Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния методов и систем транскраниальной электростимуляции (ТЭС) 13
1.1. Методы воздействия на мозг в лечебных целях (исторические аспекты) 13
1.1.1. Электрический наркоз и обезболивание 13
1.1.2. Электросон и электротранквиллизация 19
1.2. Анализ методов моделирования электростимуляции мозга 27
1.2.1. Модели процессов в нейронных структурах 27
1.2.2. Анализ эффективности электростимуляции существующими
методами 34
1.3. Постановка задач исследования 42
ГЛАВА 2. Математическая модель процессов электростимуляции нейронных структур 45
2.1. Математическая модель квазирезонансных свойств нейронных структур при
электростимуляции (ММЭС) 45
2.1.1. Динамика проводимости мембраны нервной клетки 45
2.1.2. Модель и спектр передаточной функции нервного волокна 49
2.1.3. Характеристика синаптической передачи возбуждения 53
2.2. Исследование свойств ММЭС для основных видов входных сигналов 57
2.2.1. Виды стимулирующих сигналов, применяемых в физиотерапии 57
2.2.2. Реакция ММЭС при прямоугольном входном сигнале 57
2.2.3. Реакция ММЭС при синусоидальном входном сигнале 64
2.2.4. Реакция ММЭС при треугольном входном сигнале 65
2.3. Выводы 67
ГЛАВА 3. Разработка методик исследования механизмов действия и оценки эффективности ТЭС 68
3.1. Методика визуализации линий наибольшей плотности тока (ЛНПТ) в мозге с помощью ЯМР-томографии 68
3.1.1. Описание экспериментальной установки ЯМР-томографии 68
3.1.2. Результаты исследования ЛНПТ в мозге 71
3.2. Методика и система оценки эффективности ТЭС по болевой реакции животных 73
3.2.1. Методика проведения эксперимента 73
3.2.2. Система оценки болевой реакции (СОБР) 75
3.2.3. Блок-схема СОБР 78
3.3. Результаты экспериментальной проверки метода ТЭС на аналоге ЗММ у
животных 79
3.3.1. Программа экспериментальных исследований 79
3.3.2. Результаты сравнительных исследований режимов ТЭС 82
3.4. Выводы 85
ГЛАВА 4. Разработка метода ТЭС ЗММ и синтез БТС ТЭС 87
4.1. Основы построения БТС ТЭС 87
4.1.1. Метод селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга 87
4.1.2. Принципы построения БТС резонансного типа и функциональная схема БТС ТЭС 87
4.1.3. Отличительные особенности БТС ТЭС 88
4.1.4. Функциональная схема БТС ТЭС 89
4.2. Требования к аппаратуре ТЭС и разработка конструктивных элементов стимуляции 92
4.2.1. Общие технические требования к аппаратам ТЭС 92
4.2.2. Конструкция токоподводящей части БТС ТЭС 92
4.3. Выводы 94
ГЛАВА 5. Модельный ряд аппаратов трансаир и результаты клинического применения 95
5.1. Принципы построения модельного ряда аппаратов ТЭС, реализующих селективную активацию ЗММ 95
5.1.1. Группы пользователей аппаратов ТЭС-терапии 95
5.1.2. Принцип построения модельного ряда аппаратов ТРАНСАИР 95
5.2. Обобщенная и частные блок-схемы аппаратов ТЭС 97
5.2.1. Обобщенная блок-схема аппаратов 97
5.2.2. Практические блок-схемы аппаратов ТРАНСАИР 99
5.3. Результаты клинического применения аппаратов ТРАНСАИР 101
5.3.1. Некоторые результаты применения в клинической практике 101
5.3.2. Области применения ТЭС-терапии 102
5.4. Перспективы разработки новых моделей аппаратов ТРАНСАИР 103
5.5. Выводы 105
Заключение 107
Литература
- Электрический наркоз и обезболивание
- Динамика проводимости мембраны нервной клетки
- Описание экспериментальной установки ЯМР-томографии
- Метод селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга
Введение к работе
Проблема замещения сильнодействующих лекарственных препаратов (прежде всего, наркотических и гормональных) и избавления тем самым от последствий их применения является одной из наиболее острых. Применение в этих целях неинвазивных методов лечения с использованием электричества издавна считалось привлекательным. Особое внимание исследователей привлекало воздействие на головной мозг как высшую структуру в иерархии нервной системы.
