«Электронный язык» для использования в медицинской диагностике
Ранняя диагностика заболеваний одна из важнейших задач и проблем охраны здоровья человека. Использование устройства типа «электронный язык» в медицинской практике позволяет автоматически распознавать вещества в водных растворах, содержащих небольшие концентрации калия, кальция, натрия, путем подбо...
Saved in:
| Date: | 2005 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2005
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6439 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике / С.И. Лукаш, З.В. Веткина // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2005. — № 4. — С. 123-130. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859646846416191488 |
|---|---|
| author | Лукаш, С.И. Веткина, З.В. |
| author_facet | Лукаш, С.И. Веткина, З.В. |
| citation_txt | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике / С.И. Лукаш, З.В. Веткина // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2005. — № 4. — С. 123-130. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Ранняя диагностика заболеваний одна из важнейших задач и проблем охраны здоровья человека. Использование устройства типа «электронный язык» в медицинской практике позволяет автоматически распознавать вещества в водных растворах, содержащих небольшие концентрации калия, кальция, натрия, путем подбора сенсорных элементов и разработки программного обеспечения для экспертной оценки информационных сигналов на основе выделенных признаков.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:29:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 123
Ранняя диагностика заболеваний
одна из важнейших задач и про-
блем охраны здоровья человека.
Использование устройства типа
«электронный язык» в медицинс-
кой практике позволяет автома-
тически распознавать вещества в
водных растворах, содержащих
небольшие концентрации калия,
кальция, натрия, путем подбора
сенсорных элементов и разработ-
ки программного обеспечения для
экспертной оценки информацион-
ных сигналов на основе выделен-
ных признаков.
С.И. Лукаш, З.В. Веткина, 2005
УДК 681.3: 591.3
С.И. ЛУКАШ, З.В. ВЕТКИНА
«ЭЛЕКТРОННЫЙ ЯЗЫК» ДЛЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ
ДИАГНОСТИКЕ
Введение. Проблемы диагностики состояния
здоровья человека и контроль биохимиче-
ских показателей по возможности неинва-
зивными методами являются весьма акту-
альными в настоящее время.
Главные элементы, необходимые живым
организмам, и выполняемые ими функции
приведены в табл. 1 [1].
Серьезные своими последствиями состоя-
ния электролитного дисбаланса (гипер-, ги-
понатриемия натриурия, калиемия калиу-
рия, кальциемия кальциурия и др.) и забо-
левания (диабетическая кома, почечная не-
достаточность, тяжелые аритмии, острые от-
равления и пр), которые сопровождаются в
разной степени определенными электролит-
ными нарушениями в крови, моче и прочих
выделениях требуют срочной и эффективной
коррекции. Здесь важна не только своевре-
менная точная полная диагностика и кор-
рекция электролитных нарушений, но и воз-
можность динамического наблюдения за ре-
зультатом лечения. Поэтому доступные не-
инвазивные методы определения основных
электролитов натрия, калия, кальция, магния,
фосфора в крови, моче, слюне и других вы-
делениях особенно важны как для диагно-
стики, так и для успеха лечения [2, 3].
Рекомендуемый ВОЗ обязательный инди-
видуальный подход в назначении многих
фармакологических средств (мочегонных,
антиаритмических, гипотензивных, адрено-
блокаторов и др.) для полного эффекта и ми-
нимальных побочных осложнений также не-
возможен без данных об электролитном ба-
лансе организма.
С.И. ЛУКАШ, З.В. ВЕТКИНА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 124
ТАБЛИЦА 1
Элемент
Символ
Функция
Азот N Структурный компонент белков и нуклеиновых кислот
Фосфор P
Структурный компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов и
костной ткани
Калий K Главный растворенный компонент животных клеток
Сера S Структурный компонент многих белков
Кальций Ca
Регулирует проницаемость клеточных мембран; структурный
компонент костной ткани
Магний Mg
Структурный компонент; необходим для нормального функци-
онирования многих ферментов
Железо Fe
Структурный компонент гемоглобина и многих ферментов
Натрий Na
Главный растворенный компонент внеклеточных жидкостей
Особенно важное значение имеют препараты кальция в патологических
случаях, вызванных нарушением баланса кальция в крови. Острая кальциевая
недостаточность выражается в форме паратиреопривной тетании, спазмофилии,
хроническая в форме рахита или остеомаляции. Причиной таких нарушений
может быть и нарушение всасывания кальция, например, авитаминоз D. Гипо-
кальциемия при удалении или связывании кальция.
