Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ способов и технических средств формирования биоадаптивного магнитотерапевтического воздействия 12
1.1 Способы описания магнитотерапевтического воздействия 12
1.2 Обзор и классификация способов и технических средств формирования магнитотерапевтического воздействия 21
1.3 Анализ способов и технических средств формирования биоадаптивного магнитотерапевтического воздействия 41
1.4 Выводы 46
ГЛАВА 2. Формирование и описание 3d-магнитотерапевтического воздействия 47
2.1 Разработка способа формирования 3D-магнитотерапевтического воздействия, внешнего по отношению к объему, занимаемому системой источников поля 47
2.2 Разработка плоского 3D-формирователя магнитного поля 51
2.3 Годограф вектора магнитной индукции, как интегративный био-тропный параметр 3D-магнитотерапевтического воздействия 59
2.4 Оценка точности формирования годографа вектора магнитной индукции с помощью 3D-формирователя магнитного поля 80
2.5 Выводы 92
ГЛАВА 3. Разработка способов формирования биоадаптивного 3D-магнитотерапевтического воздействия и технических средств для его реализации 93
3.1 Формирование биоадаптивного 3D-магнитотерапевтического воздействия 93
3.2 Разработка технических средств для реализации биоадаптивного 3D-магнитотерапевтического воздействия 115
3.2.1 Универсальный модуль формирования 3D-магнитотерапевтического воздействия 116
3.2.2 Построение устройств для локальной биоадаптивной 3D-магнитотерапии на основе универсального модуля 128
3.2.3 Построение аппаратов общего воздействия на основе универсального модуля в составе магнитотерапевтической решетки 133
3.3 Выводы 139
ГЛАВА 4. Разработка методов и технических средств диагностики для биоадаптивной 3D-магнитотерапии 140
4.1 Вводные замечания 140
4.2 Разработка метода и устройства выделения начала механической систолы сердца 143
4.3 Практическая реализация устройства выделения начала систолы и исследование его работы 147
4.4 Разработка метода измерения скорости распространения пульсовой волны 154
4.5 Выводы 161
ГЛАВА 5. Практическая реализация и экспериментальные исследования разработанных устройств 3D-магнитотерапии 162
5.1 Практическая реализация 3D-формирователя магнитного поля 162
5.2 Практическая реализация устройства для локальной магнитотерапии «Гиромаг» и тестирование его работы 165
5.3 Разработка модуля локального 3D-магнитотерапевтического воздействия и экспериментальные исследования формируемого им поля 172
5.4 Моделирование формирования динамического кардио-3D-магнитотерапевтического воздействия 184
5.5 Выводы 189
Заключение 190
Список литературы 193
Приложение 206
- Обзор и классификация способов и технических средств формирования магнитотерапевтического воздействия
- Годограф вектора магнитной индукции, как интегративный био-тропный параметр 3D-магнитотерапевтического воздействия
- Универсальный модуль формирования 3D-магнитотерапевтического воздействия
- Практическая реализация устройства выделения начала систолы и исследование его работы
Введение к работе
Актуальность работы. Магнитное поле (МП) является естественным фактором среды, окружающей человека, при отличии его параметров от привычных оно оказывает выраженное влияние на организм человека. МП по сравнению с другими физическими факторами нередко вызывает более благоприятное и устойчивое воздействие. Метод магнитотерапии хорошо изучен, имеется много публикаций о механизмах действия МП на организм человека. Магнитотерапия широко используется для лечения различных заболеваний и является достаточно эффективным методом лечения. Значительный вклад в обобщение и систематизацию информации по данному направлению внесли Г.Р. Соловьева, В.В. Сердюк, A.M. Демецкий, Ю.А. Холодов, А.В. Цецохо, Т.П. Субботина, СИ. Щукин, А.А. Яшин, а также рязанские ученые A.M. Беркутов, Е.М. Прошин, В.И. Жулев и др.
Вариации действия МП полностью зависимы от его биотропных параметров: индукции, градиента, вектора, частоты, формы импульса, экспозиции, локализации и др. Эффект действия МП возрастает при варьировании биотропных параметров во время процедуры. Применяемые в современной физиотерапии магнитотерапевтиче-ские устройства (МТУ) отличаются по типам источников МП, по набору управляемых биотропных параметров, по способу формирования токов в обмотках источников МП. Но повышение эффективности лечения в существующих аппаратах ограничено практическим отсутствием возможности управлять многими биотропными параметрами магнитотерапевтического воздействия. В таких широко известных МТУ, как «Маг-30», «Алмаг», «Мультимаг», есть существенный недостаток - невозможность создавать векторно-управляемое МП, внешнее по отношению к объему, занимаемому источниками, т.е. формировать поле различной направленности и интенсивности в трехмерном пространстве. Известно, что при изменении направления вектора МП меняется характер магнитобиологического эффекта. В серийно выпускаемых магнитотера-певтических аппаратах (МТА), как правило, можно формировать МП только двух направлений.
