Методи, засоби та інформаційні технології для виявлення зворотного гортанного нерва

Abstract

У дисертаційній роботі розглянуто науково-технічне завдання удосконалення інформаційної технології та програмного забезпечення для процесу ідентифікації зворотного гортанного нерва (ЗГН) у ділянці хірургічного втручання під час операції на щитоподібній залозі. У процесі проведення подібних операцій існує висока ймовірність травмувати ЗГН, що є одним із найбільш поширених ускладнень хірургічного втручання на щитоподібній залозі. Травма ЗГН негативно впливає на голосовий апарат та дихальну систему людини. В гіршому випадку це може призвести до паралічу голосових зв'язок та втрати голосу пацієнтом. Саме тому, під час проведення таких операцій застосовують програмно-технічні комплекси для моніторингу ЗГН. Принцип роботи цих пристроїв базується на подразненні ділянки хірургічного втручання та обробці реакції ЗГН на дане подразнення. У першому розділі проведено аналіз наявних програмних та технічних засобів моніторингу ЗГН Проведений аналіз показав, що не існує єдиного програмно-технічного комплексу, який би міг, незалежно від фізіологічних властивостей тканин хірургічної рани пацієнта, обчислювати відстані від точки подразнення тканин 3 хірургічної рани до ЗГН та був би цілковито безпечним для пацієнта. Частина із існуючих програмно-технічних комплексів не дозволяє досить точно визначити місцезнаходження ЗГН в ділянці хірургічного втручання, частина із них не є цілковито безпечною для пацієнта, адже використовує нерегульовані струми для подразнення тканин хірургічної рани. Крім цього усі вони відзначаються високою вартістю, що не дозволяє широко використовувати їх під час проведення операцій на щитоподібній залозі. Також проаналізовано напрацювання таких авторів, як Дивак М.П., Падлецька Н.І, Порплиця Н.П. та Савка Н.Я. Запропоновані ними методи моніторингу ЗГН в ділянці хірургічного втручання дозволяють більш точно визначати місцезнаходження ЗГН. Основним їх недоліком є те що технологія не інтегрована в єдиний програмно-апаратний комплекс придатний для використання під час операції на органах шиї. Виходячи із вищезазначеного, актуальною є науково-прикладна задача створення математичного забезпечення та програмно-технічного комплексу із архітектурою та удосконаленою інформаційною технологією, які забезпечують надійну роботу усіх складових як цілісної системи для вирішення задачі моніторингу ЗГН в ділянці хірургічного втручання та дозволяють визначати місцезнаходження ЗГН в режимі реального часу. Далі у розділі проведено обґрунтування засобів розробки програмно-апаратного комплексу. Наведено основні вимоги поставленні перед апаратним забезпеченням комплексу. Проведено аналіз існуючих однокристальних комп'ютерів. Наведено їх переваги та недоліки у розрізі поставлених вимог перед програмно-апаратним комплексом моніторингу ЗГН а ділянці хірургічного втручання. У завершальній частині розділу здійснено постановку завдань дисертаційного дослідження У другому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз електрофізіологічних властивостей тканин хірургічної рани та як на них впливає подразнення за допомогою різних типів струму. Досліджено поширення електричних імпульсів в ЗГН та їх природу. Наведено принцип 4 роботи нового типу подразнення тканин хірургічної рани за допомогою прямокутних імпульсів. За основу взято метод електрофізіологічного подразнення тканин хірургічної рани та напрацювання таких авторів як Hoon Yub Kim, Xiaoli Liu, Young Jun Chai. Обґрунтовано безпечність для пацієнта даного типу подразнення при тривалому подразненні тканин хірургічної рани. У завершальній частині розділу наведено математичне забезпечення для реалізації електрофізіологічного принципу подразнення тканин ділянки хірургічної рани, яке базуючись на інтервальному аналізі даних дає можливість налаштовувати параметри струму подразнення тканин хірургічної рани під індивідуальні фізіологічні особливості пацієнта. Це дає можливість обчислювати відстані від точки подразнення до ЗГН, не залежно від фізіологічних властивостей пацієнта, що розширює область застосування програмно-технічного комплексу моніторингу ЗГН практично для будь якого пацієнта. У третьому розділі наведено результати розробки, проектування та реалізації програмно-технічного комплексу моніторингу ЗГН в області хірургічного втручання. Запропоновано нову концепцію інформаційної технології для виявлення ЗГН, яка, на відміну від існуючих, об'єднує апаратне, математичне та програмне забезпечення в єдиному пристрої, для реалізації електрофізіологічного принципу подразнення тканин ділянки хірургічної рани. Інформаційна технологія включає такі кроки: отримання інформаційного сигналу (внаслідок подразнення тканин хірургічної рани); адаптивне налаштування під особливості пацієнта; сегментацію інформаційного сигналу; спектральний аналіз із застосуванням продукційного типу правил (бази знань) та класифікація тканин хірургічної рани, візуалізація відстані від точки подразнення до ЗГН. Також інформаційна технологія розширена діаграмами component, UML та DFD для кращого розуміння процесів. 