Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Магнитное поле как лечебный фактор, аналитический обзор и формирование требований к системам магнитотерапии 17
1.1 Магнитобиологические основы воздействия магнитных полей 17
1.2 Теоретические аспекты применения магнитного поля в физиотерапии 29
1.3 Виды магнитных полей, их характеристики и классификации 48
1.4 Биотропные параметры магнитных полей 55
1.5 Магнитотерапевтические аппараты и их возможности по измерению диагностических признаков и обеспечению тестовых и лечебных воздействий 60
1.6 Анализ известных индукторов, систем индукторов и создаваемых ими магнитных полей 64
1.7 Анализ задачи общего воздействия динамическим магнитным полем на человека и формирование требований на технические средства комплексной магнитотерапии , 74
1.8 Задачи исследования и направления оптимизации систем комплексной магнитотер алии 83
1.9 Выводы 90
Глава 2. Принципы дискретного формирования магнитных полей в пространстве биообъекта 92
2.1 Разработка общей концепции построения магнитоскана и формирование требований к конфигурациям искусственно создаваемых лечебных магнитных полей 92
2.2 Аналитические методы расчета электромагнитных полей элементарных излучателей и систем индукторов. Особенности и ограничения 102
2.3 Обоснование выбора численного метода расчета и моделирования систем индукторов 128
2.4 Построение и исследование математической модели магнитного поля совокупности индукторов 134
2.5 Проектирование полеформирующей системы по заданным параметрам поля (обратная задача) 149
2.6 Выводы 174
ГЛАВА 3, Разработка методов и средств управления излучателями магнитного поля 176
3.1 Обобщенная структура магнитотерапевтического комплекса с электронным управлением индукцией магнитного поля и задача синтеза устройства управления 176
3.2 Оптимизация устройства управления МТК при известной совокупности векторов индукций лечебных магнитных нолей 186
3.3 Простые сетки и полиномиальные алгоритмы оптимизации устройства управления МТК , 200
3.4 Оптимизация блоков устройств управления МТК при
неполной априорной информации о множестве лечебных МП 211
3.5 Выводы 228
ГЛАВА 4. Методы оперативного управления и биотехнические обратные связи в системах комплексной магнитотерапии 230
4.1 Задачи оперативного управления параметрами магнитотерапевтического воздействия 230
4.2 Неавтоматизированные способы оперативного управления биотропными параметрами 234
4.3 Синхронизация магнитотерапевтического воздействия с биологическими ритмами 244
4.4 Обратные связи в магнитотерапевтических комплексах 248
4.5 Многоконтурная биотехническая обратная связь и высокие информационные технологии в магнитотерапии 253
4.6 Экспериментальное исследование возможности применения ПАРС для оперативного управления магнитотерапевтической процедурой... 283
4.7 Выводы 287
ГЛАВА 5. Разработка измерительно-диагностических методов и аппаратуры для комплексной магнитотерапии 289
5.1 Особенности измерений и диагностики в комплексной магнитотерапии 289
5.2 Разработка автоматизированной измерительной системы для получения и визуализации изображения распределений переменных МП „.,.296
5.3 Исследование искажений, возникающих в системе измерения и реконструкции изображений МП 313
5.4 Разработка методики исследования и поверки измерительной системы 328
5.5 Выводы 348
ГЛАВА 6. Экспериментальные исследования разработанных систем и устройств. описание экспериментальных образцов аппаратуры 350
6.1 Серийные и экспериментальные образцы магнитотерапевтических комплексов "Аврора МК-01" и "Аврора МК-
02". Основные технические характеристики 350
6.2 Серийные и экспериментальные образцы магнитотерапевтических комплексов класса "Мультимаг". Основные технические характеристики 362
6.3 Разработка программного обеспечения магнитотералевтаческого комплекса "Мультимаг МК-03" 367
6.4 Разработка программно-алгоритмической модели МТА для ав-томатизироватгого исследования методов оперативного управления био-тропньши параметрами МП 374
6.5 Автоматизированная система для измерения периодических сложно распределенных в пространстве МП. Структура, алгоритмы, технические решения и характеристики 382
6.6 Практическое применение автоматизированной магнитоизмерительной системы для поверки алгоритмов расчета и визуализации МП 394
6.7 Результаты внедрения разработанных систем, устройств и алгоритмов 405
6.8 Выводы 407
Заключение 409
Список литературы
- Теоретические аспекты применения магнитного поля в физиотерапии
- Аналитические методы расчета электромагнитных полей элементарных излучателей и систем индукторов. Особенности и ограничения
- Оптимизация устройства управления МТК при известной совокупности векторов индукций лечебных магнитных нолей
- Неавтоматизированные способы оперативного управления биотропными параметрами
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние десятилетия в результате объединения медицины с электромагнитной биологией медицинская практика получила новый высокоэффективный метод печения - магтгатотерапиго. 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 [1-3].
