Аппаратно-программный комплекс для исследования объемных параметров дыхания

In this paper, a developed hardware-software complex for studying volume parameters of breathing is considered. To estimate the volumetric parameters of breathing, a method for registering the movement of the chest and abdominal walls by changing the overall dimensions of the chest and abdomen with ranking according to the anatomical features of a person is proposed. A technique for researching the volumetric parameters of breathing based on the method of video recording of the movements of the chest and abdominal wall of a person was developed. The proposed method was used to estimate volume parameters of breathing among men aged 20–22 years. BMI (body mass index) ranged from 18.2 to 30.1 kg/m². The research of volumetric parameters of respiration was carried out using the hardware-software complex and the proposed technique for registering the biomechanics of breathing. Conclusions about the relation between volumetric parameters of breathing and the values of changes in the overall dimensions of the chest and abdomen during respiration were drawn. A correlation-regression analysis of the volumes of inhaled/exhaled air and the values of deviations of the overall dimensions of the chest and abdomen was carried out. The results obtained indicate a strong relation between volumetric parameters of breathing and the values of deviations in the overall dimensions of the chest and abdomen

Аппаратно-программный комплекс для исследования объемных параметров дыхания

In this paper, a developed hardware-software complex for studying volume parameters of breathing is considered. To estimate the volumetric parameters of breathing, a method for registering the movement of the chest and abdominal walls by changing the overall dimensions of the chest and abdomen with ranking according to the anatomical features of a person is proposed. A technique for researching the volumetric parameters of breathing based on the method of video recording of the movements of the chest and abdominal wall of a person was developed. The proposed method was used to estimate volume parameters of breathing among men aged 20–22 years. BMI (body mass index) ranged from 18.2 to 30.1 kg/m². The research of volumetric parameters of respiration was carried out using the hardware-software complex and the proposed technique for registering the biomechanics of breathing. Conclusions about the relation between volumetric parameters of breathing and the values of changes in the overall dimensions of the chest and abdomen during respiration were drawn. A correlation-regression analysis of the volumes of inhaled/exhaled air and the values of deviations of the overall dimensions of the chest and abdomen was carried out. The results obtained indicate a strong relation between volumetric parameters of breathing and the values of deviations in the overall dimensions of the chest and abdomen.Приводится описание разработанного аппаратно-программного комплекса для исследования объемных параметров дыхания. Для определения указанных параметров дыхания (жизненной емкости легких и дыхательного объема) предлагается способ регистрации движения грудной и брюшной стенок по изменению габаритных размеров грудной клетки и живота с ранжированием по анатомическим особенностям человека. Разработана методика исследования объемных параметров дыхания, основанная на методе видеосъемки движения грудной клетки и брюшной стенки человека. Предложенная методика была использована при оценке объемных параметров дыхания среди мужчин в возрасте 20–22 лет. Индекс массы тела (ИМТ) варьировался от 18,2 до 30,1 кг/м2. С помощью аппаратно-программного комплекса проведены исследования объемных параметров дыхания совместно с предложенным способом регистрации биомеханики дыхания, сделаны выводы о взаимосвязи объемных параметров дыхания и значений отклонений габаритных размеров грудной клетки и живота во время дыхания. Проведен корреляционно-регрессионный анализ объемов вдыхаемого/выдыхаемого воздуха и значений отклонений габаритных размеров грудной клетки и живота. Полученные результаты свидетельствуют о сильной взаимосвязи объемных параметров дыхания и значений отклонений габаритных размеров грудной клетки и живота

Методика оценки легочных объемов на основе записи биомеханики дыхательных движений

The method for studying the biomechanics of breathing has been developed to determine the volume of inhaled and exhaled air. The technique is based on recording the movements of the walls of the chest and abdomen of a person during breathing. A video camera was used to record movements of the chest and abdominal walls, with a spirometer used as the reference method for measuring lung volumes. According to the proposed technique, studies were conducted among 63 people (age – 18–26 years, body mass index ranged from 18.1–32.6 kg/m2, height – 160–192 cm). Statistical processing of the results showed a strong relationship between the measured volu mes and the relative deviations of the walls of the human chest and abdomen. The developed technique for studying the biomechanics of breathing can be used for indirect assessment of lung volumes.Разработана методика исследования биомеханики дыхания для определения объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Методика основана на записи движений стенок грудной клетки и живота человека во время дыхания. Запись движения стенок грудной клетки и живота выполняли с помощью видеокамеры. В качестве эталонного метода измерения легочных объемов использовали спирометр. По предложен ному алгоритму проведены исследования среди 63 человек (возраст – 18–26 лет, индекс массы тела – 18,1–32,6 кг/м2, рост – 160–192 см). Статистическая обработка результатов показала тесную взаимосвязь между измеренными объемами и относительными отклонениями стенок грудной клетки и живота человека. Разработанная методика может быть использована для косвенной оценки легочных объемов