Инсулиновая гипогликемия связана с гипокалиемией. Калиевая интоксика-
ция (гиперкалиемия) возникает вследствие понижения почечного выведения ка-
лия и усиление тканевого распада.
У пострадавших от ожогов людей нарушается баланс веществ. Необходимо
провести полный клинический анализ крови, чтобы выяснить биохимические
показатели крови и содержание в ней электролитов. Эта оценка должна быть
выполнена немедленно после взятия крови на анализ в приемном отделении.
Можно перечислить множество других заболеваний, связанных с нарушени-
ем соотношения между жизненно важными катионами в организме человека.
Формула Леба [4] иллюстрирует необходимость поддержания определенного
соотношения между катионами натрия, калия, кальция и магния:
([Na]+[K])/([Ca]+[Mg]).
Аппаратура и методы. Проблема контроля может быть частично решена
путем применения портативных приборов экспресс-анализа состава выделений
человека. Наиболее доступны пот, слюна и моча человека.
Пот и слюна продукты секреции соответствующих желез, содержат 98
99 % воды и являются электролитом [5]. В основном железы выводят хлориды,
сульфаты и фосфаты натрия, кальция, железа, кобальта, олова, магния, меди и
другие соли щелочных металлов (преобладает NaCl около 0,3 %). Среднее со-
держание в поте Na 58,4 мг-экв = 134 мг %, К 10 мг-экв = 39 мг %,
Сl 45,4 мг-экв = 1б1 мг % . У некоторых людей с потом усиленно выделяются
хлориды, что может привести к недостатку NaCl в организме.
«ЭЛЕКТРОННЫЙ ЯЗЫК» ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 125
Химический состав пота и соотношение его компонентов зависят от степени
потовыделения организма, интенсивности обмена веществ, здоровья человека,
его эмоционального и физического состояния. В табл. 2 [5] приведены неорга-
нические и органические соединения и их примерное количество в выделяемом
поте.
ТАБЛИЦА 2
Неорганические
компоненты
Количество, мг
Азотсодержащие соеди-
нения, мг
Количество,
мг
Хлор 36 – 995 Общий азот 66 – 108
Натрий 17 400 Небелковый азот 17 – 196
Калий 7 – 400 Азот аминокислот 1 10,2
Кальций 0,3 11,8 Азот аммиака 1 35
Магний 0,02 4,5 Азот мочевины 7,5 128,0
Фосфор Следы 7,37 Азот мочевой кислоты 0,2 1,2
Йод
0,0007– 0,00095
Азот креатинина 0,11 8,6
Медь 0,006
Марганец 0,006
Железо 0,024 0,064
Катионы представлены Nа, К, Са, Mg.
Слюна различных желез по составу неодинакова. Состав слюны меняется
при ряде общих заболеваний. При почечных страданиях (нефритах), сопровож-
дающихся уремией, в слюне в несколько раз возрастает количество остаточного
и общего азота, чем можно пользоваться с диагностической целью; при нефро-
зах нет такого повышения азота. Уровень азота в слюне увеличивается при яз-
венной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. При гипертонической
болезни и при алиментарной дистрофии в слюне снижается K/Na-коэффициент,
что позволяет предположить изменение активности коры надпочечника. При
мозговом инсульте железы на стороне кровоизлияния продуцируют слюну с по-
вышенным количеством белка и уменьшенным рН (показатель кислотности) по
сравнению с железами противоположной инсульту стороны.
Таким образом, задача заключается в выяснении возможности обнаружения
в выделениях человека, идентификации и определении концентрации калия,
кальция, натрия неинвазивными аппаратными методами [6, 7].