Теоретическую основу магнитологии заложили В.И. Кармилов, A.M. Демец-кий, В.Н. Чернов, Ю.А. Холодов, Л.Х. Гаркави, А.С. Пресман, Н.Д. Девятков, А.А. Яшин, А.А. Хадарцев, СИ. Щукин и др. Их работы, а также работы ряда зарубежных ученых, посвящены исследованию действия магнитного поля на организм человека, развитию теории электромагнитотерапии и проблемам ее практического применения [4-20]. Значимость магнитотерапии и рекомендации по выбору параметров магнитного поля представлены также в теоретических и методических разработках Всемирной организации здравоохранения [21].
Широкое распространение магнитотерапии в практике сопровождается созданием большого числа различных полесоздающих технических средств и методов их применения. Подходы к разработке аппаратов и систем для магнитотерапии, методики разработки отдельных узлов магнитотерапевтической аппаратуры приведены в работах Ю,М. Райгородского, Ю.В. Малкова, Г.Р. Соловьевой, Д.А. Синнцкого и др. [22-30]. Кроме того, известны многочисленные зарубежные образцы аппаратов для магнитотерапии [31-34]. В целом в мире создано около 100 различных аппаратов и систем^ формирующих различные лечебные магнитные поля. В абсолютном большинстве это аппараты локального воздействия, действующие на небольшую область тела, отдельный орган или очаг поражения, и лишь единичные образцы позволяют осуществлять общее воздействие на весь организм человека [30, 31, 34, 35],
Возможности аппаратов локального (местного) действия ограничены и во многом уже исчерпаны, а практическая медицина, по мере наработки опыта в применении методов лечения магнитными полями, выдвигала задачу создания аппаратуры, обеспечивающей формирование магнитных полей более сложной и тонкой простран-
ствешюй структуры, изменяющихся во времени в соответствии с естественными биологическими ритмами человека и протеканием физиологических процессов, эволю-циопно формировавшихся в магнитном поле Земли. Подобные требования могут быть удовлетворены только с помощью электромагнитных систем, осуществляющих общее воздействие на весь организм человека. Именно с такими аппаратами и система-*
ми связаны перспективы развития магнитотерапии как метода лечения. Значительный вклад в разработку аппаратов общего магнитного воздействия внесен A.M. Беркуто-вым, Е.М. Прошиным и Ю.Б. Кирилловым [36-40].