Начиная с работ французского исследователя Ледюка [110-112], история электростимуляции мозга насчитывает более 100 лет. Авторы многочисленных исследований чаще всего стремились получить электронаркоз или электрообезболивание с тем, чтобы избавиться как от применения наркотиков, так и от его последствий при лечении. Аппаратура, с помощью которой производилась электростимуляция, постепенно совершенствовалась: от механических прерывателей у Ледюка до транзисторных схем в аппаратах 70-х годов. Различное расположение электродов на голове отражало стремление направить воздействие в глубину мозга. Оно могло быть продольным (лоб-затылок), поперечным (висок-висок) или даже лобно-поясничным. Существовали интерференционные схемы воздействия, когда на разные пары электродов подавались разные частоты, с тем, чтобы получить их биения в объеме мозга. Так называемый «метод суммации» предусматривал подачу на электроды, расположенные по окружности головы, импульсов по очереди на диаметрально расположенные пары.
Успехи этих работ были, как правило, кратковременными и не получили широкого распространения. Основной причиной этого было как несовершенство техники, так и отсутствие понимания того, на какой объект (структуру мозга) должна быть направлена стимуляция. Отсутствовали так же верные теоретические представления о процессах, приводящих к разви тию нужных эффектов, и о поведении самого объекта воздействия в ответ на стимуляцию различными сигналами. Поэтому методики практически не воспроизводились за пределами лабораторий, в которых работали авторы.
В конце 60-х годов было установлено существование подкорковых структур мозга, непосредственная (инвазивная) электростимуляция которых приводила к анальгезии. Затем было обнаружено наличие в мозге морфино • подобных веществ - эндорфинов, и установлена локализация эндорфинэрги ческой системы, практически совпадавшая с локализацией противоболевой системы.
В начале 80-х годов в Институте физиологии им. И.П.Павлова РАН (Санкт-Петербург) В.П.Лебедевым впервые была показана возможность получения у животных устойчивого и воспроизводимого противоболевого эффекта с помощью электростимуляции [31, 36]. При этом игольчатые элек Ц
троды вводились подкожно в область лба (катод) и позади ушей (сдвоенный
анод). Подаваемые импульсы напряжения имели прямоугольную форму и сочетались с постоянным током. Частота следования импульсов находилась в диапазоне 60-80 Гц у различных видов животных и была видоспецифична. Метод получил название транскраниальной электроанальгезии (ТЭА). Было установлено, что его противоболевой эффект обусловлен повышением содержания эндорфинов в крови. Для генерации импульсов использовалась у стандартное лабораторное оборудование или переделанные под данный ре жим аппараты типа «Электронаркон», что доставляло существенные неудобства и не позволяло внедрить метод в практику.
К настоящему времени выяснилась решающая роль эндорфинных структур в реализации многих защитных функций организма (противоболевой, иммунной, репаративной), в связи с чем они получили наименование защитных механизмов мозга (ЗММ).
В связи с этим возникла задача направленной активации ЗММ с помощью электростимуляции в лечебных целях. Метод ТЭА в целом перспективен для этого, но требует устранения ряда недостатков, тормозящих его внедрение в медицинскую практику. При ТЭА сила тока достигает 10 мА, что приводит к ожогам кожи у пациентов и совершенно недопустимо. Кроме того, из-за изменения сопротивление нагрузки по ходу процедуры изменение тока стимуляции достигает 2-3 раз и требует постоянной корректировки уровня. На основе теоретических представлений нужно выявить наилучшую форму и частоту следования импульсов сигнала стимуляции и проверить эти выводы экспериментально. Для доказательства активации структур ЗММ необходимо создать методы прижизненного наблюдения за распределением токов в объеме мозга в процессе электростимуляции. На основе результатов этих наблюдений предстоит оптимизировать положение электродов на голове пациента. В целом необходимо добиться направленной активации ЗММ при минимальном общем уровне воздействия.