Один из способов определения ионов в электролите разработан на основе
уравнения Нернста для тока в электролитах [8, 9]. Зависимость потенциала от
концентрации ионов окислителя и восстановителя для реакции aA + bB =
= dD + eE имеет вид [4]
ed
ba
o
ED
BA
nF
RT
EE
][][
][][
ln ,
С.И. ЛУКАШ, З.В. ВЕТКИНА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 126
где Е окислительно-восстановительный потенциал; Ео нормальный окисли-
тельно-восстановительный потенциал; a, b, d, e стехиометрические коэффици-
енты уравнения реакции; [A], [B], [D], [E] концентрации ионов, моль/л;
n число принимаемых или отдаваемых ионом электроном; R универсальная
газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль.град); F число Фарадея, 96500 Кл;
Т абсолютная температура, К.
Величина окислительно-восстановительного потенциала зависит от темпе-
ратуры, давления и концентрации ионов, присутствующих в растворе.
Электродный потенциал измеряется или пересчитывается относительно
стандартного водородного электрода (СВЭ ): платинированная платина, погру-
женная в раствор кислоты концентрации 1 моль/л, насыщенная водородом при
давлении Р = 101 кПа и Т = 298,15 К . Потенциал СВЭ условно принят равным
нулю.
Электрохимические методы измерения потенциала на границе электрод-
раствор широко используются как для аналитического контроля, так и для ис-
следования электрохимических процессов.
В средах сложного, химически недостаточно определенного состава окисли-
тельный потенциал имеет значение физико-химического или диагностического
параметра, величина которого в значительной степени определяет течение про-
цессов, идущих в среде или в организме пациента. Изменение величины окисли-
тельного потенциала, например в бактериальной культуре, может вызвать изме-
нение направления биохимических процессов, активности работы ферментатив-
ной системы. Возможность функционирования фермента в качестве катализато-
ра окислительно-восстановительной реакции требует определенного оптимума
окислительного потенциала среды.
Измеряя и рассматривая в комплексе значения потенциалов, характерные
именно для данного состава электролита и выбранных электродов, можно про-
извести его идентификацию и дать определенные заключения по особенностям,
если предварительно на эталонных пробах было проведено обучение применяе-
мой экспертной системы.
Для измерений использовали подключенный к компьютеру интерфейс c
12-разрядным АЦП и программное обеспечение, которые были предоставлены
фирмой «Jenasensoric» [10].
Внешний вид устройства показан на рис. 1. Прибор позволяет одновременно
регистрировать сигналы от 8 электродов, оцифровывать их и записывать на жѐ-
сткий диск ПК в виде текстового файла или после обработки по заложенной мо-
дели выводить данные в виде графика. Подключение к ПК осуществляется через
COM-порт.
Устройство используемой конфигурации работает в качестве исследова-
тельской системы. Его модификации позволяют потребителю иметь портатив-
ные приборы для конкретных узких задач.
Программное обеспечение работает в среде Windows-98/2000/XP.
Возможности программного обеспечения:
«ЭЛЕКТРОННЫЙ ЯЗЫК» ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 127
получение данных от АЦП и запись на диск данных со всех каналов
одновременно;
выбор количества каналов, коэффициентов усиления и других парамет-
ров записи;
возможность формирования сигналов метки;
автоматическое отключение при завершении записи;
автоматический выбор диапазона шкалы по осям X и Y;
изменение параметров вывода данных для каждого канала в отдельности
или для группы каналов (чувствительность, фильтры, последовательность кана-
лов на экране или комбинация в одном из окон данных разных двух каналов);
вывод на экран горизонтальной и вертикальной масштабной сетки;
обработка данных по заложенной физической и математической
моделям;
вывод на экран номеров всех каналов.
В ПК осуществляется визуализация регистрируемых параметров, формиро-
вание базы данных, статистическая обработка информации, текстовое и графи-
ческое документирование.
Сенсорными элементами являются электроды из металлов, расположенных
в электрохимическом ряду напряжений по обе стороны от водорода, нормаль-
ный потенциал которого равен нулю.
При изготовлении сенсоров в качестве индикаторных электродов использо-
вали металлы: In, Al, Pd, Cu, Mo, Fe, Pt, Sn, Ag, Zn.