К моменту начала данной работы полностью отсутствовали системы общего магнитного воздействия с возможностями широкого управления биотропными параметрами магнитного поля (напряженности, частоты; локализации воздействия и др.). В то же время непрерывно развивающиеся методы клинического применения средств магнитотерапии требуют создания полей с заданной неравномерно распределенной по объему тела человека напряженностью (индукцией). Во всех известных аппаратах и системах магнитотерапии это принципиально невозможно- Установление заданного значения напряженности в определенной точке автоматически влечет за собой установление значений напряженности во всех других точках объема в соответствии с конструкцией излучающего элемента (соленоид, короткая катушка, электромагнит). Кроме того, в медицинской практике возникли требования по обеспечению независимого регулирования формы воздействующего магнитного поля, его неоднородности, частоты, длительности магнитных импульсов, скорости нарастания индукции, скорости перемещения поля в пространстве, закона изменения во времени и др. в любой части области воздействия. Все это требует разработки принципиально новых методов формирования управляемых динамических магнитных полей, их описания и расчета, а также методов проектирования соответствующих устройств.
С созданием и внедрением в клиническую практику широкой номенклатуры аппаратов локального действия развивалась теория магнитотерапии, которая базировалась на представлениях, главным образом, физико-химического и энергетического воздействия поля на клеточно-молекулярном уровне. При общем воздействии представления о действии поля только в виде физико-химического свойства явно недостаточно, поскольку организованному воздействию подвергаются все клетки, органы, системы организма, механизмы их взаимосвязей и взаиморегулирования. При реализации общего воздействия образуется сложная биотехническая система, в которой
главное звено - испытуемый биообъект, подвергающийся воздействию многих факторов, должно иметь адекватное описание до, во время н после воздействия полем.
Идеология общего воздействия, уровень совершенства технологии воздействия и технических средств его обеспечения требуют реализации многоконтурной биотехнической обратной связи на основе выраженных реакций пациента, осуществления оперативной диагностики, оптимизации процедур воздействия и значений биотроп-ных параметров магнитного поля. Методов и средств, решающих подобные задачи, на момент начала данной работы не существовало. Для реализации указанных функциональных возможностей необходимо: выявить и исследовать наиболее информативные физиологические показатели человека, реагирующие на магнитное воздействие, разработать технические средства для их измерения в условиях действия силып-тх электромагнитных помех (т.е. непосредственно в ходе магнитотерапевтичсского сеанса при работающей аппаратуре магнитотерапии), создать автоматизированные системы управления биотропными параметрами магнитного поля с целью их оптимизации.
Повышение качества лечения связано и со способностью медперсонала эффективно использовать такой тонкий многопараметрический инструмент как системы комплексной магнитотерапии. Это выдвигает на первый план весьма важную проблему техники магнитотерапии: задания и описания магнитного поля, расположения биообъекта в нем и наглядного представления медперсоналу картины поле-пациент. Даже поля простых изделий и аппаратов из-за неоднородности и сложной формы не могут быть описаны словами или какими-то адекватно воспринимаемыми формулами. Что же касается полей общего воздействия, то их описание, формирование и представление перерастает в неразрешимую проблему, не позволяющую врачу эффективно использовать многочисленные характеристики и вариации поля. В связи с этим возникает задача создания образного представления поля, наложения его на биообъект в одних и тех же координатах и сопоставимом масштабе и наглядного отображения.
И, наконец, явная недостаточность необходимого теоретического обоснования механизмов взаимодействия живых организмов с магнитными полями, незавершенность теории, методов расчета, во многом эвристические подходы при проектировании аппаратных средств сдерживают дальнейшее совершенствование и развитие магнитотерапии как метода лечения в целом.
В связи с этим разработка новых принципов формирования лечебных магнитных полей, методов построения систем магнитотерапии, исследование их характери-
стик и вопросов практического применения является важной и актуальной проблемой.
Научное обобщение выше перечисленных теоретических и практических вопросов позволило сформулировать основное научное положение в решении рассматриваемой проблемы, заключающееся в формировании магнитного поля с дискретно управляемой во времени и в пространстве структурой. Именно это обеспечивает медико-технологическую эффективность систем комплексной магнитотерапии, их гибкость и мобильность и позволяет адаптировать их к лечению различных заболеваний и индивидуальным особенностям пациентов.