Моделирование магнитотаргетинга лекарственных средств, основанное на вычислении проницаемости электромагнитного поля в ткани организма человека

Analysis of studies in the field of targeted delivery of drugs, genes and stem cells showed a low level of accuracy of both applied and practical research in this area. Sufficiently encouraging results were obtained with extracorporeal electromagnetic action on a pharmacological complex with a ferromagnetic nanoparticle. With this approach, it is rather difficult to implement the algorithm for introducing the drug into the topographic region (target organ), since in practice, approaches to the clinical application of drug transport technology, taking into account the physicochemical properties of human body tissues, have not been studied in detail. The available models represent various physical and mathematical approaches that do not take into account the bioelectrical and electrostatic properties of the tissues of the organisms of experimental animals and humans. The creation of algorithms and software simulation of this technology will allow calculating variable frequency variables for magnetotargeting in a human digital phantom, which will reduce time spent at the stage of pilot and clinical trials and in the future will form the applied part of the innovative technology. The article presents the methodology and results of multiphysics and mathematical modeling in the Sim4Life for Science, V7.0 package on the example of calculating the control parameters of the electromagnetic field of the region in the area of normal administration of drugs – the vessels of the forearm.Анализ исследований в области таргетной доставки препаратов, генов и стволовых клеток показал низкий уровень точности прикладных и практических исследований в данной области. В настоящее время применяется экстракорпоральное электромагнитное воздействие на фармакологический комплекс с наночастицей ферромагнетика. Однако при таком подходе достаточно сложно реализовать алгоритм введения препарата в топографическую область (орган-мишень), поскольку на практике клиническое применение технологии транспорта лекарственных средств с учетом физико-химических свойств тканей организма человека детально не изучено. Существующие модели представляют различные физико-математические подходы, которые не учитывают биоэлектрические и электростатические свойства тканей изучаемых организмов животных и человека. Разработка алгоритмов и программного моделирования данной технологии позволит рассчитать переменные частоты для магнитотаргетинга в цифровом фантоме человека. Это уменьшит временные затраты на стадии пилотных и клинических испытаний. В статье приведены методология и результаты мультифизического и математического моделирования в пакете Sim4Life for Science, V7.0 на примере вычислений управляющих параметров электромагнитного поля региона в области обычного введения препаратов – в сосуды предплечья

Модель воздействия сфокусированного ультразвука на биологические ткани

To study tissue permeability under extracorporeal exposure to various types of radiation, it is necessary to use multiphysical and mathematical modeling of all stages of the technology being developed, taking into account the dielectric and acoustic properties of human body tissues. The technologies used in medicine with focused ultrasound often have a high level of artifacts in the visualization of diagnostic studies and complications during therapy. When modeling exposure to focused ultrasound, the applied solvers must take into account pressure wave propagation, density changes and jumps, non-linearity and diffusion losses that occur in human tissues, and offer simulation of acoustic propagation in inhomogeneous installations in near real time. The article presents the results of multiphysics and mathematical modeling in the Sim4Life for Science V7.0 package using a full-wave acoustic solver (P-ACOUSTICS) of modern computational acoustics.Для изучения проницаемости тканей при экстракорпоральном воздействии различными видами излучений необходимо использование мультифизического и математического моделирования всех этапов разрабатываемой технологии с учетом диэлектрических и акустических свойств тканей организма человека. Применяемые в медицине технологии воздействия сфокусированным ультразвуком достаточно часто имеют высокий уровень артефактов при визуализации диагностических исследований и осложнений при проведении терапии. При моделировании воздействия сфокусированным ультразвуком применяемые решатели должны учитывать распространение волны давления, изменения и скачки плотности, нелинейность и потери диффузии, которые происходят в тканях человека, и предлагать моделирование акустического распространения в неоднородных установках практически в реальном времени. В статье представлены результаты мультифизического и математического моделирования в пакете Sim4Life for Science V7.0 с применением полноволнового акустического решателя (P-ACOUSTICS) современной вычислительной акустики

Модель воздействия электромагнитного поля на биологические ткани .