Электродом сравнения служил молибденовый сенсор, потенциал которого
близок к водородному. Прибор при изготовлении проверялся по эталонному
стандартному хлоросеребряному электроду в качестве электрода сравнения.
Из стандартных препаратов (Calcium chloride 10 %; Natrium chloride
0,9 % производство предприятия Украины; панангин, в 10 мл содержится
400 мг аспарагината магния (Mg++ = 33,7 мг), 452 аспарагината калия (К+ =
= 103,3 мг) производство предприятия Венгрии) были приготовлены раство-
ры разной концентрации. Концентрация неразведенного панангина была приня-
та за 1. Предварительно прибор был прокалиброван на растворах различной
концентрации исследуемых веществ.
В процессе эксперимента температура, давление, влажность окружающей
среды, концентрация растворов поддерживались постоянными. Методика экс-
перимента состояла в последовательном измерении референсной жидкости
(дистиллированная вода) и аналита. Сигналы от сенсоров по 8 каналам проходи-
ли предварительную обработку и отображались на экране монитора.
Результаты. Для выяснения надежности и воспроизводимости результата
проведен анализ многочисленных данных на одном и том же аналите, который
показал, что все результаты являются выборкой из генеральной совокупности,
характеризующейся нормальным распределением.
При обработке данных рассчитывали относительные изменения величин,
которые были использованы в качестве информационных сигналов для после-
С.И. ЛУКАШ, З.В. ВЕТКИНА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 128
дующей экспертной оценки. На нижеприведенных графиках по шкале У отло-
жены величины в относительных единицах (рис. 2).
Для выяснения возможности распознавания компонентов были приготов-
лены смешанные водные растворы: Р-р 1: K(0.5) + Na(0.45%); Р-р 2: Na(0.9%)
+ Ca(10.0%); Р-р 3: K(0.5) + Na(0.6%); Р-р 4: K(0.5) + Ca(5.0%). Здесь название в
виде аббревиатуры приведено условно по названию первого компонента, в рас-
творах также присутствует ион хлора.
РИС. 1. Общий вид оборудования: блок
сенсоров и блок первичной обра-
ботки сигналов
РИС. 2. Вид сигналов от 8 сенсоров для
аналита и референсной жидкости
(цифрами обозначены номера
сенсоров устройства)
На рис. 2 показаны последовательные измерения во времени сигналов от
каждого из сенсоров для аналита (панангинат) и воды. Такая временная харак-
теристика позволяет также сделать выводы о динамике происходящих процес-
сов в системе электрод-электролит, о времени установления стационарного
состояния.
На рис. 3 показан отклик четырех сенсоров на чистую аналитическую пробу
в виде разведения до указанной концентрации и на раствор, приготовленный из
этих же веществ. Все перечисленные сенсоры в опытах 16 имеют чувствитель-
ность к исследуемым ионам. Так, действие панангината и хлоридов натрия и
кальция на сенсоры 2, 6 и 7 имеет разнознаковый характер по выбранной шкале.
На сенсоре 5 хлориды натрия и кальция имеют отрицательное значение.
РИС. 3. Отклик сенсоровов 2, 5, 6 и 7
«ЭЛЕКТРОННЫЙ ЯЗЫК» ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 129
В работе [11] на примерах измерения запахов было показано, что для муль-
тисенсорных систем можно сформировать пространство признаков, которые по-
зволяют с достаточной вероятностью проводить распознавание.
Очевидно, что выборку данных в опытах с компонентами можно считать
обучающей, а значения – признаками, которые закладываются в программное
обеспечение экспертной системы. Полагая, что зависимость информационного
сигнала для узкого диапазона изменения концентраций вблизи указанных можно
представить линейным уравнением, то такое представление с определенной дос-
товерностью может быть положено в основу экспертной оценки [12].
Экзамен устройства по реакции на смеси компонентов (растворы 14) по-
казал, что отклик имеет промежуточное значение по сравнению с одиночны-
ми компонентами. В табл. 3 приведены значения относительного отклонения
сигналов для конкретных сенсоров и растворов. Для сенсоров 5 и 6 для двух
растворов отклонение от рассчитанного по линейной модели значения не превы-
сило 10 %.
