перепадно-расходных характеристик ПРХ с погрешностью регистрации измеряемых параметров не более 5 % (Свидетельство о государственной метрологической аттестации № 05-0102 от 01.04.2010г). Данное устройство входит в состав компьютерного риноманометра КРМ для тестирования носового дыхания типа ТНДА-ПРХ, что позволило провести его предварительную клиническую апробацию и способствует его сертификации как медицинского прибора. Разработана информационная модель представления данных для проведения компьютерного планирования ринохирургических вмешательств, характеризующая дискретную пространственную операционную область и представляющая собой структуру идентификационных графических G–буферов, включающую обобщенную воксельную модель, содержащую информацию о принадлежности выделенных элементов объема к определенным анатомическим структурам, и дополнительных характеристиках объектов. Это позволяет проводить пред- и послеоперационное анатомо-функциональное картирование операционной области и выполнять виртуальную коррекцию геометрической конфигурации функционально-значимых структур. Разработаны основные медико-технические требования и практические рекомендации для проектирования систем компьютерного планирования ринохирургических вмешательств, основными из которых являются требования к разрешающей способности, точности и достоверности исходных интраскопических и функциональных диагностических данных, методов реализации процедур компьютерного планирования, а также указаны основные пространственные и временные ограничения, что позволяет разрабатывать современные комплексы для ринохирургии.

The dissertation contains theoretical and experimental research for functional diagnosis and computer surgical planning in rhinology. A basic theory of aerodynamic processes in human upper respiratory tract is developed. Principles of construction, information and logical structure, algorithmic models and organization of computer image-guided systems for functional surgical planning in rhinology are proposed. Analytical and numerical methods for evaluation of nasal air flow speed and differential pressure in nasal cavity are proposed. The method of evaluation a hydraulic diameter and a Reynolds number of nasal airflow is proposed. During the quiet breathing (low, then 0,3 l/s) the mode of the air flow in the upper airways can be considered as laminar, when forced (up to 4 l/s) – a turbulent one. Paranasal sinuses are zones of stagnant air that are ventilated at about 10% of their volume. Computer rhinomanometer KRM for testing of nasal breathing TNBA with differential pressure/flow measuring module is designed, tested and metrological certified. The method of posterior active rhinomanometry with force breathing and dynamical data processing model allow increase accuracy of functional diagnostic of nasal breathing by the individual physiological variability estimation. The computer surgical planning method allows predict nasal airway resistance by the virtual model for determine optimal parameters of endonasal anatomical structures correction. Methods of CT imaging processing and functional diagnostic of nasal airways allow get actual parameters for evidence based rhinology.