Поэтому одна из проблем дальнейшего развития магнитотерапии заключается в отсутствии соответствующего инструментария для проведения исследований по изучению влияния МП различной направленности на тело человека и согласования вектора МП с направлением процессов в организме человека.
Исследователи-медики связывают низкую эффективность некоторых методов магнитотерапии с воздействием на организм «плохим» вектором МП, что происходит из-за недостаточного учета всех факторов, связывающих пространство организма и органов-мишеней с необходимой оптимальной конфигурацией воздействующего вектора МП. Известно, что если среди множества биотропных параметров электромагнитного поля встречаются параметры, напоминающие или приближающиеся к параметрам управления жизнедеятельностью живых организмов, то следует ожидать серьезного результата воздействия - как положительного, так и отрицательного.
В настоящее время проблема технического оснащения физиотерапии заключается в том, что при разработке МТА используются принципы промышленного формирования МП. Главный объект - организм человека с многообразием индивидуальных параметров, законами протекания различных процессов - нередко стоит на втором месте при создании новой магнитотерапевтической аппаратуры. Таким образом, врач использует аппарат, параметры магнитотерапевтического воздействия которого часто не учитывают пространство состояний биообъекта.
Поэтому с учетом вышеуказанных проблем, препятствующих повышению эффективности магнитотерапии, актуальными являются задачи по разработке способов и технических средств, позволяющих формировать векторно-управляемое магнитоте-рапевтическое воздействие, пространственные и временные характеристики которого связаны с пространством состояния биообъекта.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности магни-тотерапевтического воздействия за счет создания методов и средств формирования трехмерного векторно-управляемого магнитотерапевтического воздействия, внешнего по отношению к объему, занимаемому полеформирующей системой, и согласованного с индивидуальными параметрами пациента во времени и пространстве.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести сравнительный анализ существующих способов и технических средств формирования биоадаптивного магнитотерапевтического воздействия и поиск способов описания данного вида воздействия;
разработать способы формирования и описания магнитотерапевтического воздействия, вектор магнитной индукции которого может изменяться по модулю и направлению в трехмерном пространстве и времени по любому заданному закону, а также разработать технические средства реализации данного способа, конструкция которых предназначена для облучения любого локального участка поверхности тела человека;
разработать способы формирования биоадаптивного ЗБ-магнитотерапевтического воздействия, согласованного в пространстве и времени с законами функционирования органов и систем биообъекта;
разработать помехоустойчивые методы и технические средства получения диагностической информации от биообъекта для осуществления биоадаптивного 3D-магнитотерапевтического воздействия;
реализовать разработанные способы и технические средства формирования 3D-магнитотерапевтического воздействия, а также провести экспериментальные исследования, визуализацию и измерение сложно распределенных в пространстве магнитных полей, изменяющихся во времени по заданному закону.
Методы исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на математическом аппарате аналитической геометрии и векторной алгебры, на теории электромагнитного поля, методах численного анализа и моделирования, математическом аппарате теоретических основ электротехники, экспериментальных исследованиях, а также на медицинской физиологии человека. Использовались пакеты программ MathCad, AVR Studio, Lab VIEW.
Научная новизна
Предложен новый способ формирования магнитотерапевтического воздействия вне объема, занимаемого источниками поля, вектор магнитной индукции которого может изменяться по модулю и направлению во времени и в трехмерном пространстве. Разработано устройство для реализации предложенного способа, содержащее индуктор с тремя степенями свободы управления вектором магнитной индукции, конструкция которого позволяет воздействовать магнитным полем на необходимые локальные участки на поверхности тела биообъекта. Новизна подтверждена патентом.
Предложен способ описания и визуализации внешнего по отношению к объему, занимаемому источниками поля, ЗБ-магнитотерапевтического воздействия на основе годографа вектора магнитной индукции (МИ), который является интегратив-ным биотропным параметром, т.е. учитывающим практически все общепринятые. Разработаны теоретические принципы формирования магнитного поля, годограф век-
тора магнитной индукции которого изменяется во времени и в трехмерном пространстве по заданному закону.
