Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов управления биотропными параметрами в комплексной магнитотерапии 10
1.1 Способы управления биотропными параметрами магнитного поля, применяемые в магнитотерапии 10
1.2 Комплексная магнитотерапия, обеспечивающая оперативное управление биотропными параметрами 21
1.3 Анализ выраженных реакций биообъектов на биотропные параметры магнитотерапии 26
1.4 Существующие методы управления биотропными параметрами магнитотерапии по выраженным реакциям биообъектов 29
1.5 Методы формирования многопараметрических критериев оценки состояния биообъекта 34
1.6 Выводы 39
Глава 2. Разработка метода оперативного управления по результатам анализа обобщенного показателя состояния пациента 40
2.1 Использование показателя активности регуляторних систем для организации оперативного управления в магнитотерапии 40
2.2 Исследование применения ПАРС для определения изменения состояния пациента в течение магнитотерапевтического сеанса 48
2.3 Способы съема кардиоинтервалов, применимые для работы во время магнитотерапевтического сеанса 53
2.4 Виртуальный способ оперативного управления биотропными параметрами 58
2.5 Способ оперативного управления параметрами лечебной методики во время МТ сеанса 61
2.6 Выводы 74
Глава 3. Свойства и параметры магнитотерапевтическои аппаратуры, влияющие на возможности оперативного управления 75
3.1 Структуры МТА с возможностью коррекции биотропных параметров во время сеанса 75
3.2 Свойства и параметры магнитоскана, влияющие на возможности оперативного управления 91
3.3 Способы управления массивами индукторов 102
3.4 Выводы 108
Глава 4. Моделирование и реализация МТА с оперативным управлением 109
4.1 Программно-алгоритмическая модель МТА для автоматизированного исследования методов оперативного управления . Л 09
4.2 Практическая реализация МТА с оперативным управлением для медико-исследовательских целей 125
4.2.1 Магнитотерапевтический комплекс «АВРОРА МК-01» 125
4.2.2 Комплекс аппаратно программный КАП-МТ/8 «МУЛЬТИМАГ» 135
4.2.3 Устройства для измерения пульса и дыхания применяемые в МТА «АВРОРА МК-01» и КАП-МТ/8 «МУЛЬТИМАГ» 143
4.3. Выводы 150
Заключение 151
Библиографический список
- Комплексная магнитотерапия, обеспечивающая оперативное управление биотропными параметрами
- Исследование применения ПАРС для определения изменения состояния пациента в течение магнитотерапевтического сеанса
- Свойства и параметры магнитоскана, влияющие на возможности оперативного управления
- Практическая реализация МТА с оперативным управлением для медико-исследовательских целей
Введение к работе
Актуальность темы
Состояние здоровья человека, его оценка и поддержание необходимого уровня являются важнейшими предметами заботы развитого общества. Поэтому совершенствование известных и создание новых методов и средств лечения различных патологий являются и будут являться актуальными и важными. Одним из перспективных методов лечения является магнитотерапия, широко применяемая в медицинской практике в настоящее время.
Магнитное поле является сложным физическим фактором среды обитания человека, которая характеризуется геомагнитным полем Земли, фоновыми полями биосферы, искусственными стационарными и нестационарными магнитными полями, обусловленными деятельностью человека, а также магнитными полями самого биообъекта.
В основе теории воздействия магнитных полей на различные биологические системы, в том числе и на организм человека, лежат фундаментальные исследования И. П. Павлова, П. К. Анохина и др. ученых, позволяющие сделать вывод, что эти поля, являясь эволюционным фактором развития живых организмов, могут иметь решающее значение при регуляции компенсаторно-восстановительных процессов в организме и тем самым оказывать выраженное терапевтическое воздействие [1].
Теоретическую основу магнитологии заложили А. М. Демецкий, В. Н. Чернов, Ю. А. Холодов и др. Их работы посвящены исследованию действия магнитного поля на организм человека, развитию теории электромагнитотерапии и проблемам ее практического применения [1,2],
Одним из направлений магнитотерапии является использование локального (местного) воздействия поля, ограниченного площадью больного органа, или его проекции на поверхность тела пациента. Для этого разработано и серийно выпускается в России и за ее пределами множество магнитотерапевтических аппаратов с использованием постоянных магнитов: листовые аппликаторы, магнитные ремешки, двухполюсные медицинские магниты, магнитные таблетки и др., а также - с возможностью генерации переменных магнитных полей, имеющих изменяемые биотропные характеристики: «Полюс», «Градиент», «Каскад», «Маг -30» и др. Некоторые из выпускаемых аппаратов позволяют организовывать распределенное воздействие на организм пациента: «Алимп», «Атос», «Полемиг».
