Научная статья на тему 'Методы повышения точности уреазной дыхательной диагностики Helicobacter pylori'

Методы повышения точности уреазной дыхательной диагностики Helicobacter pylori Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
127
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
HELICOBACTER PYLORI / ДИАГНОСТИКА / DIAGNOSIS / ДАТЧИК ГАЗА / GAS SENSOR / НЕЙРОСЕТЬ / NEURAL NETWORK

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Матанцев А.Б., Ясовеев В.Х., Уразбахтина Ю.О.

В статье описаны существующие методы диагностики хеликобактериоза, представлены процедуры их проведения и интерпретация получаемых результатов, а также предложен метод диагностики с применением полупроводниковых каталитических датчиков газа, объединённых в систему. Датчики газа обладают перекрёстной чувствительностью к различным газам помимо того, для которого они рассчитаны. Применяя множество датчиков возможно снизить влияние примесных газов. Данная методика особенно актуальна в условиях медицинских учреждений, где в воздухе зачастую могут находиться пары спирта или хлорамина. При этом датчики выбирают таким образом, чтобы они были чувствительны к разным газам и максимально перекрывали зону перекрёстной чувствительности основного датчика. Таким образом обеспечивается компенсация влияния примесных газов на основной датчик. Предлагаемая система использует методы нейросетевых технологий, что позволяет повысить стабильность показаний в условия изменяющейся газовой среды. Благодаря микроконтроллерному управлению система автоматически осуществляет обработку данных. Предлагаемая система позволяет уменьшить влияние факторов, вносящих погрешность в результат измерения. Данные измерений могут быть переданы на персональный компьютер, что может использоваться для создания электронной базы данных или ведения истории пациента.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Матанцев А.Б., Ясовеев В.Х., Уразбахтина Ю.О.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Methods to improve the accuracy of urease respiratory diagnosis of helicobacter pylori

This article describes existing methods of H. pylori diseases diagnosis, procedures of interpreting acquired results and the diagnosis method with the use of semi-conductor catalytic gas sensors combined into the system. Gas sensors have cross-sensitivity to various gases in addition for which they are designed. The use of several sensors allows to reduce the influence of mixed gases. This method is especially useful within medical entities, where air inside can contain alcohol or chloramine vapors. Sensors are selected in the way to overlap main sensor's cross-sensitivity zone to the maximum extent possible. This is how mixed gases' influence on the main sensor is compensated. The proposed system uses methods of artificial neural network technology, which allows to enhance system's stability in changing gas mixture. Due to microcontroller driven calculations, the system can automatically provide data processing. The proposed system can reduce the influence of factors that contribute uncertainty to the measurement result. These results can be transmitted to PC, which one can use to create electronic database or to hold case history.

Текст научной работы на тему «Методы повышения точности уреазной дыхательной диагностики Helicobacter pylori»

mnogofaktornogo analiza pervichnoy invalidno-sti, s ispol'zovaniem usovershenstvovannoy meto-diki ob-obshchennoy otsenki pokazateley zdravookhra-neniya i algebraicheskoy modeli konstruktivnoy logiki. Mediko-sotsial'nye problemy invalidnosti. 2012;4: 40-5. Russian.

20. Khromushin VA, Kitanina KYu. Analiz invalidnosti naseleniya Tul'skoy oblasti. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. Elektronnyy zhurnal [internet]. 2012[cited 2013 Feb 21];1. Russian. available from: http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2012-1/3717.pdf.

21. Aver'yanova DA, Lebedev MV, Khromushin VA, Lastovetskiy AG. Travmatizm v dorozhno-transportnykh proisshestviyakh: analiticheskie issledo-vaniya s ispol'zovaniem algebraicheskoy modeli kon-struktivnoy logiki. Uchebnoe posobie.-- Moscow: RIO TsNIIOIZ; 2014. Russian.

22. Shcheglov VN, Buchel' VF, Khromushin VA. Lo-gicheskie modeli struktur zabolevaniy za 1986-1999 gody uchastnikov likvidatsii avarii na ChAES i/ili muzhchin, prozhivayushchikh v porazhennoy zone i imeyushchikh zlokachestvennye novoobrazovaniya organov dykhaniya. Radiatsiya i risk. 2002;13:56-9. Rus-sian.