Предложен способ формирования биоадаптивного 3D-магнитотерапевтического воздействия, согласованного с интегральным электрическим вектором сердца в пространстве и времени. Решена задача синтеза управляющих сигналов для формирования магнитного поля, согласованного с вектором сердца.
Разработана аппаратно-программная система для управления формированием и мониторингом ЗВ-магнитотерапевтического воздействия, ориентированная на создание биоадаптивных методик и устройств магнитотерапии.
Разработаны метод и устройство выделения начала систолы из механических колебаний грудной клетки, предложена техническая реализация измерения скорости распространения пульсовой волны, устойчивые к электромагнитным помехам и предназначенные для синхронизации и адаптации ЗВ-магнитотерапевтического воздействия в соответствии с индивидуальными параметрами пациента.
Практическая значимость. Разработаны способы и технические средства биоадаптивной ЗВ-магнитотерапии, которые позволят значительно расширить возможности по повышению эффективности лечения, по поиску новых методов терапии и по изучению влияния сложно изменяющихся в пространстве и времени МП на биообъект.
Разработан способ формирования магнитотерапевтического воздействия, на основе которого выполнены 2 НИОКР по теме: "Разработка магнитотерапевтического устройства для дозированного локального воздействия вращающимся магнитным полем" по программе «У.М.Н.И.К.», изготовлен макет магнитотерапевтического устройства «Гиромаг», который был представлен на выставке-ярмарке «Биомедсистемы-2009» (г. Рязань). Разработаны принципы построения трехкомпонентных источников МП и схем управления ими, что дает возможность создавать магнитотерапевтические аппараты как для локального, так и для общего воздействия.
Предложено для описания и визуального представления ЗВ-магнитотерапевтического воздействия использовать годограф вектора МИ, который является интегративным биотропным параметром, учитывающим практически все общепринятые. Использование предложенного подхода позволяет формировать поля с годографами вектора МИ, заданными не только математическими законами, но и законами функционирования органов и систем живого организма.
Разработан способ формирования биоадаптивного магнитотерапевтического воздействия, согласованного с электрическим вектором сердца в трехмерном пространстве и времени. Разработаны методы и технические средства получения диагностической информации от пациента для реализации биоадаптивного магнитотерапевтического воздействия. Изготовлен экспериментальный макет устройства выделения систолы для диагностики пациента и синхронизации магнитотерапевтического воздействия.
Разработана и запатентована универсальная программа управления формированием динамических магнитных полей сложной пространственно-временной конфигурации с каналом измерения параметров поля, на основе которой практически реализована аппаратно-программная система для управления формированием ЗВ-магнитотерапевтического воздействия.
Результаты диссертационной работы использовались в фундаментальной НИР 1-09Г «Основы теории, методы и средства измерения хронодиагностических показателей пациента в комплексной хрономагнитотерапии» (2009-2011 гг.) и при выполне-
ний НИР 2-07Г «Разработка программно-управляемого многовекторного модуля маг-нитотерапевтической решетки аппаратно-программного комплекса «Мультимаг» (2009 г.).
Апробация результатов. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на ВНТК «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 2002-2010), VII межвузовской ШЖ «Информационные технологии XXI века» (Москва, 2005), всероссийской молодежной научно-инновационной конкурс-конференции «Электроника-2006» (Москва, 2006), международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Биомедсистемы-2009» (Рязань, 2009), X международной НИК «Инженерные, научные и образовательные приложения на базе технологий National Instraments-2011» (Москва, 2011). Проект по теме диссертации победил в конкурсе по программе «У.М.Н.И.К.» (Рязань, 2007). Макет разработанного магнитотерапевтического устройства был продемонстрирован на выставке-ярмарке международной конференции «Биомедсистемы-2009» (г. Рязань, РГРТУ, 2009).
Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет», использованы при проектировании физиотерапевтического оборудования в ООО «Научно-производственная фирма «РРТИ-Интерком» и на Касимовском приборном заводе, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 41 печатная работа (25 - без соавторов), в том числе 4 публикации в международных сборниках, 14 публикаций в изданиях, включенных в перечень ВАК, среди них один патент РФ на изобретение (№ 2322273), одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2011616599), 10 статей в центральных журналах, 2 монографии (в соавторстве).
Положения, выносимые на защиту
Способ формирования ЗБ-магнитотерапевтического воздействия, вектор магнитной индукции которого может изменяться по модулю и направлению в пространстве и времени в заданной локальной области, внешней по отношению к источнику поля. Технические средства для формирования и управления данным видом терапевтического воздействия.