ТАБЛИЦА 3
Сенсоры Р-р 1 Р-р 2 Р-р 3 Р-р 4
2 38 %
5 7 %
6 8 % 38 %
7 40 % 65 %
Данные табл. 3 свидетельствуют о неселективности или слабой селективно-
сти и перекрестной чувствительности задействованных сенсоров.
Выводы. Эксперимент показал, что в устройстве типа «электронный язык»
возможно автоматическое распознавание веществ в водных растворах, содер-
жащих небольшие концентрации калия, кальция, натрия, путем оптимального
выбора сенсорных элементов и разработки программного обеспечения для экс-
пертной оценки информационных сигналов на основе выделенных признаков.
Подобный прибор может быть адаптирован к конкретной задаче и исполь-
зован во многих областях народного хозяйства.
Работа выполнена при поддержке фирмы «Jenasensoric». Авторы выражают
благодарность Dr. Ahlers, Dr. Reish, W. Ring, D. Shulz, D. Fritze за оказанную
помощь.
1. Риклефс Р. Основы общей экологии: Пер.с англ. М.: Мир, 1979. 424 с.
2. Хегглин Р. Дифференциальная диагностика внутренних болезней. М.: Мир, 1961.
794 с.
3. Справочник по функциональной диагностике / Под ред. акад. И.А. Кассирского. М.:
Медицина, 1970. – 848 с.
4. Вилли К., Детье В. Биология. М., 1974. 820 с.
С.И. ЛУКАШ, З.В. ВЕТКИНА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2005, № 4 130
5. Большая медицинская энциклопедия / Гл. ред. А.Н. Бакулев. ГНИ «Советская энцик-
лопедия», 1962. 26. 1255 с.
6. Микрокомпьютерные медицинские системы / Под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбсте-
ра. М.: Мир, 1983. 541 с.
7. Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. М.: Мир, 1980. 582 с.
8. Барковский В.Ф., Горелик С.М., Городенцева Т.Б. Физико-химические методы анализа.
М.: Высш. шк., 1972. 344 с.
9. Шарло Г. Методы аналитической химии. М.: Химия, 1969. 1204 с.
10. Ring W., Shulz D. Fr¿herkennung des diabetes. Jena, 2004. 82 ʨ.
11. Алерс Х., Гладун В., Лукаш Л., Лукаш С. Принципы формирования пространства при-
знаков для задачи распознавания газов в атмосфере при помощи программного обеспе-
чения «Confor» // Искусственный интеллект. 1999. № 2. C. 386391.
12. Лукаш С.І . , Перетятько В.Ю . Компьютерная система определения ацетона в воздухе
дыхания // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – К.: Ін-т кібернетики ім. В.М. Глу-
шкова НАН України, 2004. № 3. С. 5056.
Получено 20.08.2005
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6439 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:29:02Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лукаш, С.И. Веткина, З.В. 2010-03-02T14:57:32Z 2010-03-02T14:57:32Z 2005 «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике / С.И. Лукаш, З.В. Веткина // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2005. — № 4. — С. 123-130. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6439 681.3: 591.3 Ранняя диагностика заболеваний одна из важнейших задач и проблем охраны здоровья человека. Использование устройства типа «электронный язык» в медицинской практике позволяет автоматически распознавать вещества в водных растворах, содержащих небольшие концентрации калия, кальция, натрия, путем подбора сенсорных элементов и разработки программного обеспечения для экспертной оценки информационных сигналов на основе выделенных признаков. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике Article published earlier |
| spellingShingle | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике Лукаш, С.И. Веткина, З.В. |
| title | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике |
| title_full | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике |
| title_fullStr | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике |
| title_full_unstemmed | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике |
| title_short | «Электронный язык» для использования в медицинской диагностике |
| title_sort | «электронный язык» для использования в медицинской диагностике |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6439 |
| work_keys_str_mv | AT lukašsi élektronnyiâzykdlâispolʹzovaniâvmedicinskoidiagnostike AT vetkinazv élektronnyiâzykdlâispolʹzovaniâvmedicinskoidiagnostike |