Другим, более перспективным и результативным направлением магнитотерапевтического воздействия является общее воздействие на весь организм пациента. Для подобного воздействия производится ряд аппаратов, оказывающих комплексное воздействие непосредственно на весь организм пациента: «Аврора МК -01», «Мультимаг МК- 03», «Магнитотурботрон».
Таким образом, на сегодняшний день низкочастотная магнитотерапия представляет собой интенсивно развивающуюся область медицины, способную решать многие практические задачи по восстановлению и реабилитации организма человека и лечению ряда заболеваний.
Создание магнитотерапевтических методик в настоящее время основано на анализе долговременной динамики состояния пациента на основе классических методов лабораторных исследований состояния его функциональных систем. Достоинство подобных методов заключается в их высокой достоверности, недостаток — малая оперативность получения результата, вследствие чего — невозможность быстрой коррекции методики воздействия в течение сеанса, в связи с чем возможно воздействие на пациента недостаточно эффективной для него методикой. Появились работы, посвященные оперативной диагностике и организации биоадекватной обратной связи [2], но они не дают ответа на вопросы практической реализации данного метода, выбора диагностического параметра или набора параметров пациента для анализа состояния пациента непосредственно в течение сеанса, что не позволяет получить от магнитотерапевтического воздействия максимальной эффективности лечения.
Остаются задачи, требующие дальнейшего изучения. К таким задачам относятся: повышение результативности магнитотерапевтического воздействия за счет индивидуального подбора биотропных параметров воздействующей методики к пациенту, основанном на анализе его текущего состояния здоровья; обеспечение оперативного контроля состояния систем организма пациента, и их диагностика во время процедуры; оперативное изменения биотропных характеристик поля по мере воздействия на пациента, в соответствии с его состоянием, для достижения большего лечебного эффекта.
Возможность оперативной диагностики и осуществления режима варьирования воздействия может дать специальная, помехозащищенная измерительная и диагностическая аппаратура, включаемая в контур биотехнической обратной связи [3].
Поэтому повышение результативности магнитотерапевтического лечения за счет подбора биотропных параметров воздействия на основе анализа обобщенного показателя здоровья пациента в течение лечебного сеанса является перспективным способом решения актуальной научно-технической задачи.
Цель работы
Целью диссертации является разработка методов и технических средств повышения эффективности системы магнитотерапевтического воздействия на пациента за счет оперативного управления биотропными параметрами во время сеанса магнитотерапии по результатам контроля состояния пациента.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить из множества показателей пациента набор достоверных, информативных и чувствительных к действию магнитного поля диагностических характеристик, которые возможно использовать для оценки состояния пациента в течение магнитотерапевтического воздействия и на протяжении всего курса лечения; создать аппаратные средства, пригодные для съема выбранных диагностических характеристик пациента в течение магнитотерапевтического сеанса; разработать методы обработки выбранной совокупности диагностических характеристик, формирования обобщенного критерия с целью оценки состояния пациента, используемого как показатель качества управления магнитотерапевтическим воздействием; провести анализ возможности управления значениями биотропных параметров магнитного поля, варьируемыми в течение магнитотерапевтического сеанса в соответствии с обобщенным критерием; разработать аппаратные и программные средства оперативного управления биотропными параметрами воздействующего магнитного поля как для лечебных целей, так и для исследовательских, направленных на получение и формирование оптимизированных методик магнитотерапевтического воздействия.
Научная новизна
Впервые предложено и обосновано применение в качестве интегрального критерия управления в системе управления магнитотерапевтическим комплексом показателя активности регуляторных систем (ПАРС) по Баевскому,
Определен минимизированный набор биотропных параметров магнитного поля, независимо варьируемых в течение лечебного сеанса, сформулированы требования к магнитотерапевтическому аппарату с расширенными возможностями по управлению биотропными параметрами.
Составлена структурно-алгоритмическая модель магнитотерапевтического аппарата с возможностью оперативного управления биотропными параметрами в течение магнитотерапевтического сеанса по результатам анализа обобщенного критерия состояния здоровья пациента и проведено ее имитационное моделирование.
Предложены новые способы формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия5 с возможностью оперативного управления сигналами в течение магнитотерапевтического сеанса, оригинальность которых защищена тремя патентами РФ.
Предложены структуры устройств для магнитотерапевтического воздействия с расширенными возможностями управления биотропными параметрами, оригинальность которых защищена двумя патентами РФ.