23. Martynenko PG, Volkov VG, Khromushin VA.

УДК: 615.47-114:616-07-08

Prognozirovanie prezhdevremennykh rodov: rezul'taty algebraicheskogo modelirovaniya na osnove konstruktivnoy logiki. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2009;1:210-1. Russian.

24. Khromushin VA, Makhalkina VV. Obobsh-chennaya otsenka rezul'tiruyushchey algebraicheskoy modeli konstruktivnoy logiki. Vestnik novykh meditsin-skikh tekhnologiy. 2009;3:39-40. Russian.

25. Khromushin OV. Sposob vydeleniya glavnykh rezul'tiruyushchikh sostavlyayushchikh v algebrai-cheskoy modeli konstruktivnoy logiki. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. Elektronnyy zhurnal [internet]. 2012[cited 2012 May 15];1:[about 6 p.]. Rus-sian. Available from: http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/ Bul-letin/E2012-1/3966.pdf.

26. Khromushin VA, Khromushin OV. Programma dlya vydeleniya glavnykh rezul'tiruyushchikh sostav-lyayushchikh v algebraicheskoy modeli konstruktivnoy logiki. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. Elek-tronnoe izdanie [internet]. 2014[cited v2014 Aug 26];1:[about 5 p.]. Russian. Available from: http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2014-1/4899.pdf. DOI: 10.12737/5612

DOI: 10.12737/13306

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ УРЕАЗНОЙ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ HELICOBACTER PYLORI

А.Б. МАТАНЦЕВ, В.Х. ЯСОВЕЕВ, Ю.О. УРАЗБАХТИНА ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет, К. Маркса, 12, г. Уфа, Россия, 450000

Аннотация. В статье описаны существующие методы диагностики хеликобактериоза, представлены процедуры их проведения и интерпретация получаемых результатов, а также предложен метод диагностики с применением полупроводниковых каталитических датчиков газа, объединённых в систему. Датчики газа обладают перекрёстной чувствительностью к различным газам помимо того, для которого они рассчитаны. Применяя множество датчиков возможно снизить влияние примесных газов. Данная методика особенно актуальна в условиях медицинских учреждений, где в воздухе зачастую могут находиться пары спирта или хлорамина. При этом датчики выбирают таким образом, чтобы они были чувствительны к разным газам и максимально перекрывали зону перекрёстной чувствительности основного датчика. Таким образом обеспечивается компенсация влияния примесных газов на основной датчик. Предлагаемая система использует методы нейросетевых технологий, что позволяет повысить стабильность показаний в условия изменяющейся газовой среды. Благодаря микроконтроллерному управлению система автоматически осуществляет обработку данных. Предлагаемая система позволяет уменьшить влияние факторов, вносящих погрешность в результат измерения. Данные измерений могут быть переданы на персональный компьютер, что может использоваться для создания электронной базы данных или ведения истории пациента.

Ключевые слова: Helicobacter pylori, диагностика, датчик газа, нейросеть.

METHODS TO IMPROVE THE ACCURACY OF UREASE RESPIRATORY DIAGNOSIS OF HELICOBACTER PYLORI

A.B. MATANTSEV, V.KH. YASOVEEV, YU.O. URAZBAKHTINA Ufa State Aviation Technical University, K.Marks Str., 12, Ufa, Russia, 450000

Abstract. This article describes existing methods of H. pylori diseases diagnosis, procedures of interpreting acquired results and the diagnosis method with the use of semi-conductor catalytic gas sensors combined into the system.

Gas sensors have cross-sensitivity to various gases in addition for which they are designed. The use of several sensors allows to reduce the influence of mixed gases. This method is especially useful within medical entities, where air inside can contain alcohol or chloramine vapors. Sensors are selected in the way to overlap main sensor's cross-sensitivity zone to the maximum extent possible. This is how mixed gases' influence on the main sensor is compensated. The proposed system uses methods of artificial neural network technology, which allows to enhance system's stability in changing gas mixture. Due to microcontroller driven calculations, the system can automatically provide data processing. The proposed system can reduce the influence of factors that contribute uncertainty to the measurement result. These results can be transmitted to PC, which one can use to create electronic database or to hold case history.

Key words: Helicobacter pylori, diagnosis, gas sensor, neural network.