Решение этих вопросов представляется перспективным лишь на основе использования концепции биотехнических систем (БТС), в которой тесно увязываются все аспекты взаимодействия биологического и технического звеньев.
Таким образом, представляется безусловно актуальной разработка метода и аппаратуры для селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга (ТЭС ЗММ).
Цель работы
Целью работы является повышение эффективности электротерапевтической аппаратуры путем создания биотехнической системы для селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга.
Задачи исследования:
1. Анализ состояния методов и систем электростимуляции мозга.
2. Разработка математической модели процессов при транскраниальной электростимуляции (ТЭС) и оценка с ее помощью эффективности стимуляции различными сигналами.
3. Разработка методик исследования, экспериментальное изучение и оценка селективности различных способов ТЭС.
4. Разработка методики селективной ТЭС ЗММ и синтез соответствующей биотехнической системы для ее реализации.
5. Разработка принципов построения и схем аппаратуры для ТЭС ЗММ, создание образцов, их апробация и внедрение.
Методы исследований
Поставленные задачи решались на основе теории биотехнических систем, методов прикладной математики, машинной обработки экспериментальных данных, математической статистики, ЯМР-томографии, а также методов медико-биологических исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Созданная математическая модель процессов при транскраниальной электростимуляции позволяет выявить квазирезонансные свойства защитных механизмов мозга и оценить эффективность различных режимов их электростимуляции по выделению нейроактивных веществ.
2. Наиболее эффективной формой импульсов при стимуляции нервных структур является прямоугольная, а диапазон частот и длительность импульсов стимуляции могут определяться по спектру передаточной функции нервной структуры.
3. Селективное воздействие на защитные механизмы мозга через накожные электроды достигается выбором продольного направления протекания тока и квазирезонансным режимом стимуляции.
Биотехническая система нового класса, осуществляющая методику
селективной транскраниальной электростимуляции, позволяет достичь высокой эффективности при минимально возможном воздействии. Научная новизна работы:
1. Впервые разработана математическая модель процессов при электростимуляции, позволяющая выявить квазирезонансные свойства защитных механизмов мозга и оценить эффективность различных режимов их электростимуляции по выделению нейроактивных веществ.
2. Обоснована и разработана структура БТС нового - резонансного -типа для селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга.
3. Использованная методика ядерно-магнитно-резонансных исследований впервые позволяет установить линии наибольшей плотности тока в мозге на живом объекте и определить оптимальное положение электродов.
4. Впервые установленные биофизические и биохимические механизмы действия ТЭС позволяют сделать вывод о селективной активации защитных механизмов мозга.
Практическую ценность работы представляют:
1. Способ селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга.
2. Методика и система количественной оценки эффективности ТЭС в эксперименте на животных по их болевой реакции.
3. Принципы разработки и обобщенная блок-схема модельного ряда аппаратов ТРАНСАИР, реализующих методику ТЭС ЗММ.
4. Медицинские инструкции и методические рекомендации по работе с аппаратами ТРАНСАИР.