Практическая значимость
Применение предложенных методов управления биотропными параметрами магнитного поля в течение сеанса позволяет повысить результативность магнитотерапевтического воздействия за счет создания лечебных методик с более адекватным воздействием на пациента, с учетом его основного и сопутствующего заболеваний, дает возможность уточнять лечебные конфигурации поля в уже существующих методиках, индивидуализировать воздействие на конкретного больного в соответствии с его состоянием, что повышает терапевтический эффект. Сокращается время лечения пациента, в результате чего уменьшается общее время нетрудоспособности человека, и снижаются расходы на его лечение.
Разработаны новые средства для биотехнической обратной связи, которые внедрены в серийно выпускаемый магнитотерапевтический аппарат «МУЛЬТИМАГ М», что позволило расширить его функциональные возможности. Результаты разработок систем магнитотерапевтических комплексов с оперативным управлением биотропными параметрами внедрены в учебный процесс в ГОУВПО "Рязанская государственная радиотехническая академия". Полученные в диссертационной работе результаты использовались в научных разработках, связанных с созданием магнитотерапевтических комплексов с биотехнической обратной связью в ООО Научно производственная фирма «РРТИ-ИНТЕРКОМ», что позволило оптимизировать структуру комплекса.
Методы исследования
При решении поставленных задач применялся математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, методы кластерного анализа. Для решения задачи анализа структуры магнитотерапевтического аппарата с оперативным управлением применялось имитационное моделирование на ЭВМ.
Проведена экспериментальная проверка возможности применения ПАРС для оценки состояния пациента в течение магнитотерапевтического сеанса с использованием магнитотерапевтического аппарата общего воздействия «АВРОРА МК- 01» и аппаратуры для измерения и расчета ПАРС « MY - BODY ».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях:
Всероссийской научной конференции "Электромагнитные поля в медицине и биологии" (Рязань, 1995);
Межвузовской научно-практической конференции "Здоровье студента как комплексная проблема: медицинские, экологические и социальные аспекты" (Тула, 1996);
Всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" ( Рязань, 1996);
Всероссиской межведомственной выставке-семинаре «Учебная техника, технические средства обучения и жизнеобеспечения инвалидов» (Москва, 1997);
Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1998, 1999, 2000, 2001);
Научно-технической конференции «Медицинские информационные системы -МИС - 2000». (Таганрог 2000);
Межрегиональной научно-практической конференции-семинаре «Технологии физиотерапии XXI века» (Рязань 2001).
Внедрение результатов работы
Полученные в работе результаты внедрены при разработке аппаратно- программного комплекса «МУЛЬТИМАГ», серийно выпускаемого Касимовским приборным заводом, в учебный процесс в ГОУВПО "Рязанская государственная радиотехническая академия", использовались при разработке магнитотерапевтических комплексов "МУЛЬТИМАГ" в ООО Научно производственная фирма «РРТИ-ИНТЕРКОМ».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, из них 4 - в центральной печати, 2 - в межвузовских сборниках, 1 учебное пособие, 5 патентов РФ на изобретение.
Положения, выносимые на защиту # Способ использования комплексного показателя состояния пациента в виде
ПАРС для организации оперативного управления биотропными параметрами магнитного поля в течение магнитотерапевтической процедуры.
Структуры варьирования лечебно-исследовательского магнитотерапевтического комплекса с биоэффективными методами оперативного управления биотропными параметрами магнитного поля в течение магнитотерапевтического сеанса.
Программно-алгоритмическая модель функционирования магнитотерапевтического комплекса с расширенными возможностями управления биотропными параметрами магнитного поля в течение магнитотерапевтического сеанса по результатам анализа комплексного # показателя состояния пациента.
Бесконтактные технические средства для измерения параметров пульса и дыхания, основанные на оптическом локационном методе анализа колебаний грудной клетки пациента.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 69 наименований и 3 приложений. Диссертация содержит 151 страницу, в том числе 5 таблиц и 45 рисунков.
Комплексная магнитотерапия, обеспечивающая оперативное управление биотропными параметрами
При организации общего воздействия магнитным полем на биообъект в целом необходимо учитывать то, что воздействию подвергаются все клетки, органы, системы организма, механизмы их взаимодействия и взаиморегулирования. При реализации общего воздействия создается сложная биотехническая система, в которой главное звено - биообъект, подвергающийся воздействию многих случайных и задаваемых факторов. При этом предполагается реализация многоконтурной обратной связи, оперативной диагностики, возможность оперативного управления процедурой воздействия и биотропными параметрами магнитного поля [3, 7].
Магнитотерапию, основанную на вышеперечисленных принципах и реализующую эти возможности, называют комплексной магнитотерапией [1].
Магнитотерапевтическое воздействие характеризуется достаточно большим набором биотропных параметров, от значения которых зависит результативность воздействия на биообъект. Выбор параметров воздействия является сложной задачей, поскольку они должны: - оказывать выраженный терапевтический эффект; - прямо или косвенно влиять на патологический очаг; - оказывать минимальное негативное влияние.