Способ описания и визуализации ЗБ-магнитотерапевтического воздействия с помощью интегративного биотропного параметра - годографа вектора магнитной индукции и методы формирования его заданной пространственной и временной конфигурации.
Способ формирования биоадаптивного ЗБ-магнитотерапевтического воздействия, согласованного в пространстве и времени с вектором электрического возбуждения сердца.
Метод и устройство выделения начала систолы пациента и измерения скорости распространения пульсовой волны для диагностики состояния пациента, синхронизации и адаптации ЗБ-магнитотерапевтического воздействия.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 145 наименований и приложения. Диссертация содержит 211 страниц, в том числе 163 страницы основного текста, 42 страницы рисунков и таблиц и 6 страниц приложений.
Обзор и классификация способов и технических средств формирования магнитотерапевтического воздействия
Разрабатывая новое техническое средство магнитотерапии необходимо провести анализ существующих устройств с целью определения места изобретения среди общеизвестных.
В настоящее время в магнитотерапии применяются различные способы и устройства формирования МП, которые можно классифицировать по различным признакам. Популярные на рынке медицинской техники магнитоте-рапевтические аппараты и комплексы можно охарактеризовать, используя эти признаки.
Общеизвестной является классификация серийно выпускаемых маг-нитотерапевтических приборов и аппаратов по такому биотропному параметру, как локализации воздействия. В [11] выделяют три класса локализации воздействия: - локального (местного) воздействия; - распределенного воздействия; - общего воздействия. С учетом введенной количественной характеристики локализации воз действия в виде коэффициента kЛВ (таблица 1.1), целесообразно выделить в отдельную группу МТА, предназначенные для воздействия на биологически активные точки (БАТ) и зоны (БАЗ). Поэтому, с учетом проведенного теоретического исследования существующих технических средств для магнитоте-рапии, предлагается уточненная классификация по локализации воздействия, учитывающая соотношение размеров источника МП с размерами биообъекта и учитывающая органно-системные взаимосвязи и рефлекторное действие МП (рисунок 1.2).
Аппараты для локального и распределенного воздействия, как правило, оказывают воздействие на патологические очаги (или в области больного органа или группы органов) и предназначены для омагничевания конкретной области организма [11]. Данная группа МТА реализует принцип - лечение болезни, т.е. это лечение, обращенное на местное повреждение и на формирование реакций у соответствующих органов. Достоинством данного вида терапии является возможность применения на ослабленных больных, на беременных, когда нецелесообразно подвергать воздействию МП весь организм.
Аппараты локального воздействия содержат один или два индуктора и предназначены для облучения МП некоторого органа или участка тела пациента. Особенностью этого класса является отсутствие пространственного перемещения магнитного поля. К таким приборам относятся «Маг-30», «ЭДМА», "АМО-АТОС", «АМТ-01», «Мастер-МСТ-01», «Полюс-2Д», «По-люс-2М», «Магнитер АМТ-02», «АМнп-01» («Солнышко»). Почти все они рассчитаны на применение в домашних условиях.
Представителем данного класса является первый промышленный аппарат «Полюс-1», который предназначен для низкочастотной магнитотерапии и получивший широкое распространение. «Полюс-1» предназначен для контактного или дистанционного (бесконтактного) лечебного воздействия синусоидальным или пульсирующим МП промышленной частоты [9, 11]. Выпускаются серийно промышленностью: универсальный, передвижной аппарат для низкочастотной магнитотерапии «Полюс-2», который заменил Полюс-1»; переносной аппарат для воздействия на конечности пациента «Полюс-101»; переносной аппарат для магнитотерапии и магнитофореза «Полюс-3», предназначенный для применения в офтальмологии, стоматологии и оториноларингологии; ручной аппарат для магнитотерапии в домашних условиях «По-люс-2Д» [43].
Одним из самых популярных является магнитотерапевтический аппарат «Маг-30» для воздействия импульсным магнитным полем. В этом аппарате реализован способ организации магнитотерапевтического воздействия на локальный участок тела пациента. Это портативное устройство для низкочастотной магнитотерапии представляет собой П-образный сердечник с двумя обмотками, помещенный в пластмассовый корпус. Устройство формирует синусоидальное магнитное поле одной интенсивности [30].
Существенным недостатком способов, применяемых в устройствах «Маг-30» и «Полюс», является невозможность управления движением вектора поля в трехмерном пространстве векторов МИ в заданной точке пространства рабочего объема полеформирующей системы, что существенно ограничивает его возможности по реализации различных методик лечения.