Цель диссертационной работы. Разработка принципов формирования лечебного магнитного поля дискретно управляемой структуры, создание нового класса медицинской техники - систем комплексной магнитотерапии общего воздействия на организм человека.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
Анализ состояния уровня развития техники магнитотерапии и разработка принципов формирования магнитного поля дискретно управляемой структуры с заданными законами распределеїшя и перемещения в пространстве и изменения во времени.
Разработка методов анализа, расчета, моделирования и проектирования систем формирования различных конфигураций магнитных полей, организованных в ви* де пространственно распределенных совокупностей дискретных Электр о мапгитных элементов.
Разработка и оптимизация методов и алгоритмов управления системами излучателей магнитного поля,
Исследование возможностей и разработка методов оперативного управления параметрами магнитного воздействия, организации биотехнической обратной связи по выраженным реакциям пациента и создание на этой основе магннтотерапев-тических систем с автоматической коррекцией параметров магнитного поля в ходе сеанса воздействия.
Разработка и исследование автоматизированной системы для измерения и визуализации сложно распределенных в пространстве и изменяющихся во времени магнитных полей, разработка методики поверки этой системы.
Выработка рекомендаций по практическому применению разработанных систем, устройств и алгоритмов.
7. Научно-методическое обеспечение и техническое сопровождение серийного производства систем комплексной магнитотералии, внедрение их в клиническую практику.
Связь с государственными программами- Работа обобщает многолетние ис-следоватгия и разработки, проведенные при непосредственном участии и научном руководстве автора. Разработки систем комплексной мапгитотерапии, решение задач их проектирования, оптимизации, а также вопросы технологии и подготовки производства проводились в рамках научно-технических программ Минобразования РФ "Автоматизированные системы медико-биологического назначения*' (1992-1997 г,г.); "Технологии живых систем" (1996-2003 г.г.). При участии и под руководством соискателя проведены 19 госбюджетных и 6 хоздоговорных НИР. По направлению* связанному с разработкой систем измерения и визуализации сложно распределенных магнитных полей под руководством автора выполнены 3 НИР по Грантам Минобразования РФ (конкурсы 1997, 2000 и 2002 г.г).
Методы исследований. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на математическом аппарате теории поля, интегрального и дифференциального исчислений, теории множеств, методах численного анализа и моделирования, экспериментальных исследованиях, а также на накопленном опыте и результатах разработки и внедрения в серийное производство систем комплексной магнитотерапии.
Научная новизна.
Предложен принцип формирования магнитного поля дискретно управляемой структуры с заданными законами распределения и перемещения в пространстве и изменения во времени, позволяющий осуществлять дозированное по параметрам маг-нитотерапевтическое воздействие на весь организм человека.
Разработаны основы теории систем формирования различных конфигураций магнитных полей, организованных в виде пространственно распределенных совокупностей электромагнитных индукторов, методы их расчета и моделирования, позволяющие оперативно и в наглядных представлениях проектировать новые и модер-іпізировать известные системы магнитотерапии общего воздействия.
Предложены и разработаны оптимизированные методы и полиномиальные алгоритмы управления системами излучателей магнитного поля, предоставляющие возможности создания, модернизации и хранения множества лечебных методик (конфигураций магнитных полей) для различных патологий и пациентов. Разработаны ме-
тоды оперативного управления параметрами магнитного воздействия, позволяющие корректировать условия проведения процедуры в ходе сеанса лечения,
Предложен принцип построения систем магнитотераіши с многоконтурными биотехническими обратными связями на основе выраженных хронобиологических реакций пациента, разработан и создан магнитотерапевтический комплекс с автоматической коррекцией параметров магнитного поля в ходе сеанса воздействия, позволяющий индивидуализировать лечение применительно к конкретному пациенту и его основному и сопутствующим заболеваниям.