Особенностями искусственной среды, создаваемой вокруг биообъекта, при низкочастотной магнитотерапии является то, что она носит фактически магнитный характер, хотя, как известно, электромагнитное поле состоит из двух компонент: электрической и магнитной. Соотношение между компонентами зависит от физической природы источника поля и от расстояния до этого источника. Установлено, что на расстоянии менее длины волны от источника излучения поле имеет ярко выраженный электрический или магнитный характер с подавляющим преобладанием одной компоненты. На расстоянии более 5-6 длин волн от источника поле принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, энергия которой поровну распределяется между электрической и магнитной составляющими. Магнитные поля создаются преимущественно цепями с низким волновым сопротивлением, большими токами при относительно малых перепадах напряжения (индуктивные элементы).
Сам биообъект практически не изменяет картину магнитного поля, создаваемого системой пространственного формирования магнитного воздействия, поскольку живая ткань фактически прозрачна для магнитного поля. Ослабление интенсивности поля в биообъекте на расстоянии 0,2 м от поверхности тела достигает 0,2 % и 0,5 % на частотах 10 Гц и 10 кГц соответственно. Следовательно, в биомедицинских исследованиях и экспериментах в низкочастотной области поглощением энергии биотканями практически можно пренебречь.
При реализации комплексного магнитотерапевтического воздействия необходимо учитывать при оперативном варьировании биотропных параметров ряд особенностей магнитотерапевтической аппаратуры и возникающие при этом ограничения.
Применяемые в настоящее время методики для аппаратов общего воздействия класса «АВРОРА» задаются в виде одного многократно повторяющегося; цикла в течение всего сеанса. Этот цикл состоит из отдельных тактов, у которых задаются длительность, направление и интенсивность вектора магнитного поля в дискретных областях поверхности тела биообъекта, выбор и расположение которых определяется типом применяемого оконечного устройства.
Доступнее всего изменять во время лечебной процедуры частоту и индукцию магнитного поля. Диапазон и шаг возможного варьирования индукции в течение каждого такта в аппаратах класса «АВРОРА» от 0 до 5 мТл, с 16 или 32 дискретными шагами [1] также имеется возможность задавать индукцию постоянного фонового магнитного поля.
Частота магнитного поля, воздействующего на биообъект, зависит от конкретной длительности каждого такта магнитотерапевтического сеанса. Диапазон и дискретность изменения длительности тактов в аппаратах класса «АВРОРА» с управлением от ЭВМ может изменяться от 1 мс до 10 с с шагом в 1 мс [1].
В случае индивидуального задания длительности каждого такта методики возможно только оценить среднюю частоту магнитного поля. В связи с тем, что биотропным параметром, оказывающим значительное влияние на результат лечения, является спектральный состав воздействующего поля и, особенно, частота его первой гармоники, необходимо, чтобы при адаптации методики имелась возможность изменять не только длительность отдельных тактов программы, но и пропорционально изменять все ее такты с целью изменения частоты ее первой гармоники, а в случае воздействия движущимся полем — и скорости его перемещения.
Скорость перемещения магнитного поля вдоль поверхности биообъекта является одним из основных биотропных параметров при воздействии движущимся (бегущим) магнитным полем, поэтому необходим ее подбор к конкретному биообъекту как отдельного параметра, не связанного в явном виде с адаптацией длительности отдельных тактов воздействия.
В ряде случаев применения импульсного модулирования магнитного поля возможно варьирование как по глубине, так и по частоте модуляции.
Направление вектора магнитной индукции и общее время проведения сеанса воздействия хотя и являются биотропными параметрами, но не подвергаются подобному варьированию. При применении оконечного устройства состоящего из соосно расположенных индукторов, используемых в аппаратах «АВРОРА», вектор может варьироваться только в двух направлениях (север - юг и юг - север), и при его изменении эффект может стать недопустимым для данного биообъекта.
Время сеанса определяется не только достигаемым во время одного сеанса краткосрочным эффектом, но и эффектами от сочетания серии лечебных процедур, и может задаваться только лечащим врачом. Возможен только один вариант управления временем процедуры, когда отклонения параметров пациента превышают предельно установленные значения, что соответствует резкому ухудшению состояния здоровья, в этом случае происходит аварийное прерывание сеанса и сигнализация об этом врачу.