Аппараты распределенного воздействия содержат ряд индукторов, с помощью которых можно охватить ряд органов пациента или значительную область тела пациента. Подобные устройства характеризуются возможностью перемещения МП в пространстве вокруг пациента [11]. К данному классу относятся такие аппараты, как «Алимп-1», Алмаг-02, «Алмаг-01», "Полюс-101", "МИТ-МТ", «Малахит-010П», «Каскад-синхро» (Биос), BTL 5000 (Чехия).
Примером аппарата распределенного действия служит «Алимп-1», который предназначен для воздействия бегущим МП. Генерируемое аппаратом магнитотерапевтическое воздействие представляет собой сложное неоднородное, изменяющееся во времени поле и образуется суперпозицией нескольких импульсных МП, сдвинутых относительно друг друга в пространстве и времени. «Алимп-1» содержит два соленоидных устройства и набор отдельных соленоидов. Одно из устройств состоит из пяти соленоидов, собранных в единый блок в цилиндрический корпус (рисунок 1.3,а), а другое собрано пирамидой из трех соленоидов, как показано на рисунке 1.3,б [9, 11].
Годограф вектора магнитной индукции, как интегративный био-тропный параметр 3D-магнитотерапевтического воздействия
Главным достоинством разработанного способа является возможность формировать МП с управляемой траекторией движения вектора магнитной индукции в заданной локальной области в пространстве 3D-формирователя, а именно формировать вращающиеся МП не только в плоскости, но и в пространстве. Траекторию движения вектора магнитной индукции следует отнести к дополнительным биотропным параметрам МП, так как этот параметр позволяет описывать закон изменения не только интенсивности поля, но и направления вектора МИ во времени и пространстве. Таким образом, задавая определенную траекторию движения вектора МИ в локальной области, можно опосредованно влиять на биологическую эффективность формируемого 3D-магнитотерапевтического воздействия [78].
Чтобы наглядно представлять поле, вектор магнитной индукции которого меняется во времени и пространстве, удобно для математического описания 3D-магнитотерапевтического воздействия, формируемого системой индукторов, использовать закон изменения во времени вектора B в заданной локальной области [79].
Создаваемое 3D-формирователем поле в заданной локальной области можно упрощенно охарактеризовать вектор-функцией магнитной индукции B = B(?) скалярного аргумента t, которая является функцией нескольких переменных B(?) = f[Bx;B;Bz;i\, где Вх, В Bz - проекции вектора на оси координат, а - время. Эта функция определяет значения модуля и направления вектора B в каждый момент времени. На рисунке 2.7 представлена пространственная кривая MN , которая характеризует траекторию движения вектора МИ, данную кривую можно описать тремя параметрическими уравнениями: Вх = Вх (?), Ву=Ву (?) и Bz= Bz (?).
Для дальнейшего описания и характеристики траектории движения вектора магнитной индукции в пространстве и времени будем использовать понятие годограф (от греч. hodos - путь, движение и grapho - пишу), которое впервые было введено английским учёным У. Гамильтоном. В магнитотера-пии описание магнитного поля с помощью годографа было использовано при исследовании полей сложной структуры в [12].
Годограф вектора магнитной индукции - пространственная кривая (в данном случае MN), представляющая собой геометрическое место точек конца переменного вектора B, изменяющегося во времени, значения которого в разные моменты времени отложены из общего начала (на рисунке т. О), т.е. это воображаемая траектория движения конца вектора B.