Цель исследования. Helicobacter pylori - бактерия, впервые обнаруженная в 1875 г. в слизистой оболочке желудка человека. Учёным не удалось вырастить культуру этой бактерии на питательных средах, известных в то время, и открытие было забыто. Тщательное исследование бактерии началось в 19791981 гг. Робином Уорреном и Барри Маршаллом. Они впервые сумели выделить и изолировать H. pylori из желудка человека, а также культивировать его на искусственных средах. Как вскоре выяснилось, бактерия способствует развитию гастритов и язв желудка. В своей публикации исследователи предположили, что H. pylori является причиной развития большинства случаев перечисленных заболеваний.

Рис. 1. Строение Helicobacter pylori

Одно из наиболее убедительных доказательств привёл Барри Маршалл, сознательно выпив содержимое чашки Петри с культурой H. pylori. Через некоторое время у него диагностировали гастрит. Три из четырёх постулатов Коха были выполнены, когда бактерию обнаружили в слизистой желудка исследователя. На следующей эндоскопии, проведённой через 10 дней после намеренного заражения, были обнаружены признаки гастрита в присутствии H. pylori. Тем самым был выполнен четвёртый постулат Коха.

С течением времени стала понятна этиологическая роль бактерии в развитии различных желудочных заболеваний [4]. По данным всемирной организации гастроэнтерологов до 50% населения западной и до 70% восточной Европы инфицированы штаммом H. pylori [5].

Исследованиями было продемонстрировано, что H. pylori может выживать до нескольких дней в молоке и проточной воде в инфекционной форме. В речной воде бактерия может сохраняться до нескольких месяцев, преобразуясь при этом в кокко-видную форму. Кокковидная форма H. pylori не поддаётся культивированию и не является инфекционной для человека. До сих пор не было точно установлено, способна ли бактерия восстанавливаться в инфекционную форму из коккоида.

Таким образом, ранняя диагностика и эрадика-ция Helicobacter pylori являются актуальными задачами. Целью данного исследования является поиск методов повышения точности и сокращения времени диагностирования инфекции Helicobacter pylori.

Материалы и методы исследования. В настоящее время существует широкое разнообразие методов диагностики H. pylori. Традиционно их разделяют на инвазивные и неинвазивные. К инвазив-ным методам относят бактериологический метод, гистологическое исследование, ПЦР слизистой оболочки желудка, цитологический метод и определение специфических IgG к Helicobacter pylori в сыворотке крови. Неинвазивные методы включают определение специфических IgG, IgA к Helicobacter pylori в кале, моче или слюне, ПЦР слюны, кала, зубного налета, а также уреазные дыхательные тесты на основе изотопов 13С, 14С [1]. Ниже приведён краткий обзор данных методов.

Самым специфичным методом, «золотым стандартом» лабораторной диагностики Helicobacter pylori является бактериологический. Для посева используют биопсийный материал, высеваемый на особые питательные среды (колумбийский агар или сердечно-мозговой агар со специальными добавками) в течение 2-4 часов после взятия. В качестве транспортной среды используют стерильный 20% раствор глюкозы, изотонический раствор натрия хлорида, тиогликолевые среды для контроля стерильности и др. Инкубация посевов осуществляется в специальных анаэростатах при микроаэрофильных условиях с содержанием кислорода около 5%. Ответ может быть получен через 57 суток. Колонии Helicobacter pylori, полученные в результате посева, используют для приготовления мазков с последующей окраской их по Граму, постановкой уреазного, оксидантного и каталазного тестов. На

основе результатов этих исследований и осуществляется идентификация возбудителя.

Ложноотрицательные результаты при использовании метода могут быть обусловлены мозаичностью заселения желудка Helicobacter pylori, различной степенью обсемененности некоторых участков даже одного биоптата и несоблюдением рекомендованных временных интервалов между забором и посевом. Длительность и трудоемкость не дают возможности широко использовать этот метод, но только он позволяет точно идентифицировать возбудителя, провести его геноти-пирование и исследовать чувствительность к антимикробным препаратам.

Гистологический метод позволяет не только идентифицировать Helicobacter pylori, но и оценить степень морфологических изменений слизистой оболочки желудка и двенадцатиперстной кишки.

Обнаружить H. pylori можно и на обычных, окрашенных гематоксилином и эозином препаратах, но это удается лишь на достаточно тонких и хорошо окрашенных срезах. Обычно используются окраски акридиновым оранжевым (чувствительность 85%), метод Гимзы (чувствительность 79%), по Граму (чувствительность 72%) и серебрения по Вартин — Старри — 67%.