Таким образом, при выборе оптимизируемых во время процедуры биотропных параметров магнитного поля необходимо учитывать следующие факторы: - возможность изменения заданных характеристик воздействия в явном виде; - возможность изменения биотропных параметров магнитного поля, связанных с этим изменением характеристик, не задаваемых в явном виде; - число возможных дискретных шагов изменения выбранного параметра, заданных или исходя из физической природы сигнала, или конструктивными особенностями магнитотерапевтического аппарата.
Поэтому можно считать, что биотропными параметрами, подвергающимися оптимизации во время процедуры для магнитотерапевтического аппарата общего воздействия типа «АВРОРА», являются: - индукция магнитного поля отдельного такта; - индукция фона магнитного поля; - тактовая частота; - скорости перемещения бегущего магнитного поля; - глубина и частота модуляции.
Исследование применения ПАРС для определения изменения состояния пациента в течение магнитотерапевтического сеанса
При этом на основании статистических оценок совокупности кардиоинтервалов производится расчет ЧП — частоты пульса за 1 мин, моды, амплитуды моды, индекса напряжения регуляторних систем, среднего квадратичного отклонения, математического ожидания, коэффициента вариации, вариационного размаха, коэффициента корреляции после сдвига анализируемого ряда на одно значение, мощности первого значения спектральной функции, мощности медленных волн первого порядка, мощности дыхательных волн. Затем на их основе рассчитываются показатели А, В, С, D, Ег характеризующие функционирование отдельных функциональных систем организма на основе зависимостей (2.1) - (2.5), и на их основе производиться расчет оценки ПАРС по зависимости (2.6) положительная и отрицательная составляющая оценки ПАРС рассчитываются отдельно по зависимостям (2,7) — (2.8) [13, 14, 15].
При анализе динамических рядов математико-статистических показателей возникает вопрос о сравнении текущих значений с исходными. Такое сравнение может осуществляться либо по абсолютным разностям, либо по относительным (в % или в условных единицах) изменениям. Следует, однако, иметь в виду, что математико-статистические характеристики сердечного ритма имеют различную вариабельность. Так, прирост ИН на 100 % является физиологически менее значительным, чем увеличение АМо на 50 % или уменьшение М на 25 %. Поэтому целесообразно в качестве индивидуальной зоны нормальных вариаций брать несколько увеличенные значения изменяемости каждого показателя в фоновом периоде, т.е. до начала воздействия. Для установления "зоны нормальных вариаций" необходим достаточный период наблюдения — не менее 3—5 мин, чтобы могли проявиться изменения ритма сердца, связанные с медленными волнами 2-го порядка. Изменения каждого показателя в динамике оцениваются по 5-балльной шкале (+2, +1, 0, —1, —2). Тогда возникают динамические синдромы, т.е. сочетание изменений комплекса вычисляемых показателей, которые можно выразить интегральным критерием в виде суммы баллов, что эквивалентно ПАРС и может интерпретироваться с физиологической точки зрения как изменение состояния регуляторних механизмов.
Для оценки результатов динамического наблюдения могут быть использованы различные методы. Наиболее простым и распространенным является статистический подход. Определяется статистическая достоверность различий по критериям Стьюдента или Фишера. Корреляционный подход позволяет оценить взаимосвязь между динамическими рядами показателей и с физиологической точки зрения отражает процессы синхронизации в работе регуляторных механизмов. Коэффициенты взаимной корреляции вычисляются также в пределах выделенных этапов исследования. Синхронизация процессов тем выше, чем больше степень напряжения регуляторных систем. Уменьшение синхронизации (т.е. уменьшение коэффициентов взаимной корреляции) при сохранении высокой степени напряжения механизмов регуляции, определяемое, например, по росту значений ИН, указывает на явления перенапряжения и астенизации в системе управления.
Во время магнитотерапевтического сеанса с применением оперативного управления, на основе анализа кардиоинтервалов происходит непрерывное измерение пульса и постоянный анализ показателя активности регуляторных систем (ПАРС) методом скользящей выборки. Тогда по динамике его изменения происходит коррекция воздействующих биотропных параметров поля, то есть во время сеанса принимается решение о выборе варьируемого биотропного параметра, направлении и величине его изменения.
Достоинство подобного метода - быстрая ответная реакция ПАРС, с регистрацией каждого нового кардиоинтервала возможен новый расчет ПАРС на основе метода скользящих выборок.
В течение каждого сеанса магнитотерапии желательно проводить управление воздействием по максимально возможному числу биотропных: параметров. Основная проблема, возникающая при этом — выбор способа варьирования параметров и скорость анализа изменения состояния пациента по ПАРС, на основе которого происходит принятие решения о направлении и величине изменения биотропных параметров воздействия.