Точки M(Bx(0),By(0),Bz(0fj и N Bx(T),By(T),Bz(T) - начальная и конечная точки пространственной кривой, описывающей годограф вектора магнитной индукции, т.е. координаты точек М и N, соответствуют координатам конца вектора B в начале и конце траектории, если точки совпадают, то годограф вектора магнитной индукции будет замкнутым, но, несмотря на то, что геометрически эти точки будут совпадать, это будут две разные точки функции, так как в них вектор попадает в разные моменты времени t . Годограф вектора B в пространстве может иметь вид различных плоских и объемных кривых, может быть прямой линией или точкой. Если МП формируется тремя источниками, как в предложенном способе, оси которых взаимно перпендикулярны и обеспечено независимое управление амплитудой и направлением протекающего по обмоткам тока, то можно формировать МП с различной траекторией движения вектора МИ. Выделим три основные группы годографов вектора B, которые можно формировать в локальной области воздействия (рисунок 2.8). 1. Годограф вектора B в виде точки. Для того чтобы сформировать МП с годографом в виде точки, достаточно на обмотки всех трех индукторов 3D-формирователя МП подать постоянные токи: Ix{t} = Iх0= const, ly (t) = Iv0 = const, I7 (t) = I70 = const. Данный вид годографа может быть ис пользован для описания постоянного МП в пространстве, так как координаты точки годографа (Вх,Ву,вА будут нести информацию о модуле и направлении вектора B. Возможны следующие частные случаи: точка, характеризующая положение конца вектора B в трехмерном пространстве, принадлежит одной из осей, лежит на одной из координатных плоскостей и имеет произвольное расположение в пространстве (таблица 2.1). Как правило, для описания прямой в трехмерном пространстве используют параметрические уравнения следующего вида [70]: Таким образом, для формирования МП с годографом вектора B, представляющего собой прямую линию, достаточно чтобы токи в обмотках изменялись по следующим линейным законам: метрами годографа: углом наклона в пространстве, принадлежности или параллельности одной из координатных плоскостей, а также совпадением с осями координат. Данный способ задания траектории движения вектора B имеет определенные ограничения, так как выше указанные уравнения (2.19) позволяют описывать только прямолинейное и равномерное движение материальной точки, в нашем случае конца вектора магнитной индукции. Годограф в виде прямой можно так же сформировать, если токи в обмотках изменяются нелинейно. Например, если 1Х (?) = sin(?), IY (ґ) = sin(?), I7(t) = I70, то будет формироваться МП, траектория движения вектора B ко торого является прямая IX-IY =0, лежащая в плоскости Z = IZ0. В данном случае конец результирующего вектора МИ индукции будет двигаться в пространстве по прямолинейной траектории со скоростью, изменяющейся по синусоидальному закону.
Универсальный модуль формирования 3D-магнитотерапевтического воздействия
Магнитные поля в зависимости от значений биотропных параметров оказывают различный терапевтический эффект. Подобранная соответствующим образом форма поля во времени и пространстве играет важную роль в получении ответной реакции отдельного органа или системы биологического объекта. Предполагается, что неорганизованные хаотичные МП со «случайными» характеристиками могут негативно действовать на организм [11].
Значительно повысить эффективность магнитотерапевтического воздействия позволит применение биоадаптивной 3D-магнитотерапии.
Биоадаптивной 3D-магнитотерапией будем называть воздействие на биообъект 3D-магнитотерапевтическим воздействием с целью достижения ответной реакции соответствующих органов и систем, вектор терапевтического воздействия X которого функционально зависит от вектора параметров биообъекта Y, т.е.
Координаты вектора X - это биотропные параметры МП, а координаты вектора Y - это параметры описывающие состояние биообъекта и протекающие в нем процессы во времени и пространстве.
Таким образом, биоадаптивная 3D-магнитотерапия заключается в воздействии на биообъект МП, параметры которого согласованы с законами и направлениями протекания различных процессов (химических, электромагнитных и др.), с индивидуальными особенностями и параметрами функционирования организма во времени и пространстве. Одной из разновидностей является хрономагнитотерапия, учитывающая времячастотные параметры биообъекта. Ограничением данного вида физиотерапии является невозможность формирования физиотерапевтического воздействия в заданной локальной области, согласованного по форме и направлению с координатами вектора состояния биообъекта.
Согласование вектора МИ по интенсивности и направлению в пространстве и времени может осуществляться в соответствии с направлением электрических, механических процессов, химических и др., а также с геометрией органов относительно тела биообъекта.
Возможности 3D-магнитотерапии для реализации биоадаптивного воздействия можно показать на примере способа формирования МП, импульс которого воспроизводит электрокардиографический сигнал в пространстве и времени [79]. Идею стимулировать сердце не током, а быстропеременными МП предложил Е. Лепешкин [95]. Этот неконтактный метод не действует на кожу и не вызывает боли [96].
Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия вращающимся МП, который заключается в том, что магнитные импульсы воздействия на организм формируют из электрических сигналов сердца, направляют их на пациента синхронно с его сердечным ритмом, а вектор напряженности магнитных импульсов во время сеанса вращают вокруг оси, перпендикулярной этому вектору [65]. Недостатком данного технического решения является невозможность формирования МП с импульсом любой формы в пространстве и времени.