5 Далі у розділі наведена архітектура апаратного забезпечення із детальним описом процесу моніторингу ЗГН в ділянці хірургічного втручання та роллю кожної апаратної частини в цьому процесі. Архітектура апаратного забезпечення включає в себе: однокристальний комп'ютер Raspberry Pi model B, аналогова схема – генератор струму, який забезпечує роботу електрофізіологічного способу подразнення ЗГН за допомогою прямокутних імпульсів, мікрофон, зовнішня звукова карта, джерело живлення, блок звукового інформування хірурга, блок візуального інформування хірурга. Дана архітектура забезпечує взаємодію всіх складових в єдиному апаратному комплексі моніторингу ЗГН. У завершальній частині наведена архітектура програмного забезпечення програмно-апаратного комплексу моніторингу ЗГН в ділянці хірургічного втручання. За основу взята клієнт-серверна архітектура програмного забезпечення, оскільки дана архітектура дозволяє забезпечити належну комунікацію між програмними модулями системи, які є апаратно розділені. Програмне забезпечення розроблене за допомогою мови програмування Java Script та на основі платформ Node js та React js та з використанням таких технологій як Websocket, Canvas. Програмна система моніторингу ЗГН виконує такі функції: забезпечення функціонування електрофізіологічного принципу подразнення ЗГН; моніторинг процесів дихання пацієнта (реакції на подразнення); обробка реакції на подразнення (імплементація математичного забезпечення); класифікація тканин хірургічної рани та знаходження відстані від точки подразнення до ЗГН; візуалізація результатів опрацювання реакції на подразнення ЗГН в режимі реального часу. Програмне забезпечення візуально представлене у вигляді UML діаграми класів з детальним описом всіх елементів. У четвертому розділі дисертації наведено результати апробації програмно-апаратного комплексу для моніторингу ЗГН в області хірургічного втручання у Тернопільській міській комунальній лікарні швидкої допомоги при проведенні хірургічних операцій на щитоподібній залозі. 6 У першій частині розділу наведено детально структуру пристрою моніторингу ЗГН та його складових. Наведена інструкція з використання та результати роботи програмного забезпечення системи. Пристрій являє собою автономний блок, який встановлюється під час операції та працює синхронно із пристроєм візуалізації (планшет або мобільний телефон). Програмне забезпечення пристрою дозволяє, подразнювати ЗГН та отримувати результати цього подразнення в режимі реального часу, під час проведення операцій на органах шиї. У другій частині розділу наведено результати дослідження залежності реакції ЗГН на подразнення від відстані від точки подразнення у ділянці хірургічного втручання до ЗГН. Доведено що дана залежність нелінійна. Чим ближче від точки подразнення до ЗГН ти сильніша реакція на подразнення. У завершальній частині четвертого розділу дисертаційної роботи показано ефективність застосування програмно-технічного комплексу для моніторингу ЗГН в області хірургічного втручання. Ефективність полягає у зменшенні ризику пошкодження ЗГН та одночасному зменшенні часу проведення операції на органах шиї. Практична цінність роботи полягає у розробці програмно-технічного комплексу моніторингу ЗГН у ділянці хірургічного втручання, який апробовано на вибірці пацієнтів та захищено патентом України на корисну модель. Specialized Academic Council DF58.082.006 at the Western Ukrainian National University of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The dissertation considers the scientific and technical task for improving the informational technology and software for RLN identification in the area of thyroid gland surgery. During such surgeries, there is a high risk of injuring RLN, which is one of the most widely spread complications of surgery on the thyroid gland. RLN injury has a negative effect on the human’s vocal apparatus and respiratory system. In the worst case, it can lead to the vocal cords paralysis and the loss of voice. For this reason, during such surgeries, special programmatic and technical measures are applied in order to monitor RLN. Their principle of operation is based on the irritation of the surgical area and processing the reaction of the RLN on this irritation. The dissertation analyzes the current software and technical means of the RLN monitoring. We have defined that there is no one completely safe programmatic and technical complex that could calculate the distance from the point of surgery wound tissue irritation to RLN regardless of physiological characteristics of the patient’s surgery wound tissue. The first chapter analyzes the available hardware and software for RLN monitoring.The analysis has shown that there is no completely safe software or hardware that could, regardless of the physiological properties of the surgical wound tissue of the patient, calculate the distance from the surgical wound tissues irritation point to RLN. 11 Some of the available software and hardware complexes do not accurately determine the RLN location in the surgery area and some of them are not completely safe for the patient, because of using uncontrollable current to irritate the surgical wound tissues. In addition, all these complexes have a high price, which doesn’t allow their widespread use during the thyroid surgery. The works of such authors as Dyvak M.P., Padletska N.I, Porplytsia N.P and Savka N.Y. were analyzed. Their methods of RLN monitoring in the area of surgery allow to determine the RLN location more accurately. However, their main disadvantage is that this technology is not an integrated software and hardware complex suitable for neck surgery. Based on what was mentioned above, relevant is the scientifically applied task of developing a mathware and software and hardware complex with an architecture and improved information technology, that ensure a reliable operation of all components as a holistic system to solve the problem of RLN monitoring in the surgery area and detect the RLN location in real time. Further in the chapter, we have analyzed the means of hardware and software complex development.The analysis of existing single-board computers is done. Their