Апробация работы
Результаты работы апробированы на 20 научных конференциях: на Всесоюзной конференции "Синтез, фармакологические и клинические аспекты новых обезболивающих средств" (Новгород, 1991), на международной конференции «TIT IBRO World Congr. of Neiirosci» (Монреаль, Канада, 1991), на I Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (СПб., 1997), на международной конференции «XXXIII Internat. Congr. of Physiol. Sci.» (СПб, 1997), на международной конференции, посвященной 150-летию И.П.Павлова «Механизмы функционирования висцеральных систем» (СПб, 1999), на международном научном форуме "Онкология на рубеже XXI века. Возможности и перспективы" (Москва, 1999), на научной конференции «БиоМедприбор-2000» (Москва, 2000), на международной конференции «7 International Workshop on Functional Electrostimulation» (Вена, 2001), на международной конференции «Механизмы функционирования висцеральных систем» (СПб, 2001), на научной конференции «Электроимпульсная терапия в медицине и косметологии» (СПб, 2001), на I Международном конгрессе «Новые медицинские технологии» (СПб, 2001), на международной конференции «Медико-биологические последствия чрезвычайных ситуаций» (СПб, 2001), на VI Национальном конгрессе «Человек и его здоровье» (СПб, 2001), на научной конференции «Медэлектроника - 2002» (Минск, 2002), на VII Российском Национальном конгрессе «Человек и его здоровье» (СПб, 2002), на I Международной конференции «Современные аспекты реабилитации в медицине» (Ереван, 2003), на научной конференции «Медэлектроника -2003» (Минск, 2003), на I международном научном конгрессе «НейроБио-Телеком-2004» (СПб, 2004), на научной конференции «Актуальные вопросы физиотерапии, курортологии и восстановительной медицины» (СПб, 2004), на 60-й научно-технической конференции СПб НТОРЭС им.
А.С.Попова (СПб, 2005).
Внедрение результатов работы
Созданная аппаратура для транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга (аппараты «ТРАНСАИР») разрешена Минздравом РФ к применению, выпускается серийно и используется в более чем 3000 медицинских учреждений России.
За научную разработку метода и аппаратуры для транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга и его внедрение в широкую медицинскую практику автору (в составе коллектива) присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники за 2004 год.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 32 научных труда, из них 17 статей в изданиях, тезисы к 12 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 2 патента РФ на изобретение и 1 свидетельство на полезную модель.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 139 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 108 страницах машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков и 7 таблиц.
В первой главе проведен анализ состояния методов и систем транскраниальной электростимуляции (ТЭС) головного мозга, способов моделирования процессов в нейронах при электростимуляции. Показано, что перспективным направлением ТЭС является создание аппаратуры для направленной стимуляции гипоталамических структур, образующих эндорфинную систему или ЗММ. Произведена постановка задач исследования.
Во второй главе проведена разработка математической модели процессов в нейронных системах, позволяющей выявить их квазирезонансные свойства и оценить эффективность различных режимов электростимуляции по выходу нейроактивных веществ. На основе анализа сделан вывод о необходимости стимуляции прямоугольными импульсами в определенном узком диапазоне частот их следования.
В третьей главе проведена разработка методик исследования механизмов действия и оценки эффективности ТЭС ЗММ. Использована методика исследования линий наибольшей плотности тока (ЛНПТ) в мозге при электростимуляции на живом объекте на основе ЯМР-томографии, а также создана методика и система количественной оценки эффективности различных режимов ТЭС в эксперименте на животных по их болевой реакции. Установлено, что наибольшая плотность тока вблизи структур ЗММ наблюдается только при продольном (лобно-заушном) наложении электродов. Также выявлено, что эффективными режимами ТЭС являются биполярные и монополярные прямоугольные импульсы тока, а эффективность ТЭС в популяции можно повысить введением частотной модуляции сигнала.
В четвертой главе сформулирован метод селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга, позволяющий снизить силу тока стимуляции в 3-5 раз. Обоснована и разработана структура резонансной БТС ТЭС, выработаны технические требования к аппаратуре для ТЭС. Сделан вывод о том, что основными критериями построения БТС резонансного типа являются принципы селективности и минимального действия.
В пятой главе произведена разработка обобщенной блок-схемы аппаратуры для ТЭС ЗММ, а также предложены принципы построения модельного ряда аппаратов «ТРАНСАИР» на основе выявления групп пользователей. Проанализирована эффективность применения аппаратов «ТРАНСАИР» в клинической практике.
В заключении сделаны общие выводы по работе.
Электрический наркоз и обезболивание
Применение электрического наркоза казалось в начале XX века многообещающим методом общего обезболивания. Во-первых, при электронаркозе у животных не наблюдается неприятных последствий, свойственных ингаляционному наркозу, во-вторых - привлекательно простое управление глубиной наркоза путем изменения величины подаваемого напряжения и, наконец, открывалась возможность многократного электронаркоза.