При математическом анализе ритма сердца важнейшее значение имеет выбор объема выборки, т.е. числа кардиоинтервалов, подвергаемого статистическому анализу. В настоящее время широко применяется практика использования для математического анализа ритма сердца выборочных совокупностей объемов в 100 кардиоинтервалов [10]. При средней частоте пульса у человека 65—70 уд/мин время регистрации 100 кардиоинтервалов составит около 1,5 мин. На практике встречаются такие случаи, когда по условиям исследования оказывается недостаточно времени для получения даже 100 кардиоинтервалов. Согласно P.M. Баевскому [10] возможно уменьшать объем исследуемой выборки до 20 кардиоинтервалов [10].
При подобной периодичности расчета ПАРС за время стандартной лечебной процедуры длительностью 20 минут возможно проведение до 120 независимых вычислений ПАРС и соответственных шагов варьирования методики воздействия на пациента. Однако на подобную процедуру накладываются ограничения и со стороны применяемой лечебной методики, так как варьирование параметров воздействия можно производить только после прохождения одного цикла методики (в существующих аппаратах цикл, как правило, состоит из 16 или 32 тактов). Во время 20 минутного сеанса может быть от 37 до 75000 подобных циклов, но длительность цикла наиболее распространенных методик составляет, как правило, 1 -5с.
Таким образом, использование в качестве обобщенного критерия ПАРС позволяет организовать магнитотерапевтический сеанс с возможностью оперативного управления биотропными параметрами воздействующего магнитного поля в зависимости от состояния биообъекта. Дополнительное оборудование, необходимое в составе МТА для проведения процедур такого рода, - это ЭВМ для расчета по кардиоинтервалам ПАРС, и измеритель кардиоинтервалов. ЭВМ входит в состав современных МТА класса «АВРОРА», «МУЛЬТИМАГ», применимых для проведения сеансов магнитотерапии с оперативным управлением параметрами магнитного поля. Датчики кардиоинтервалов также применяются в составе подобных МТА для синхронизации воздействия с сердечными сокращениями. Поэтому для проведения подобных процедур не требуется поставки в состав МТА новой дорогостоящей аппаратуры, а достаточно добавить в состав современного МТА с компьютерным управлением соответствующее программное обеспечение.
Свойства и параметры магнитоскана, влияющие на возможности оперативного управления
Вид на окно, содержащее модель, некоторые раскрытые субблоки и диаграммы, отражающие ее работу, представлены на рис. 4.2.
Основное окно модели представлено на рис. 4.3, окна каждого субблока, входящего в эту модель, приводятся на рис. 4.4 — 4.7, временные диаграммы, снятые с работающей модели приведены на рис. 4.8 — 4.10, блок-схема алгоритма, поясняющая функционирование этой модели, приведена на рис. 4.11.
В созданной модели блок, имитирующий врача, отсутствует, и также отсутствует возможность запоминания модернизированной методики от предыдущего сеанса.
Магнитотерапевтическое воздействие представляется в виде методики задаваемой различными способами: в виде функции; в виде таблицы, строки которой выбираются в фиксированные моменты времени; в аналоговом виде. Каждый из этих способов имеет свои преимущества в зависимости от применения модели. Например, в настоящее время большинство методик задается в виде таблицы воздействия (рис. 4.12), поэтому данный способ задания модели может быть наиболее понятным. Для задания воздействующей методики в таком виде необходимо записать ее в виде матрицы вида рис. 4.13, а при вводе ее в модель — задать автоматический перебор столбцов по сигналам таймера (вид подобного блока задания методики представлен на рис. 4.13). В модели пациента, созданной для этого случая необходимо предусмотреть столько входов, сколько строк в матрице воздействия, для возможности выработки отклика пациента на каждый компонент воздействия, так как у реального пациента разным строкам соответствуют разные участки тела.
При создании модели пациента можно применять различные способы задания этой модели: аналоговый, табличный, в виде функциональной зависимости, и также имеется возможность с помощью порта ввода\вывода ЭВМ подключить модель физического подобия к имитационной модели, созданной в среде SIMULINK. Структуры моделей пациентов с различными способами задания представлены на рис.4.14. При создании подобной модели в разных случаях удобно применять разные способы. При исследовании модели, разработанной на основе экспериментальных данных, наиболее удобный способ задания модели пациента - табличный, когда в качестве модели вставляется таблица экспериментальных данных. При аналоговом способе задания модели пациента она задается в виде набора активных и пассивных компонентов электрических цепей. Достоинство подобного способа заключается в удобстве задания модели на основе функциональных схем, приводимых в ряде литературных источников [23, 22, 36].