Впервые предложен способ измерения сложно распределенных в пространстве и изменяющихся во времени магнитных полей на основе сканирующего принципа и модифицированного метода вычислительной томографии, исследованы разрешающая способность, искажения и методические погрешности, присущие этому способу. Разработана и исследована автоматизированная система, позволяющая осуществлять прямые измерения и визуализацию реальных магнитных полей, создаваемых в системе магнитотераіши, обеспечивать их контроль на стадиях производства и эксплуатации аппаратуры. Впервые разработана методика поверки магнитоизмеритель-ной системы на переменном токе, предоставляющая возможность аттестации источников переменных магнитных полей.
Проведены экспериментальные исследования разработанных систем, устройств и алгоритмов, подтвердившие обоснованность теоретических выводов, расчетов и результатов моделирования.
Практическая ценность.
L Разработаны структуры, алгоритмы, конструкции, технологическая оснастка для аппаратов и систем магннтотерапни классов "Аврора" и "Мультимаг", применяемые при их промышленном производстве.
2, На основе предложенных алгоритмов построен ряд программ, представ
ляющих собой интерактивный инструмент для расчета, моделирования и визуализа
ции магнитных полей сложных пол сформирующих систем, ориентированный на раз
работку магнитотерапевгической аппаратуры и пригодный для проектирования дру
гих магнитных систем.
3. Разработаны алгоритмы и программы оптимизации устройств управления
магнитотерапевтическим комплексом по известной совокупности сигналов управле
ния индукцией магнитного поля. Создано программное обеспечение, предоставляю
щее возможности по заданной матрице индукций искусственно создаваемого магнит-
ного поля синтезировать матрицу сигналов управления магнитотерапевтическим комплексом, что позволяет осуществлять как жесткое, так и оперативное управление ходом мапгитотерапевтической процедуры.
Разработаны экспериментальные образцы контроллеров силового блока МТК класса "Мультимаг", реализующие оперативное управление биотрапными параметрами и независимую коммутацию блоков индукторов, соответствующих различным частям тела человека. Применение предложенных методов оперативного управления биотропньтмн параметрами магнитного поля в течение сеанса позволяет решить задачу создания лечебных методик с более адекватным воздействием на пациента с учетом его основного и сопутствующего заболеваний. Это дает возможность в лечебной практике уточнять лечебные конфигурации поля в уже существующих методиках, индивидуализировать воздействие на конкретного больного в соответствии с его состоянием.
Разработаны технические средства для осуществления биотехнической обратной связи, которые внедрены в серийно выпускаемый МТК "Мультимаг М", что позволило расширить его функциональные возможности и осуществлять автоматическую настройку параметров лечебной процедуры в ходе ее выполнения,
Разработана структура и изготовлен экспериментальный образец автоматизированной магнитоизмерительной системы, создан пакет прикладных программ, управляющих работой системы, обрабатывающих данные и визуализирующих изображение, что позволяет измерять и регистрировать изменяющийся во времени пространственный рельеф периодических магнитных полей и осуществлять топографию каждой компоненты векторной функции магнитной индукции.
Разработана структура установки для поверки предложенной магнитоизмерительной системы на неременном токе, которая рекомендуется к использованию в качестве базовой поверочной схемы для систем и устройств, формирующих переменные магнитные поля. С помощью магнитоизмерительной системы получены экспериментальные данные, характеризующие распределения магнитных полей, создаваемых различными магнитоизлучающими устройствами. Проведен метрологический анализ результатов экспериментов, подтвердивший теоретические выводы и рассчитанные метрологические характеристики системы.
Реализация и внедрение результатов работы.