The design of modern devices for extracorporeal magnetotherapy should be preceded by physical and mathematical modeling of all stages of the technology of the effect of magnetic fields on various types of body tissues, taking into account their dielectric properties. This is necessary to create an electromagnetic field with the necessary biotropic parameters. In this work, a mathematical model of the effect of electromagnetic field on biological tissues, such as muscles, skin and adipose tissue, is constructed. The mathematical model takes into account various parameters of biological tissue, such as electrical conductivity and relative dielectric constant. Based on the model, the parameters of the response in biological tissues (the amplitude of the response in the tissue and the maximum value of the current in the tissue) were calculated in the innovative Sim4Life 5.2 platform. To test the mathematical model, a laboratory model was used to measure the electrical characteristics of biological tissue. During the research, experiments were carried out with three biological samples: adipose tissue, muscle tissue and skin. The dependences of the response amplitude in biological samples on the output signal power are plotted. The results obtained characterize the use of the proposed operation algorithm in a complex based on the Sim4Life 5.2 platform and simulation of electromagnetic field with a biological object that is optimal for the creation and examination of technologies and devices for magnetotherapy and inductors of extracorporeal effects of magnetic field. This work will make it possible to familiarize a wider range of different experts with the capabilities of the platform not only for modeling new medical devices, but also for the examination of available and those already applied in healthcare.Проектированию современных приборов экстракорпоральной магнитотерапии должно предшествовать физико-математическое моделирование всех этапов технологии воздействия магнитных полей на различные типы тканей организма с учетом их диэлектрических свойств. Это нужно для создания электромагнитного поля с необходимыми биотропными параметрами. В данной работе построена математическая модель воздействия электромагнитного поля на биологические ткани, такие как мышцы, кожа и жировая ткань. Математическая модель учитывает различные параметры биологической ткани, такие как удельная электропроводность и относительная диэлектрическая проницаемость. На основе модели рассчитаны параметры отклика в биологических тканях (амплитуда отклика в ткани и максимальное значение тока в ткани) в инновационной платформе Sim4Life 5.2. Для проверки математической модели использовался лабораторный макет для измерений электрических характеристик биологической ткани. В ходе проведения исследований были проведены эксперименты с тремя биологическими образцами: жировая ткань, мышечная ткань и кожа. Построены зависимости амплитуды отклика в биологических образцах от мощности выходного сигнала. Полученные результаты показывают использование предложенного алгоритма работы в комплексе на базе платформы Sim4Life 5.2 и симуляции электромагнитного поля с биологическим объектом, оптимальным для создания и экспертизы технологий и приборов магнитотерапии и индукторов экстракорпорального воздействия магнитного поля. Данная работа позволит ознакомить более широкий круг разного профиля специалистов с возможностями платформы Sim4Life 5.2 не только для моделирования новых приборов медицинского назначения, но и для экспертизы имеющихся и применяющихся в здравоохранении

ИМИТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИРОВОЙ ТКАНИ

A simulator of electrical characteristics of adipose tissue with lumped parameters in a magnetic field was developed. Studies have been carried out to determine the parameters of elements with lumped parameters.Разработан имитатор электрических характеристик жировой ткани с сосредоточенными параметрами в магнитном поле. Проведены исследования, позволившие определиться с параметрами элементов с сосредоточенными параметрами

Имитационная модель аппарата искусственной вентиляции лёгких

A model for the flow of a gas mixture in the respiratory circuit of an artificial lung ventilation apparatus has been developed. This model can be used to calculate the optimal values for artificial lung ventilation. It can also be used to simulate various situations that may arise during the treatment of a patient. In this paper, the cases were considered when the tubes were straight and when they were subjected to physical pressure, as well as when the tubes were subjected to a change in geometry (bent). The values of excess pressure in the respiratory circuit of the artificial lung ventilation apparatus were calculated. Recommendations on the use of the model are given.Разработана модель течения газовой смеси в дыхательном контуре аппарата искусственной вентиляции лёгких, которая может использоваться для расчета оптимальных значений показателя течения газовой смеси при проведении искусственной вентиляции лёгких. Также ее можно применять при моделировании различных ситуаций, возникающих в процессе лечения пациента. В статье приведены случаи, когда трубки оставались прямыми, когда на них оказывалось физическое давление и когда изменялась их геометрия (трубки были согнуты). Выполнены расчеты значений избыточного давления в дыхательном контуре аппарата искусственной вентиляции лёгких. Даны рекомендации по использованию модели течения газовой смеси в дыхательном контуре аппарата искусственной вентиляции лёгких