Мазки-отпечатки для цитологического исследования чаще всего окрашивают по методу Гимзы. При изучении H. pylori в гистологических или цитологических препаратах можно выделить три степени обсеменения слизистой оболочки. При этом оценивают количество микробных тел в поле зрения микроскопа при увеличении 630 крат:

1. слабая степень — до 20 микробных тел в поле зрения;

2. средняя степень — до 50 микробных тел в поле зрения;

3. высокая степень — более 50 микробных тел в поле зрения.

Следует отметить, что эффективность гистологической диагностики во многом зависит от квалификации морфолога и его опыта работы.

Обычный биопсийный материал, фиксированный в формалине и залитый в парафин, может быть подвергнут исследованию иммуноцитохимическими методами с помощью моноклональных антител, ПЦР или методами гибридизации ДНК. Ввиду сложности выполнения в обычной гастроэнтерологической практике эти методы не нашли широкого применения.

Из всех серологических методов наибольшее распространение в мире получил метод твердофазного иммуноферментного анализа (ИФА). Обычно для ИФА используют комплекс антигенов микроба или его отдельные антигены, причем чувствительность и специфичность коммерческих тестов зависят именно от применяемых антигенов, от их чистоты.

В настоящее время разработаны быстрые серологические тесты, которые может проводить врач

непосредственно на рабочем месте без специального оборудования (Rapid Physician-Office Test).

Иммунологические методы широко используют для проведения эпидемиологических исследований, для длительного катамнестического наблюдения после успешной эрадикации H. pylori, для скрининга больных с диспепсическими жалобами.

Тем не менее метод ИФА имеет ряд недостатков:

— из-за слабого иммунного ответа он недостаточно информативен у детей; у новорожденных и детей до 6 месяцев серопозитивность может быть выявлена вследствие транс-плацентарной передачи антител от матери;

— длительная серопозитивность сохраняется после успешной эрадикации (ложноположительные тесты), что исключает возможность использования метода для контроля лечения;

— до 60-го дня с момента инфицирования из-за слабости иммунного ответа могут быть ложноотри-цательные тесты;

— чувствительность и специфичность иммунологических тестов с использованием слюны и мочи недостаточно изучены.

Метод основан на идентификации видоспеци-фичного для НР фрагмента ДНК. Это один из наиболее точных и высокоспецифичных методов. Материалом для ПЦР может служить не только биоптат слизистой оболочки желудка, но и желудочный сок, слюна, зубной налет, смывы из ротовой полости и кал.

Из-за сложности и высокой стоимости в рутинной медицинской практике метод не нашел широкого применения. В то же время он незаменим для научных исследований, так как дает возможность типиро-вать и дифференцировать штаммы бактерий, что позволяет осуществлять их эпидемиологическое изучение, отличить случаи реинфицирования от рецидива инфекции, особенно при внутрисемейном заражении.

Методика ПЦР включает три этапа:

1. выделение ДНК из клинического образца;

2. амплификация специфических фрагментов ДНК;

3. детекция продуктов амплификации.

Если нет возможности провести исследование сразу, образцы помещаются в морозильную камеру и хранятся при температуре -20 °С и ниже.

Выделение ДНК осуществляется с использованием специальных комплектов для выделения ДНК. В результате этого процесса получают раствор очищенной ДНК, свободной от ингибиторов и готовой к амплификации.

На этапе амплификации полученный материал соединяют со специфическими праймерами, которые при определенных температурных условиях обеспечивают накопление специфических фрагментов ДНК в количестве, достаточном для проведения анализа. Выполняется специальная подготовка образцов. Реакция амплификации проводится с ис-

пользованием специальных программ, включающих три этапа с повторением цикла 35 раз:

1. денатурация ДНК (расплетение двойной спирали) при температуре 94 °С — 30 с;

2. отжиг (присоединение) праймеров при температуре 57 °С — 60 с;

3. достраивание цепей ДНК при температуре 72 °С — 60 с.

Детекция продуктов амплификации проводится посредством горизонтального электрофореза в 1,5% агарозном геле с добавлением бромистого эти-дия, который образует с фрагментами ДНК прочные соединения, способные флюоресцировать под воздействием УФ-облучения. Это регистрируется в специальных камерах (трансиллюминаторах) в виде светящихся полос. При проведении электрофореза обязательным условием является нанесение маркера с известной молекулярной массой, для того чтобы иметь точку отсчета, относительно которой определяются искомые фрагменты (рис. 2). По интенсивности флуоресцентного свечения можно также провести полуколичественную оценку содержания Helicobacter pylori в образце и, следовательно, косвенно — в организме человека.