При исследовании разработанной модели МТА с возможностью коррекции в качестве модели пациента использовалась интегрирующая цепь, то есть при адекватном воздействии обобщенный диагностический показатель пациента постоянно возрастал. Из литературы [23] известно, что организм человека можно представлять в виде интегрирующего звена 1—2 порядка, особенности создания подобных моделей рассмотрены в главе 2. На практике подобного отклика быть не может, так как любой диагностический показатель всегда имеет область оптимальных значений, при отклонении от которой в любую сторону состояние пациента ухудшается. Для приведения показателя к виду, заложенному в модель, его необходимо пронормировать относительно оптимального значения, так как практически за время сеанса невозможно добиться идеального значения. диагностического показателя, а можно лишь приблизиться к нему, поэтому можно считать его бесконечно возрастающим во время воздействия.
В отличие от рассмотренных ранее К-сетей, в приведенной модели используется не градиентный метод поиска, а метод Гаусса-Зайделя с одинаковым пробным и рабочим шагами, то есть в этом случае поиск происходит на каждом шаге только по одной координате. При подобном методе поиска не требуется предварительного исследования взаимной корреляции варьируемых параметров МП. Недостатком этого метода является относительно медленное стремление к оптимуму, но для медицинского применения это компенсируется наименьшей из всех методов вероятностью воздействия на пациента магнитным полем с недопустимым для него сочетанием биотропных параметров, вызванного ошибочным выбором направления рабочего шага из-за взаимной корреляции биотропных параметров, не выявленной при проведении пробных шагов в окрестностях точки начала поиска.
На рис.4.8 — 4.10 приведена динамика изменения состояния пациента и изменение биотропного параметра магнитного поля. В случае, когда в результате изменения биотропного параметра состояние пациента ухудшается, в блоке адаптации происходит смена направления изменения величины воздействующего параметра.
Аппарат «Аврора МК - 01» предназначен для воздействие на пациента динамическим магнитным полем сложной структуры с возможностью синхронизации по биоритмами пациента, в частности пульса. Он состоит из двух функционально самостоятельных частей: блока управления (электронная управляющая часть) и маг-нитоскана (системы индукторов, объединенных по заданной электрической схеме и формирующих заданное поле). Структурная схема аппарата «Аврора МК — 01» приведена на рис. 4.11. Съем параметра биоритма для синхронизации воздействия осуществляется с помощью сейсмодатчика пульса.
Использование оригинального способа формирования магнитных полей, реализованного в аппарате, позволило контролировать: - задание и отображение направления перемещения магнитного поля; - задание и отображение уровня магнитной индукции; - задание и отображение уровня "фона" магнитной индукции; - задание и отображение частотно-временной последовательности магнитного поля; - режима синхронизации.
МТА "Аврора МК-01" освоен в серийном выпуске и внесен в Государственный Реестр медицинских изделий, разрешенных к применению на территории Российской Федерации под кодовым номером ОКП 944490.
Практическая реализация МТА с оперативным управлением для медико-исследовательских целей
Структурная схема сейсмического датчика пульса, применяемого в аппарате "Аврора МК-01", приведена на рис. 4.20. Диапазон надежной регистрации пульса составляет 50...100 ударов в минуту. При частоте ниже 50 уд/мин возрастает вероятность срабатывания по второму максимуму, а выше 100 уд/мин - вероятность пропуска импульсов. Диапазон напряжений питания 10... 15 В, потребляемый ток составляет 25...50 мА, выходной сигнал - ТТЛ уровня. На электронном блоке имеется светодиод, индицирующий удары пульса.
Сейсмоприемник (ПП) представляет собой немагнитный (свинцовый) грузик (М) на упругих элементах с демпфированием, связанный с преобразователем колебаний в электрический сигнал (трубчатый пьезокристалл ЭП4Т-2), а в качестве элемента связи применяется упругая трубка, исключающая поломку пьезокристалл а при резких ударах. Сигнал усиливается усилителем У и детектируется двух-полупериодным детектором ДД, необходимость которого обусловлена с неопределенностью начального положения датчика и, соответственно, начальной полярности сигнала. Устройство выделения пульса УВП на основе пикового детектора преобразует аналоговый сигнал в импульс уровня ТТЛ.
Пиковый детектор (рис.4.20.) построен на основе инвертирующего усилителя У, диодов Dl, D2, конденсатора С и высокоомных резисторов Rl, R2. Конденсатор С заряжается при превышении сигналом напряжения на нем, т. е. начальный порог срабатывания определяется амплитудой предыдущей пульсовой волны. Ток заряда конденсатора С вызывает падение напряжения на резисторе R3 и срабатывание компаратора К. Напряжение с компаратора UK запускает одновибратор блокировки ОВ. Во время действия блокировки диод D3 закрыт высоким уровнем выходного напряжения и конденсатор медленно разряжается через резистор R2. После окончания блокировки емкость начинает разряжаться через диод D3 и резистор R4, быстро уменьшая порог срабатывания. Это позволяет выделить сигналы пульса даже при значительном разбросе их амплитуд.