На основе разработанного способа [66] доступно формирование МП, вектор МИ которого в заданной локальной области воспроизводит различные траектории движения, например пространственную траекторию движения вектора электрического возбуждения сердца [68, 97]. Биофизические основы способа заключаются в том, что различные формы электрокардиографической кривой, получаемые при использовании стандартных отведений от конечностей и грудной клетки, представляют собой проекции трехмерной векторной петли на оси этих отведений (рисунок 3.1). Векторная петля сердца характеризует ход возбуждения в сердечной мышце и отражает траекторию движения суммарного вектора электрической активности сердца во время всего цикла сокращения миокарда. Соединяя условный центр сердца с любой точкой векторной петли, можно наблюдать, куда в данный момент времени направлена ЭДС сердца [98, 99].
Поэтому, если подать на три обмотки 3D-формирователя МП токи, форма которых воспроизводит во времени сигналы с соответствующих ЭКГ отведений, несущих информацию о трех проекциях векторной петли, не лежащих в одной плоскости, то в локальной области воздействия будет формироваться 3D-магнитотерапевтическое воздействие, вектор МИ которого будет воспроизводить векторную петлю сердца в пространстве.
Таким образом, предлагается способ формирования 3D-магнитотерапевтического воздействия с годографом, повторяющим траекторию движения интегрального вектора электрической активности сердца, т.е. вектор B будет функционально зависеть от электрического вектора сердца E: при этом по соответствующим обмоткам 3D-формирователя МП необходимо обеспечить протекание токов изменяющихся по следующим законам: где Ex, EY, Ez - проекции вектора сердца E на оси соответствующих отведений. Задачей, требующей решения для реализации предложенного способа, является выбор соответствующих ЭКГ отведений, из электрических сигналов которых будут формироваться управляющие токи для 3D-формирователя МП. Для этого достаточно использовать три ЭКГ отведения, оси которых не лежат в одной плоскости и расположены под углом друг к другу не менее 60. Наиболее удобным решением будет использование ортогональных отведений. Рассмотрим несколько вариантов решения задачи по выбору ЭКГ отведений, удовлетворяющих требованиям вышеуказанной задачи. 1. Псевдоортогональные отведения, выбираемые из 12 стандартных отведений: 1) отведения I, aVF, V2: ось отведения aVF лежит на пересечении фронтальной и сагиттальной плоскостей и совпадает с направлением оси Y; ось стандартного отведения I - с отрицательным направлением оси Х, ось пре-кардиального отведения V2, имеющего угол 94 с направлением отведения I, почти совпадает с отрицательным направлением оси Z (рисунок 3.3, а, направления осей X, Y, Z выбраны в соответствии с принятыми в вектор-кардиографии [84]);
Практическая реализация устройства выделения начала систолы и исследование его работы
Существуют различные методы получения информации о деятельности сердца, например, электрокардиография (ЭКГ). Использование метода электрокардиографии для диагностики и синхронизации непосредственно при проведении сеанса магнитотерапии ограничено по следующим основным причинам: во-первых, высокая чувствительность ЭКГ к электромагнитным помехам, во-вторых, из ЭКГ напрямую невозможно определить момент начала механической систолы (а именно изгнания крови из левого желудочка в аорту). Метод фонокардиографии также имеет ограничения для применения в магнитотерапии, так как требуется прямой контакт с грудной клеткой пациента, т.е. невозможность проведения терапевтической процедуры в одежде. Поэтому, чтобы решить поставленную задачу по выделению опорного сигнал для синхронизации кардио-3D-магнитотерапевтического воздействия с сердечным циклом, были разработаны метод и устройство выделения начала механической систолы. К устройству предъявлялись следующие основные требования: это устойчивость к сильным электромагнитным помехам, комфортность для пациента и удобство в работе для медперсонала.
Метод выделения начала систолы основан на механических проявлениях жизнедеятельности организма, в частности на основе регистрации низкочастотных колебаний прекардиальной области [108]. Суть метода, положенного в основу разработки, заключается в следующем.