1. На базе проведенных исследований создано семейство систем комплексной магнитотерапии, среди которых МТК "Аврора МК-0Г\ "Мультимаг МК-03" и
"Мультимаг М" освоены в серийном производстве. Созданная аппаратура успешно эксплуатируется во многих городах РФ и стран СНГ: Москва, Благовещенск, Ростов-на-Дону, Тюмень, Владимир, Муром, Липецк, Рязань, Ташкент, Астрахань и др. Ряд других разработанных опытных и экспериментальных образцов аппаратов и систем применяются в исследовательских целях,
Технические решения аппаратов и систем магнитотерапии, магнитоизмери-тсльной системы, отдельных блоков и устройств, алгоритмы и программы внедрены на предприятиях-производителях магнитотерапевтической аппаратуры: НПО "Плазма", г. Рязань; ОКБ "Спектр", г. Рязань; Касимовском приборном заводе; НПФ "РРТИ-Интерком", г. Рязань; "Апатек-Мед", г, Москва, а также на ряде других предприятий, связанных с производством магнитоизлучающих элементов и измерением их характеристик.
Мапгитотерапевтические комплексы "Аврора МК-ОГ', "Мультимаг МК-03" и "Мультимаг М", демонстрировавшиеся на ряде выставок и салонов, удостоены дипломов и медалей, среди которых: Серебряная медаль Всероссийской выставки-ярмарки "Изобретатели России XXI веку" (Сочи, 2001 г.); Серебряная медаль II Московского международного Салона инноваций и инвестиции (Москва-ВВЦ, 2002 г.); Специальный приз второй международной выставки "Малый и средний бизнес-производство для нужд общества" (Москва, 2003); Золотая медаль IV Московского международного Салона инвестиции и инноваций (Москва, 2004); Диплом I степени и Большая золотая медаль IX выставки-конгресса "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции'1 (Санкт-Петербург, 2004),
Результаты полученных в диссертации теоретических, прикладных и экспериментальных исследований используются в учебном процессе в Рязанской государственной радиотехнической академии при обучении студентов специальностей: 190500 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", 190600 -"Инженерное дело в медико-биологической практике".
Основные положения, выносимые на зашиту.
Принципы формирования магнитного поля дискретно управляемой структуры с заданными законами распределения и перемещения в пространстве и изменения во времени, позволяющие осуществлять дозированное по параметрам магпитоте-рапевтическое воздействие на весь организм человека.
Методы анализа, расчета и проектирования систем комплексной магнитотерапии, включающие полеформирующие, управляющие, контролирующие и диагно-
стирующие системы и средства, обеспечивающие дальнейшее развитие данного научного направления.
Методы расчета и моделирования систем формирования магнитных полей, организованных в виде пространственно распределенных совокупностей электромагнитных индукторов, базирующиеся на расчете скалярного магнитного потенциала с учетом взаимного расположения индукторов относительно друг друга и системы координат, позволяющие оперативно и в наглядных представлениях проектировать новые и модернизировать известные системы магнитотерапии общего воздействия.
Оптимизированные методы и полиномиальные алгоритмы управления (в том числе оперативного управления) системами излучателей магнитного поля, предоставляющие возможности создаїлія, модернизации и хранения множества лечебшлх методик (конфигураций магнитных полей) и их коррекции в ходе сеанса лечения для различных патологий и пациентов.
Принцип построения систем магнитотерапии с многоконтурными биотехническими обратньши связями на основе выраженных хронобиологических реакций пациента. Структура магнитотерапевтического комплекса с автоматической коррекцией параметров магнитного поля в ходе сеанса воздействия, позволяющая индивидуализировать лечение применительно к конкретному пациенту.
Способ измерения сложно распределенных в пространстве и изменяющихся во времени магнитных полей на основе сканирующего принципа и модифицированного метода вычислительной томографии. Структура автоматизированной системы, позволяющей осуществлять прямые измерения и визуализацию реальных магнитных полей, создаваемых в системе магнитотерапии, обеспечивать их контроль на стадиях производства и эксплуатации аппаратуры. Методика поверки магтгитоизмерителъной системы на переменном токе, основанная на сличении результатов прямых измерений на постоянном токе и косвенных измерений на переменном токе, и предоставляющая возможность аттестации источников переменных магнитных полей.