Неинвазивная дыхательная диагностика (с использованием мочевины, меченной 13С, 14С) эксплуатирует высокую уреазную активность Helicobacter pylori. Под действием уреазы в желудке мочевина, меченная изотопом углерода, расщепляется до аммиака и углекислого газа, содержащего метку. Углекислый газ попадает в кровь и выводится из организма через легкие, при этом в выдыхаемом воздухе возрастает содержание углерода.

М + + + + + — + -

уровень праймеров

М++-++-+-

уровень праймеров

Рис. 2. Нанесение маркеров

За рубежом широко применяются радиоактивный 14С, для регистрации которого необходим сцин-тилляционный счетчик, и нерадиоактивный 13C изотоп, для определения которого используют масс-спектрометры. Оба варианта являются высокоспецифичными и высокочувствительными, однако широкому внедрению метода мешают значительная стоимость, трудоемкость, необходимость наличия специального оборудования и высококвалифицированного персонала. Другой недостаток (особенно у детей) — необходимость приема внутрь мочевины, меченной изотопом.

Тем не менее в последние годы метод стал применяться и в России в различных модификациях, в том числе с использованием стабильных изотопов.

Радиационное воздействие недопустимо при диагностических процедурах у беременных, младенцев и детей. В связи с этим в последние годы значительное внимание уделяется методам с применением стабильных изотопов. Преимущество использования стабильных изотопов вполне очевидно — их полная безопасность: они нерадиоактивны и нетоксичны. Интенсивное внедрение методов стабильных изотопов в практическую медицину стимулировано высоким уровнем современного развития и совершенствования изотопной масс-спектрометрической техники для измерения стабильных изотопов и развитием технологий по производству препаратов, обогащенных стабильными изотопами. Применяемые дозы препаратов сопоставимы по содержанию стабильных изотопов с поступлением их в организм естественным путем вместе с пищей, водой, воздухом.

Кроме того, стабильные изотопы имеют еще одно немаловажное преимущество перед радиоактивными изотопами. Время жизни радиоактивных изотопов мало по сравнению с некоторыми биологическими процессами, протекающими в организме (период полураспада азота 10 мин, кислорода — 124 с), поэтому использовать их в качестве трассеров очень сложно. С помощью стабильных изотопов кислорода, азота и т.д. можно изучать длительно протекающие процессы, дифференцировать механизмы различных превращений веществ в организме, динамику метаболических процессов, распад и синтез различных соединений, участвующих в непрерывном химическом взаимодействии.

Применяемые в диагностических методах дозы препаратов, меченных изотопами, безопасны для здоровья. В последние годы разработан новый метод диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori. Наличие бактерий диагностируют с помощью вещества (мочевина), обогащенного изотопом 13С. Фермент уреаза, вырабатываемый бактериями, катализирует гидролиз мочевины до СО2, NH3 и Н2О. В результате разложения 13С-обогащенной мочевины и последующего метаболизма выдыхаемый углекислый газ обогащается тяжелым изотопом углерода.

Оценка степени 33С-обогащения СО2 позволяет диагностировать степень инфицированности.

В данной статье рассматриваются погрешности, возникающие при реализации уреазной дыхательной диагностики с применением полупроводниковых датчиков газа. Наиболее часто такие датчики выполняются в виде двух резистивных элементов, образующих плечо резистивного мостика Уитстона. Схема включения таких датчиков приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема включения полупроводникового датчика газа

Здесь Ri является подстроечным резистором для балансировки моста. Сбалансированый мост не выдаёт сигнала. Номиналы резисторов Rb и Ri выбираются в широком диапазоне для обеспечения правильного функционирования схемы. Когда газ сгорает на покрытой катализатором поверхности датчика, выделяющееся тепло вызывает повышение температуры, которое, в свою очередь, вызывает изменение сопротивления активного элемента датчика (рис. 3). Мост разбалансируется и на его диагонали возникает разность потенциалов, которая измеряется в качестве выходного сигнала. При этом важно, чтобы опорный элемент датчика сохранял своё сопротивление неизменным при воздействии газа, иначе результат измерения будет неточным.