Работа сердца сопровождается механическими колебаниями частотой примерно до 800 – 1000 Гц. Считается, что низкочастотные вибрации связаны с движением сокращающегося миокарда и клапанов при их захлопывании и открытии, баллистическими силами и силами отдачи, обусловленными выбросом крови в магистральные сосуды, перераспределением крови в организме и изменением центров тяжести частей тела и др. Энергетический уровень дозвукового спектра в тысячи раз превышает энергию звуковых колебаний [130]. Механическая энергия сердечного сокращения не полностью расходуется на перемещение крови в сосудистой системе. Часть энергии передается окружающим тканям, в том числе грудной клетке. Взаимные перемещения масс происходят в разных направлениях и плоскостях с различной частотой и фазовым сдвигом, колебания от которых передаются грудной клетке. Как известно, любое движение может быть зарегистрировано в виде кривой перемещения, скорости или ускорения, для этого существуют методы, основанные на регистрации этих низкочастотных колебаний с прекардиальной области такие как: апекскардиография, кинетокардиография, стетография, виброкардиография, сейсмокардиография, прекардиальная баллистокардио-графия и др. [98]. Они различаются между собой по способу регистрации низкочастотных колебаний, по типу преобразователя, по диапазону регистрируемых частот, по степени дифференцирования сигнала и, разумеется, по информативности.
Амплитуда колебаний грудной клетки зависит от силы сердечного сокращения, величины систолического объема крови, скорости систолического выброса и перемещений крови в полостях сердца. Изменения давления в полости сердца меняют его объем и передаются окружающим органам и тканям. Частотный диапазон околосердечных колебаний весьма широк, в то же время большинство исследователей регистрируют сигнал в довольно узком частотном диапазоне от 1 до 25 Гц, реже - до 40 Гц [130, 131].
Для решения поставленной задачи по получению диагностической информации о начале сердечного цикла было разработано устройство выделения систолы, схема которого представлена на рисунке 4.1. При проведении магнитотерапевтического сеанса человек лежит на кушетке, устройство кладется на грудную клетку в область, где максимальна амплитуда колебаний, вызванных работой сердца. Выделение этих колебаний грудной клетки биообъекта осуществляется с помощью акселерометра, представляющего собой датчик линейного ускорения (ДУ), который преобразует механические колебания (колебания ускорения) в электрический сигнал. Локальные колебания исследуемой зоны, где помещен датчик, интегральные колебания всей пре-кардиальной зоны и грудной клетки в целом возбуждают вибрации сейсмической массы преобразователя, пропорциональные ускорению.
Амплитуда колебаний на выходе ДУ зависит от силы сердечного сокращения и объема крови, поступающей в сосуды в момент быстрого изгнания ее из желудочков. На выходе ДУ напряжение представляет собой сигнал с нестабильной амплитудой и постоянной составляющей, которая зависит от напряжения питания и положения акселерометра (угла наклона). С ДУ сигнал поступает на полосовой фильтр (ПФ), который выделяет сигнал в частотном диапазоне от 4,5 до 13 Гц. В такой полосе частот датчик хорошо выделяет время начала систолы, за счет того, что движения сердца в начале быстрого изгнания крови при открытии клапана аорты, передаваемые грудной клетке, имеют большое ускорение и поэтому, на выходе ДУ имеют значительную амплитуду. ПФ отфильтровывает высокочастотные составляющие, как правило, эти компоненты вызваны движениями пациента и вибрациями, передаваемыми от шагов обслуживающего персонала рядом с магнитотера-певтической кушеткой, а также фильтр подавляет постоянную составляющую и низкочастотные дыхательные компоненты. Полезный сигнал усиливается усилителем (У) в несколько раз, так как ускорение грудной клетки, обусловленное сердечной деятельностью, имеет значение на много меньше g.
Далее из усиленного сигнала выделяется момент начала систолы, что поясняется выходными сигналами с контрольных точек схемы устройства на рисунке 4.2. Для этого применяется амплитудный детектор (Д), схема сравнения (СС) и формирователь прямоугольных импульсов (ФИ), передний фронт которых соответствует началу систолы. Отфильтрованный и усиленный сигнал (сигнал б) после амплитудного детектирования (сигнал а) сравниваются в СС, напряжение на выходе которого при равенстве сигналов а и б изменит свой уровень (сигнал в). ФИ из коротких импульсов сигнала в формирует прямоугольные импульсы с постоянной длительностью TИ и частотой следования, равной частоте сердечных сокращений (ЧСС) (г). Параметры времяза-дающих цепочек детектора были выбраны, таким образом, чтобы исключить пропуски при слишком большой постоянной времени сигнала а и ложные срабатывания при малой постоянной времени, когда фронт сигнала а спадает слишком быстро. Сигнал ритма ЧСС передается излучателем (И), работающим в инфракрасном диапазоне, на фотоприемник (ФП), который усиливает полученный сигнал и передает на интерфейс RS-232, связывающий устройство выделения систолы с ПЭВМ через COM-порт. Излучатель и фотоприемник работают на одной частоте, применение частотной модуляции позволяет исключить влияние помех.