Первые исследования в области электрического наркоза были проведены д Арсонвалем еще в 1890 году, который обнаружил, что наркотическое состояние у кроликов можно достигнуть при пропускании через голову тока частотой 2,5-10 кГц. Однако изучение этого явления было развернуто только через 12 лет, в 1902 г., С.Ледюком [ПО, 111, 112]. Ледюк и его сотрудники прикладывали катод к выбритому участку лба животного, а анод на выбритый участок спины у основания позвоночника. При этом у лабораторных животных удавалось получить состояние подобное сну, во время которого возникало снижение болевой чувствительности. Это состояние продолжалось в течение всего времени прохождения тока и несколько ми нут после его отключения. Возникавшие в ряде случаев клонические судороги, сопровождающиеся опорожнением мочевого пузыря и кишечника и возможность остановки дыхания, Ледюк считал недостатками самой методики. Будучи уверен в безопасности наркотизирующего электрического тока, он поручил своим ассистентам повторить опыт на самом себе. Весь опыт продолжался 20 минут. При максимуме воздействия Ледюк отмечал также лишь небольшое снижение болевой чувствительности, однако ассистенты были вынуждены прервать эксперимент, т.к., по их мнению, он угрожал жизни испытуемого.
Автор использовал специально разработанный прерыватель, с помощью которого и получали источник импульсного тока. Ток прерывался с частотой 100 Гц, соотношение длительности импульса к паузе составляло 1:10. Максимальная сила тока, которой удалось достигнуть, составляла 7 мА, при напряжении 35 В. В дальнейшем полученные этим автором прямоугольные монополярные импульсы получили распространение под названием "токи Ледюка".
В 1910 г. Robinovitch для обезболивания при ампутации четырех пальцев использовала прерывистый ток частотой 5000-6000 Гц [127, 128], Neergard также описывает проведенные им две операции с применением электронаркоза [119]. Однако внедрение в широкую практику этот метод не получил по следующим причинам: успех в открытии новых, менее опасных химических агентов. несовершенство методики электронаркоза, часто сопровождающегося судорожными реакциями [15], опорожнением кишечника и мочевого пузыря и затруднением дыхания.
В 40-х гг. экстракраниальное воздействие тока начали применять в психиатрии для лечения эндогенных и инволюционных депрессий, острых психотических состояний при шизофрении. По существу "электронаркоз" в данном варианте - это пролонгированный электрошок. Quarti и Renaud рекомендовали использовать для этого электрический ток синусоидальной формы с частотой 50 Гц, доводя за 4 сек. силу тока до 300 мА [124]. Это положение удерживалось в течении 1 мин., затем следовало снижение силы тока до 80 мА. При этом больной якобы погружался в глубокий сон.
Г.С. Календаров и сотр. исследовали зависимость глубины электроанестезии от расположения электродов [18]. Были проведены опыты с лоб-но-затылочным, лобно-поясничным, лобно-ножным и височным наложением электродов. Исследователи пришли к выводу, что лобно-поясничное расположение, предложенное Ледюком, наиболее болезненно. Позиция, при которой анод и катод располагались на висках испытуемого, являлась наиболее комфортной и позволяла увеличить подаваемое напряжение, но при этом почти никогда не удавалось достигнуть снижения чувствительности. Попытка использовать глазнично-затылочное расположение была подвергнута критике по нескольким причинам: во-первых, высокие значения тока, необходимые для электронаркоза, могут вызвать электролитическое поражение глаз, во-вторых - это невозможность оценки ширины зрачка в ходе операции [25].
Smith R.H. (1961) в опытах на собаках располагал катод на верхнем небе [133,134]. В настоящее время большинство исследователей использует лобно-затылочное или лобно-сосцевидное расположение электродов, при котором анод располагается спереди в области лба, а раздвоенный катод за сосцевидными отростками [115, 117]. Такой способ, как показал Gharbi (1967), обеспечивает прохождение тока в сагиттальном направлении и оказывает более эффективное действие на структуры головного мозга [89].