Аппараты серии «МУЛЬТИМАГ» комплектуется различными типами устройств для осуществления биотехнической обратной связи, их схемы приведены на рис.4.21, 4.22. Оптическое устройство для регистрации пульса, показанное на рис. 4.21, а), закрепляется на пальце пациента. Свет от инфракрасного светодиода HL1 проходит через палец пациента и падает на фотодиод VD 1-1.
Особенность включения фотодиода в том, что он нагружен на электронный аналог индуктивности на элементах R2-R4, С1-СЗ, DA1. В результате схема менее чувствительна к посторонней засветке постоянным фоном. На элементах R5, R6, С4 выполнен каскад установки уровня сравнения компаратора DA2 с постоянной времени около 5 секунд (примерно 5-6 ударов пульса), с которым сравнивается усиленный сигнал с фотодиода. Сигнал с компаратора поступает на одновибратор DA3-1, формирующий импульсы постоянной длительности при выявлении пульсовой волны, которые поступают на интерфейс, связывающий датчик пульса с портом RS - 232 ПЭВМ.
Сейсмическое устройство для снятия пульса, показанное на рис. 4.21, б) по принципу действия аналогично применяемому в МТА "Аврора МК-01". Особенностью его является то, что информация передается по инфракрасному каналу с помощью светодиода HL1. Для приема этой информации на крышке магнитоскана напротив груди пациента помещается фотоприемник. Схема его представлена на рис. 4.22.
Данное устройство предназначено не только для приема сигналов с сейсмо-датчика пульса, но и для снятия сигналов дыхания с пациента. Для этого грудная клетка пациента освещается светодиодами инфракрасного диапазона HL1, HL2, отраженный от грудной клетки сигнал и сигнал с датчика пульса принимаются фотодиодом VD 1-1. Сигнал с фотодиода усиливается усилителем переменного тока на элементах R3 - R5, СІ, С2, DA1. Далее усиленный сигнал проходит фильтр низкой частоты на R6, R7, СЗ, С4, DA2 с частотой среза 0,5 Гц, подавляющий составляющие отраженного сигнала из-за сердечных сокращений и сигнала с датчика пульса, и поступает на устройство выделения дыхательных движений грудной клетки на R8 -R13, С5, Сб, VD2, VD3, DA3, DA4, DD1-1.
На элементах R8 — RIO, С5, VD3, DA3 выполнен компаратор с плавающей рабочей точкой, выделяющий фазу вдоха, а на R11 - R13, С6, VD2, DA4 - фазу выдоха. Усиленный сигнал с фотодиода проходит фильтр высокой частоты на R14, R15, С7, С8, DA5 с частотой среза 150 Гц, который подавляет составляющие сигнала из-за дыхательных движений грудной клетки, и помехи частотой 50 и 100 Гц, возникающие от осветительных ламп, питающихся от осветительной сети, и поступает на компаратор с плавающей рабочей точкой на R16 — R18, С9, VD4, DA6, выделяющий сигнал от датчика пульса. Сигналы с устройства выделения дыхания и пульса поступают на интерфейс, связывающий устройство с ПЭВМ, через порт RS - 232.
Вид устройства снятия пульса - на рис.4.23., локационный датчик пульса и дыхания расположен в грудной крышке магнитоскана (рис.4.24).
1. Разработана модель магнитотерапевтического аппарата с возможностью оперативного управления биотропными параметрами в течение магнитотерапевтического сеанса по результатам анализа обобщенного критерия состояния здоровья пациента с учетом постоянной времени реакции пациента.
2. Создан алгоритм работы магнитотерапевтического аппарата с оперативным управлением биотропными параметрами на основе анализа изменения состояния пациента в течение магнитотерапевтического сеанса.
3. На основе разработанной модели МТА и алгоритма его работы создана имитационная модель структуры МТА с оперативным управлением биотропными параметрами в среде SIMULINK. Проведена проверка ее работы, получены графики, отражающее поведение предложенной модели для разных откликов пациента.
4. Разработаны устройства снятия пульса и дыхания, применяемые для организации биотехнической обратной связи в МТА, внедренные в серийное производство на Касимовском приборном заводе в составе КАП-МТ/8 «МУЛЬТИМАГ».
5. На основе материалов изложенных в диссертации разработан контроллер обеспечивающий оперативное управления биотропными параметрами магнитотерапевтического сеанса для КАП-МТ/8 «МУЛЬТИМАГ», освоенного в серийном выпуске на Касимовском приборном заводе.