7, Результаты экспериментальных исследований разработанных систем, уст
ройств и алгоритмов, подтвердившие обоснованность теоретических выводов, расче
тов и результатов моделирования.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты обсуждались на: VI Всероссийской НТК "Электронизация и компьютеризация процессов сельскохозяйственного производства" (Рязань, 1993); Международной конференции "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации" (Рязань,
1993); Всероссийской НТК "Аппаратно-программные средства диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний" (Самара, 1994); Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1995-2003); Межвузовской НІЖ "Здоровье студентов как комплексная проблема: медицинские, экологические и социальные аспекты" (Тула, 1996); II международной НТК "Физика и радиоэлектроника в медицине н биотехнологии" (Владимир, 1996); Второй международной конференции "Электромагнитные поля и здоровье человека" (Москва, 1999); Second international conference "Electromagnetic fields and human health" (Mo-skou., 1999); Межрегиональной научно-практической конференции-семинара "Технологии физиотерапии XXI века" (Рязань, 2001); Всероссийском съезде физиотерапевтов и курортологов и Российском научном форуме "Физические факторы и здоровье человека5' (Москва, 2002); V Международной НТК "Современные средства управления бытовой техникой1' (Москва, 2003); V межвузовской НІЖ "Информационные технологии XXI века" (Москва, 2003); III международном симпозиуме "Аэрокосмические технологии" (Санкт-Петербург 2004).
Личный вклад автора. Постановка задач, способы решения, основные научные результаты, выводы и рекомендации принадлежат автору. Автором сформулированы основные идеи защищаемых методов и алгоритмов. Аппаратные и программные средства для реализации полученных результатов разработаны под руководством и при непосредственном участии автора. Работы, выполненные в соавторстве, подчинены общей постановке проблемы и концепции ее решения, предложенной автором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ, в том числе 35 публикаций в изданиях, включенных в перечень ВАК. Среди них: учебное пособие для вузов, монография, 21 статья в центральных журналах, 10 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 325 наименований, 10 приложений. Диссертация содержит 342 страницы основного текста и 70 страниц рисунков н таблиц (199 рисунков
и 13 таблиц).
Теоретические аспекты применения магнитного поля в физиотерапии
При этом местные изменения условно делятся на две группы: "плюс ткань" и минус ткань". К первой группе относятся пакеты варикозно деформированных вен, участки инфильтрации и т.д. Вторую группу составляют участки различного вида трофических расстройств.
Над участками, определенными как "плюс ткань", уровни индукции увеличиваются до 80,..100 % (4,0...5,0 мТл), т. к. купирование инфильтративных процессов требует, как правило, более высоких дозировок.
Над участками "минус ткань" уровни, наоборот, снижаются до 10...40 % (0,5.,.2,0 мТл), а иногда даже до 0, т. к. воздействие на зону альтерации, помимо истощающего эффекта, описанного выше, сопровождается неприятными субъективными ощущениями у пациентов (боли, чувство жжения и др.).
При распределении уровней индукции в случае смешашюй патологии используются дозировки артериальной кривой для индукторов, формирующих артериальную волну, и дозировки венозной кривой для индукторов, формирующих венозную волну. Поскольку одни участки конечности получают артериальный тип воздействия, другие только венозный тип, целесообразно производить смену геометрии поля и соответствующих дозировок (обычно меняются четные индукторы на нечетные и наоборот). Варианты периодичности таких смен могут быть самыми разнообразными: по прохождении половины времени процедуры, через день, после прохождения половины курса лечения и т.д.