Динамика проводимости мембраны нервной клетки
Впервые обнаруженное В.П.Лебедевым явление селективности транскраниальных электрических воздействий [26] предполагает выраженный ответ ЗММ только в очень узком диапазоне параметров воздействия, как это можно наблюдать, например, в резонансных системах.
Поскольку, в конечном счете, рост концентрации эндорфинов есть результат экзоцитоза, т.е. выработки и выделения их определенными клеточными структурами, можно предположить, что и частотная избирательность обусловлена особенностями работы этих структур. Например, возникновение селективных свойств нервной клетки можно попытаться объяснить на основе анализа работы потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов ее мембраны.
Экзоцитоз в нашем случае есть конечный этап воздействия на клетку потенциала действия (ПД) или спайка, приходящего в соответствующие эндорфинные структуры от сигнальных (рецепторных) отделов нервной системы. В случае электростимуляции спайк может развиваться непосредственно в эндорфинных структурах, если возникающей при ЭС разности потенциалов на мембране достаточно для этого. Как известно, ПД развивается на основе быстрых изменений проницаемости мембраны клетки для ионов Na+ и К+, происходящих в ответ на изменение граничных условий по разные стороны мембраны. В стабильном состоянии на мембране поддерживается разность потенциалов в 60-90 мВ («минус» внутри клетки), а также трансмембранная разность концентраций ионов Na и К, соот ветственно, 1 к 10 и 30 к 1 (первая цифра характеризует внутреннюю концентрацию).
При снижении мембранного потенциала (МП) до определенной критической величины (35-55 мВ у разных клеток) развивается автоматический процесс генерации одиночного спайка. Его развитие обеспечивается работой специфических и строго избирательных к «своим» ионам Na и К каналов ионной проводимости, встроенных в мембрану клетки. Переход канала из закрытого (в покое) состояния в открытое у потенциал-зависимых каналов осуществляется под воздействием сдвига МП. По открытому натриевому каналу ионы Na проникают из внеклеточной среды внутрь, а по открытому калиевому каналу ионы К+ движутся, наоборот, изнутри - наружу. Количество перенесенных за время спайка ионов натрия примерно равно перенесенному навстречу количеству ионов калия (иначе нарушится равновесие покоя), однако эти каналы работают с разными временными характеристиками. Натриевые каналы открываются значительно быстрее, поэтому потенциал внутри клетки становится положительным, а затем более медленные калиевые каналы своей работой компенсируют эту разницу. Кроме того, плотность натриевых каналов на мембране нервной клетки примерно в 2-3 раза больше, чем калиевых, что вынуждает калиевые каналы работать дольше. Суммарное время работы Na и К каналов в одном цикле как раз и составляет длительность спайка или ПД.
Поскольку одиночный канал имеет только два значения проводимости: 0 в закрытом состоянии и около 40 пСм в открытом, то принято оценивать количество открытых каналов, приходящихся на 1 мкм2. Экспериментально полученные данные по динамике проводимости Na и К каналов представлены на Рис. 10.
Для нахождения передаточной функции построим упрощенную модель процессов в мембране. Для качественного анализа процессов возьмем в рассмотрение только линейные уравнения (в МХХ это нелинейное уравнение 4-го порядка). При этом будем считать, что для случая электростимуляции не так важен порог возникновения спайка, как процесс его воздействия на последующие структуры. При необходимости более точного анализа будем вводить характеристики нелинейности «по месту требования».
Указанные на Рис. 10 кривые необходимо перевести в функцию времени. Для адекватной аппроксимации воспользуемся тем же приемом, что был применен Ходжкиным и Хаксли в свой знаменитой работе [94], т.е. возведением в степень экспоненциальных зависимостей, отражающих динамику процессов. Порядок входящих в уравнение выражений и форму самого уравнения оставим аналогичными принятым в данной работе: (7) a - коэффициент, определяющие амплитуду спайка; е - основание натурального логарифма; Ь, с, f, g - коэффициенты, характеризующие длительность и форму спайка; Результат аппроксимации представлен на Рис. 11. Здесь Ь=\, с=/=0,3, g=0,26. При а=200 получаем амплитуду спайка 70 мВ. Выражение в первых угловых скобках уравнения (7) характеризует вклад в форму спайка натриевой проводимости, во вторых угловых скобках - калиевой. Равенство коэффициентов с и/может свидетельствовать о том, что спад натриевой проводимости является следствием нарастания калиевой, т.к. эти процессы имеют одну и ту же постоянную времени.