Однако основным источником погрешностей при измерении концентрации газа является перекрёстная чувствительность датчика. Это явление заключается в том, что датчик, помимо чувствительности к некоторому газу (наиболее высокой чувствительности) обладает также чувствительностью к другим газам (как правило, меньшей). При этом примесные газы, находящиеся в составе смеси, могут оказать влияние на показания датчика. Рис. 4 иллюстрирует явление перекрёстной чувствительности датчика TGS2444 производства фирмы Figaro, Япония.

Рис. 4. Перекрёстная чувствительность датчика ТСБ2444

Как видно из рис. 4, присутствие 10*10-6 объёмных долей аммиака снижает сопротивление датчика до 0,2 от его первоначального значения. Присутствие 2*10-6 долей этанола снижает сопротивление до 0,9 от начального значения. Погрешность от воздействия примесного газа, выраженная в процентах, составляет

е=^~ .100%, (1)

AS„

AD /

где AS = примесц/

^ примеси / I!

/ 1 ч\

изменение характеристики

датчика при воздействии примесных газов;

AS

AR,

изменение характеристики датчика

при воздействии газа, к которому датчик имеет наибольшую чувствительность; е - относительная погрешность измерения. При значениях ^„рымесн = 0,1 дек-1 и №осн = 0,9 дек1 погрешность составляет 11%.

Другим источником погрешности является зависимость показаний датчика от влажности и температуры. На рис. 5 приведена зависимость показаний датчика ТСБ2620 от влажности и температуры.

Рис. 5. Зависимость показаний датчика TGS2620 от температуры и влажности

Как видно из рис. 5, изменение температуры от 20 °С до 30 °С вызывает изменение характеристики датчика на 10% от его начального сопротивления. Изменение относительной влажности воздуха в пределах (35...50) % также вызывает отклонение показаний датчика до 10%.

Одним из способов уменьшения погрешности является использование нескольких датчиков, чувствительных к разным газам [2,3]. При этом вспомогательные датчики выбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к газам, к которым перекрёстно чувствителен основной датчик. Так, согласно рис. 4, вспомогательные датчики должны быть чувствительны к водороду, этанолу и сероводороду. Датчики подключаются к нормирующим преобразователям, выходы которых соединяют с многоканальным сигма-дельта АЦП. При этом могут применяться как АЦП с одновременным вводом сигнала со всех каналов, так и с последовательным опросом. Такая возможность обусловлена тем, что показания датчиков изменяются медленно по сравнению со скоростью переключения каналов современных АЦП. Пример структуры входных цепей системы с несколькими датчиками приведен на рис. 6.

R

О =К* • ^)

R

Рис. 6. Структура входных цепей системы с несколькими датчиками. 1а, 1б, 1в - полупроводниковые датчики газа;

2 - источник питания нагревательных элементов датчиков;

3 - источник опорного напряжения; 4 - АЦП

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В табл. 1 приведены данные по чувствительности датчиков, которые могут быть использованы в перспективной системе дыхательной диагностики хели-кобактериоза.

Таблица 1

Величины чувствительности датчиков

№ Датчик/ чувствительность к газам (ед./дек) Аммиак Пары спирта Органические летучие соединения

1 TGS2444 0,6 0,3 0,2

2 TGS823 - 1,3 0,7

3 TGS6810 - - 2,2

1=1

где п - количество газов, к которым чувствителен датчик; в; - чувствительность датчика к г-му газу; а -концентрация г-го газа.

Обработка сигналов производится с помощью искусственной нейросети. Обученная правильным образом нейросеть минимизирует влияние случайных помех и перекрёстной чувствительности. Дополнительно к набору датчиков газа могут быть добавлены датчики температуры и влажности, что позволит корректированть влияния данных величин на показания датчика. Пример реализации системы газоанализа с шестью датчиками газа и применением нейросети показан на рис. 7.

Рис. 7. Система газоанализа с применением нейросети

Для моделирования работы нейронной сети предлагается использовать нейросетевой пакет NeuroSolutions 7 фирмы NeuroDimension. Данное программное обеспечение обладает возможностями загрузки данных из файлов *.csv, которые могут быть легко получены с помощью Microsoft Excel. В NeuroSolutions имеется около 100 разновидностей объектов, а также графический редактор, позволяющий наглядно представить нейросеть. Фрагмент нейросети, представленной на рис. 7, выполненный в графическом редакторе NeiiroSohitions, представлен на рис. 8.