Исследование влияния условий подачи озоно-воздушной смеси на процесс удаления фоторезиста с поверхности кремниевой пластины

The study is devoted to the research of the dependence of the processing results of photoresistive films on the silicon wafers surface in an ozone environment on the conditions and parameters of the process. The high oxidizing potential of ozone justifies the possibility of its use for removing organic films under atmospheric pressure. The experiments were carried out using the developed research bench, in which the mode and method of heating, as well as the method of supplying gas to the surface of the photoresist, were varied. Silicon wafers with a formed 1,35-μm thick masking photoresist film were used as experimental samples. It was found expedient that uniform heating of the plate over its entire surface can be achieved using a ceramic IR heater. When the ozone-air mixture was introduced into the center of the heated sample, the presence of the removed photoresist residues was observed, which was associated with a temperature drop in its surface area. To solve this problem, the computer models of the temperature regimes of the reaction volume elements were calculated. They showed that the scattering of the working gas flow over the surface of the silicon wafer would significantly increase the efficiency of photoresist removal, and with a good selection of the treatment regime it would ensure complete removal of the photoresist. The data obtained were experimentally confirmed by using an ozone-air mixture flow separator. Experiments were carried out to study the effect of the distance from the wafer surface to the working gas inlet on the photoresist removal rate. They showed that a decrease in the distance reduces the ozone loss due to thermal decomposition and, consequently, increases the material removal rate.Работа посвящена изучению зависимости результатов обработки фоторезистивных пленок на поверхности кремниевых пластин в среде озона от условий и параметров проведения процесса. Высокий окислительный потенциал озона обосновывает возможность его применения для удаления органических пленок в условиях атмосферного давления. Эксперименты выполнялись с использованием разработанного исследовательского стенда, в котором варьировался режим и способ нагрева пластины, а также способ подачи газа к поверхности фоторезиста. В качестве экспериментальных образцов выступали кремниевые пластины со сформированным слоем фоторезистивной маскирующей пленки толщиной 1,35 мкм. Было установлено, что для обеспечения равномерности нагрева пластины по всей ее поверхности целесообразным является использование керамического инфракрасного нагревателя. При подаче озоно-воздушной смеси в центр нагретого образца наблюдалось наличие остатков удаляемого фоторезиста, связанное с перепадом температуры в его приповерхностной области. Для решения данной проблемы были рассчитаны компьютерные модели температурных режимов элементов реакционного объема, которые показали, что рассеяние потока рабочего газа по поверхности кремниевой пластины позволяет значительно увеличить эффективность удаления фоторезиста, а при качественном подборе режима обработки обеспечивает полное снятие фоторезистивного материала. Полученные данные были экспериментально подтверждены путем использования сепаратора потока озоно-воздушной смеси. Проведены эксперименты по исследованию влияния расстояния от поверхности пластины до места ввода рабочего газа на скорость удаления фоторезиста, показавшие, что уменьшение расстояния способствует сокращению потерь озона в результате термического разложения и, соответственно, повышению скорости удаления материала

Model of electromagnetic field effect on biological tissues.

The design of modern devices for extracorporeal magnetotherapy should be preceded by physical and mathematical modeling of all stages of the technology of the effect of magnetic fields on various types of body tissues, taking into account their dielectric properties. This is necessary to create an electromagnetic field with the necessary biotropic parameters. In this work, a mathematical model of the effect of electromagnetic field on biological tissues, such as muscles, skin and adipose tissue, is constructed. The mathematical model takes into account various parameters of biological tissue, such as electrical conductivity and relative dielectric constant. Based on the model, the parameters of the response in biological tissues (the amplitude of the response in the tissue and the maximum value of the current in the tissue) were calculated in the innovative Sim4Life 5.2 platform. To test the mathematical model, a laboratory model was used to measure the electrical characteristics of biological tissue. During the research, experiments were carried out with three biological samples: adipose tissue, muscle tissue and skin. The dependences of the response amplitude in biological samples on the output signal power are plotted. The results obtained characterize the use of the proposed operation algorithm in a complex based on the Sim4Life 5.2 platform and simulation of electromagnetic field with a biological object that is optimal for the creation and examination of technologies and devices for magnetotherapy and inductors of extracorporeal effects of magnetic field. This work will make it possible to familiarize a wider range of different experts with the capabilities of the platform not only for modeling new medical devices, but also for the examination of available and those already applied in healthcare