Описание экспериментальной установки ЯМР-томографии
Блок-схема системы оценки болевой реакции, использованной в наших экспериментах, показана на Рис. 35. Сигнал воздействия с заданными согласно плану эксперимента параметрами подавался с выхода электростимулятора 1 на электроды ТЭС, закрепленные на голове животного 4. Сигнал болевого раздражения подавался с выхода усилителя 8 на болевые электроды, закрепленные на бедре крысы. Голосовые реакции животного улавливались микрофоном 5, и после усиления полосовым усилителем 2 подавались на аналого-цифровой преобразователь 3. С выхода последнего файлы оцифрованных звуков записывались в память персонального компьютера (ПК) 7 через интерфейсный блок 6. Управление силой болевого раздражения осуществлялось с клавиатуры ПК также через интерфейсный блок 6 с помощью цифро-аналогового преобразователя 9. Проведение эксперимента было, в основном, автоматизировано, за исключением процесса подбора величины порога вокализации и установки параметров ТЭС.
Как известно из литературного обзора, животные, в частности млекопитающие, также как и человек обладают защитными механизмами мозга. Свойства ЗММ различных видов в целом схожи, но отличаются частотой (или периодом) оптимальной стимуляции (см. раздел 0). Работа с небольшими животными типа крысы после разработки методики СОБР, о которой шла речь в предыдущем разделе, позволяет оперативно проводить большие объемы экспериментальных исследований по отбору эффективных режимов стимуляции.
Снижение общей величины действующего тока.
Как известно из работ [18, 23, 31, 51], ранее при ТЭС постоянный ток составлял долю от 60 до 80% общей его величины. В то же время его вклад ограничивался антисудорожным влиянием, т.к. приложение только постоянного тока такой же силы никакой реакции не вызывало. Наблюдения формы импульса тока при ТЭС показали, что она становилась экспо 80 ненциальной. В то же время исходные импульсы напряжения имели прямоугольную форму. Такая реакция характерна для емкостной нагрузки. Из этого следует, что постоянный ток из состава сигнала можно исключить, уменьшив тем самым общую нагрузку на организм в несколько раз. Следовательно, необходимо проверить эффективность режимов стимуляции прямоугольными импульсами без дополнительной составляющей постоянного тока, т.е. импульсов монополярного тока (МТ). Увеличение частоты проявления эффекта в популяции.
Установленная опытным путем зависимость эффекта ТЭС от частоты стимуляции в популяции животных имеет форму резонансной кривой [29] (см. также Рис. 13), что дает возможность рассчитать некоторые характеристики сигнала воздействия. Ширина «популяционной» кривой по уровню 0,7 составляет величину порядка 3-4 Гц. В то же время ширина «индивидуальной» резонансной кривой согласно разделу 2.1 равна величине порядка 20 Гц. Это теоретически дает возможность введением частотной модуляции (ЧМ) увеличить эффект в популяции, практически не снижая его у отдельных особей.
Для расчета характеристик ЧМ необходимо брать более узкую «по-пуляционную» кривую. Постоянная времени системы с такой шириной полосы пропускания равна приблизительно 0,3 сек. Следовательно, изменение частоты импульсов при ЧМ должно происходить медленно: 1 раз в секунду или реже. Заметим также, что величина среднего тока за период зависит от соотношения периода и длительности импульса, т.е. скважности. Скачки периода без изменения длительности импульса будут приводить и к скачкам величины тока.