Характеристика чувствительности датчика выражается формулой

Рис. 8. Фрагмент нейросети в графическом редакторе NeuroSolutions

Ввод параметров осуществляется с реальных датчиков через микроконтроллер. Для сохранения и записи данных на персональный компьютер была разработана программа регистрации данных. Данные передаются по интерфейсу иАКТ, а в ПК устанавливается адаптер иАКТ-иББ. Программа содержит область графика, на котором сигнал с датчика отображается в реальном времени.

/

/

■ —-^"V

1 2 3 4 5 6 7 В Э 10 11 12 13 14 15 16 17 13 19 20 21 22 23 24 25 Отсчёт, №

Рис. 9. Отображение сигнала с датчиков газа в реальном времени

Результаты и их обсуждение. Моделирование работы системы диагностики хеликобактериоза в нейросетевом пакете показало, что среднеквадрати-ческая погрешность измерения концентрации аммиака может быть уменьшена до 7,6% с учётом внешних воздействующих факторов (примесные газы, влажность, температура). Система, оборудованная несколькими датчиками, показывает лучшую устойчивость к помехам, вносимым внешними воздействиями, благодаря работе нейросети. Разработанное программное обеспечение для получения данных с датчиков позволяет произвести набор статистики с различными газовыми смесями, для каждого случая проанализировать поведение нейросети и, при необходимости, произвести корректировку весов и связей сети.

Выводы. В соответствии с российскими стандартами для диагностики хеликобактериоза необходимо использовать одновременно не менее двух тестов. Это обусловлено тем, что ни один из применяемых методов не обладает абсолютной специфичностью для диагностики H. pylori. Чувствительность методов у детей раннего возраста существенно ниже, чем у взрослых.

Поэтому поиск новых методов неинвазивной дыхательной диагностики хеликобактериоза, обладающих высокой чувствительностью и специфичностью, остается актуальным на сегодняшний день.

В данной статье были рассмотрены методы уменьшения погрешности измерения концентрации аммиака при помощи использования нескольких датчиков и применения нейросети. Моделирование показало, что среднеквадратическая погрешность измерения концентрации аммиака может быть уменьшена до 7,6% с учётом внешних воздействующих факторов (примесные газы, влажность, температура).

Литература

1. Методы диагностики хеликобактериоза / под ред. Козлова А.В., Новиковой В.П. СПб.: «Диалектика», 2008. 88 с.

2. Матанцев А.Б., Уразбахтина Ю.О., Ясовеев В.Х. Система диагностики хеликобактерной инфекции // Высокие тех-нологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине: 5-я Ме-ждунар. науч.-практ. конф. (Санкт-Петербург, 14-15 нояб. 2013): пят. конф. СПб.: СПбГПУ, 2013. С. 142-143.

3. Матанцев А.Б., Уразбахтина Ю.О., Ясовеев В.Х. Система неинвазивной диагностики хеликобакте-риоза // Вестник УГАТУ. 2014. Т. 18, № 2. С. 69-73.

4. Biljana Miljkovic-Selimovic, Branislava Kocic, Tatjana Babic. «Campylobacter and helicobacter in the etiology of gastrointestinal diseases» // Archives of Biological Sciences. 2012. 64 (4). P. 1389-1404.

5. World Gastroenterology Organisation Global Guidelines. «Helicobacter pylori in developing countries», WGO Global Guideline, August, 2010. 15 p.

References

1. Metody diagnostiki khelikobakterioza. pod red. Kozlova AV, Novikovoy VP. SPb.: «Dialektika»; 2008. Russian.

2. Matantsev AB, Urazbakhtina YuO, Yasoveev VKh. Sistema diagnostiki khelikobakternoy infektsii. Vysokie tekh-nologii, fundamental'nye i priklad-nye issledovaniya v fiziologii i meditsine: 5-ya Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Sankt-Peterburg, 14-15 noyab. 2013): pyat. konf. SPb.: SPbGPU; 2013. Russian.

3. Matantsev AB, Urazbakhtina YuO, Yasoveev VKh. Sistema neinvazivnoy diagnostiki khelikobakterioza. Vestnik UGATU. 2014;18(2):69-73. Russian.

4. Biljana Miljkovic-Selimovic, Branislava Kocic, Tatjana Babic. «Campylobacter and helicobacter in the etiology of gastrointestinal diseases». Archives of Biological Sciences. 2012;64(4):1389-404.

5. World Gastroenterology Organisation Global Guidelines. «Helicobacter pylori in developing coun-tries», WGO Global Guideline, August; 2010.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.