advantages and disadvantages in the context of the requirements for the software and hardware complex for RLN monitoring in the surgery area are provided. In the final part of the section, the tasks of the dissertation research are set. The second section of the dissertation analyzes the electrophysiological properties of surgical wound tissue and how they are affected by irritation with different types of current. The propagation of electric pulses in RLN and their concept are investigated. The operation principle of a new irritation type of surgical wound tissues with the help of rectangular pulses is provided. The method of the electrophysiological principle of irritation of surgical wound tissues and the work of such authors as Hoon Yub Kim, Xiaoli Liu, Young Jun Chai are taken as a basis. The safety of this irritation type with prolonged irritation of surgical wound tissues is proved. 12 The final part of the section provides mathematical software for the implementation of the electrophysiological principle of tissue irritation of the surgical wound, which based on interval data analysis allows to adjust the principle of surgical wound tissue irritation to individual physiological characteristics of the patient. This allows to calculate the distance from the point of irritation to RLN, regardless of the physiological properties of the patient, which expands the scope of using software and hardware complex for RLN monitoring of almost every patient. The third section provides details of the design and implementation of software and hardware for RLN monitoring in the area of surgery. A new concept of information technology for RLN detection is suggested, which, in contrast to existing ones, combines hardware, mathematical and software in a single device to implement the electrophysiological principle of tissue irritation of the surgical wound. Information technology includes the following steps: receiving an information signal (due to irritation of surgical wound tissues). adaptive adjustment to the patient's characteristics, the method of segmentation of the information signal, the method of spectral analysis using the production type of rules (knowledge base) and classification of surgical wound tissues, visualization of the distance from the point of RLN irritation. Information technology is also enhanced with component, UML, and DFD diagrams for a better understanding of information technology processes. Further in the section the architecture of hardware with the detailed description of RLN monitoring process in the surgery area and a role of each hardware in this process is described. The hardware architecture includes: singleboard computer Raspberry Pi model B, analog circuit, which provides the operation of the electrophysiological method of RLN irritation with rectangular pulses, microphone, external sound card, power supply, a block for sound informing for the surgeon, and a block for visual informing for surgeon. This architecture provides the interaction of all components in a single hardware for RLN monitoring. The final part of the work describes the software architecture of the software and hardware complex of RLN monitoring. The client-server software architecture 13 is taken as a basis, as this architecture allows for proper communication between software modules of the system which are separated. The software is developed with Javascript programming language and based on the Node js and React js platforms with such technologies as Websocket, Canvas. The RLN monitoring software system is responsible for the following functions: ensuring the functioning of the electrophysiological principle of RLN irritation, monitoring the stimulation response, segmentation of informational signal; spectral analysis using production type rules(knowledge base) and classification of surgical wound tissues,visualization of the results of reaction to RLN irritation in real time. The software is visually presented in the form of UML diagram classes with a detailed description of all elements. The fourth section of the dissertation presents the results of approbations of the software and hardware complex for RLN monitoring in the area of surgery at the Ternopil Municipal Ambulance Hospital during thyroid surgery. The first part of the section provides a detailed image of the RLN monitoring device and its components. Instructions for use and results of the device software are given. The device is a stand-alone unit that is installed during the operation and works in conjunction with the visualization device (tablet or mobile phone). The software of the device allows you to monitor irritate RLN and get the results of this irritation in real time, during operations on the neck. The second part of the section presents the results of the study of the dependence of the RLN reaction to irritation on the distance from the irritation point in the area of surgery to RLN. It is proved that this dependence is directly proportional. The closer you are from the point of irritation to RLN, the stronger is the reaction of RLN to this stimulus. The final part of the fourth section of the dissertation shows the effectiveness of the software and hardware complex for RLN monitoring in the field of surgery. The result is the following - the reduction of the RLN damage and decreasing the duration of the neck surgery. 14 The practical value of the work is in the development of software and hardware complex for RLN monitoring in the area of surgery, which was tested on a sample of patients and protected by the Patent of Ukraine for a utility model.