Метод селективной транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга
Очевидно, что среди пользователей аппаратов для ТЭС существуют различные требования к условиям их применения, к набору режимов стимуляции, мощности воздействия, составу сервисных функций, стоимости и т.п. Объединяя эти требования в однородные группы, можно сформировать определенные классы (модели) аппаратов. Сводные данные о группах пользователей представлены в Табл. 5.
Номер и условное название группы. Классификационный признак Условия применения Набор режимов сти-муляц. Мощность возд. Сервисные функции Стоимость 1. Домашние пользователи Жилые помещения, дача, автомобиль 1 режим Не более2мА Таймер 30 мин. Минимальная 2. Практикующие врачи Обслуживание на дому, амбулаторно в мед. учреждениях. 1-2 режима Не более 3 мА Таймер 5-40 мин Невысокая 3. Стационары, клиники Мед.учреж-дения 2-3 режима Не более 5 мА Таймер 5-60 мин Средняя 4. Многопрофильные больницы, клиники Мед.учреж-дения 5-7 режимов До 10 мА Таймер 5-60 мин Высокая
На основе классификации групп пользователей и общих технических требований, выработанных в разделе 4.2, были разработаны подробные задания на проектирование аппаратов модельного ряда ТРАНСАИР. Сводная таблица требований к основным техническим характеристикам аппаратов приведена в Табл. 6. Табл. 6. Сводные характеристики аппаратов ТР АН САЙР
Список сокращений, использованных в таблице: МТ - монополярный ток, БТ - биполярный ток, ПТ - постоянный ток, ЧМ - частотная модуляция, ДУ - дистанционное управление; АБ - аккумуляторная батарея, ЖКИ - жидкокристаллический индикатор, СДИ - светодиодный индикатор; МРИ - музыкально-речевой интерфейс, МРСВ - музыкально-речевые суггестивные воздействия. В полной мере набор всех технических возможностей и сервисных функций реализован в старших моделях ряда ТРАНСАИР-05 и ТРАНСАИР-06. Модели более низкого уровня имеют сокращенный набор функций в соответствии с предпочтениями тех групп пользователей, на которых они ориентированы. Естественно, что основные параметры транскраниальной электростимуляции сохранены во всех моделях ряда сверху донизу.
Обобщенная блок-схема аппаратов для ТЭС-терапии.
Работа схемы осуществляется следующим образом. Генератор импульсов 2 вырабатывает биполярные прямоугольные импульсы напряжения с характеристиками, соответствующими квазирезонансным свойствам ЗММ. Сигнал с его выхода поступает в сумматор 3, где возможно смешение его с напряжением постоянного тока от источника постоянного тока 4. Сформированный сигнал далее поступает в преобразователь «напряжение-ток» 5, на выходе которого образуется токовый импульсный сигнал. Усилитель мощно 98 сти 7 обеспечивает необходимую амплитуду сигнала в нагрузке, на которую он передается через электроды 11. Блок модулятора частоты 15 формирует закон изменения частоты стимуляции в соответствии со способом ТЭС. Работой всего аппарата в целом управляет блок 1, в котором, в частности, реализован и интерфейс пользователя.
Сервисные функции выполняют следующие блоки. Звуковой блок 13 вместе с громкоговорителем 14 осуществляют речевое озвучение выполняемых оператором функций и основных событий в ходе процедуры. Таймер 6 отсчитывает длительность процедур, которая в свою очередь отображается на индикаторе 8. При желании оператора на этом же индикаторе можно увидеть текущее значение частоты стимуляции. На индикаторе 16 отображается значение дополнительной постоянной составляющей (ДПС) в составе сигнала. Индикатор 9 отображает текущую силу тока стимуляции. Блок защиты 10 размыкает цепь протекания тока в случаях нарушений в работе схемы, возникновения помех, превышения током или напряжением на нагрузке максимально допустимых значений. Питание схемы осуществляется от стабилизированного блока питания 12.
Обобщенная блок-схема в практически неизменном виде реализована в аппарате ТРАНСАИР-05, внешний вид которого изображен на Рис. 40. Он предназначен для применения в многопрофильных больницах и стационарах, т.е. соответствует потребностям группы пользователей 4 в Табл. 5.