Такая методика изменения уровня магнитной индукции в зависимости от стадии заболевания основывается на концепции зависимости уровня стрессорных реакций организма от уровня декомпенсации кровообращения в конечности (по сути -стадии заболевания). Кроме того, определенное значение имеет и индивидуальные особенности организма, определяюпще характер адаптациошіьіх реакций данного индивида. Поэтому, для определения истинных значений базовых кривых уровней магнитной индукции проводится тестирование пациента с определением индекса функциональных изменений (ИФИ) системы кровообращения по эмпирической формуле: ИФИ = 0,1 ЬЧП + 0,014-САД + 0,08-ДАД + 0,014В + 0,009-МТ - 0,009-Р - 0,273, где ЧП — частота пульса; САД и ДАД — соответственно систолическое и диастоличе-ское артериальное давление; В - возраст; МТ - масса тела; Р - рост. В зависимости от полученных расчетных данных все пациенты делятся на три группы: с пороговыми, умеренными, значительно выраженными изменениями ИФИ.
В зависимости от определенной группы пациенту назначается следующие уровни магнитной индукции на сегменты конечностей: 1) пороговые изменения - минимальное значение диапазона; 2) умеренные изменения - средние значения диапазона; 3) выраженные изменения - максимальные значения диапазона.
При этом характер кривой распределения уровней по конечности в зависимости от конкретной нозологической формы полностью сохраняется. При курсе лечения в 20 сеансов периодически (1раз в 5 дней) целесообразно определять динамику ИФИ с проведением соответствующей коррекции параметров ДМП.
Вопрос о целесообразности применения постоянного МП (фона) одновременно с применением бегущих магнитных волн в настоящее время остается наименее изученным и наиболее дискуссионным. Введение дополнительного фактора воздействия в середине курса лечения патофизиологически представляется оправданным, т. к. это позволяет препятствовать переходу реакции адаптации в реакцию привыкания. В этом случае параметры постоянного поля соответствуют параметрам базовой волны.
Второй вариант применения постоянного поля основывается па его возможности блокировать квазипостоянные токи сосудистой стенки, которые в условиях ишемии носят патоинформационный характер. Кроме того, возможно добиться снижения уровня динамических иатоинформационных токов, возникающих ниже уровня окклюзии. При этом векторы индукции постоянного магнитного фона устанавливаются противонаправленными вектору артериального кровотока ниже уровня окклюзии с их автоматическим переключением на равнонаправленные при прохождении базовой волны ДМП.
Средняя суточная экспозиция, т.е. время одной процедуры составляет 20 мин. Однако при наличии выраженной сопутствующей патологии со стороны сердечнососудистой системы (мерцательная аритмия, двукратный инфаркт миокарда в анамнезе, ИБС 3-го функционального класса и т.д.), а также пациентам старше 65 лет рекомендуется длительность одной процедуры уменьшать до 10...15 мин. Кроме того, при одновременном применении нескольких видов магнитотерапии нежелательно превышение суммарного времени суточных процедур 30 мин. Поэтому в каждом конкретном случае вопрос суточной экспозиции должен решаться строго индивидуально.
Общая курсовая экспозиция, как правило, равна 20 сеансам. Практический опыт показывает, что при назначении большего количества процедур никогда не удается достичь ни большего клинического эффекта, ни более выраженной ремиссии. Следует отметить, что ремиссия патологического процесса при применении рассмотренного алгоритма определения биотропных параметров составляет от 8 до 20 месяцев, что требует проведения повторных курсов лечения в среднем 1 раз в год.
Клинические исследования, проведенные в течение последних 10 лет, убедительно свидетельствуют о том, что рассмотренный подход к программированию лечебного магнитного воздействия позволяет достигать значительно более выраженных клинических эффектов у пациентов с поражением сосудистой системы [1, 2]. Такое магнитотерапевтическое воздействие может применяться как самостоятельный ВИД лечения в ранних стадиях заболевания, а в сочетании с другими видами физио- и фармакотерапии - и при выраженной декомпенсации гемодинамики.
Аналитические методы расчета электромагнитных полей элементарных излучателей и систем индукторов. Особенности и ограничения
В основу разработки и проектирования устройства магнитного воздействия должны быть положены различные критерии: эффективность лечения; комфортность для пациента; удобство и простота обслуживания для медицинского персонала; технологичность в производстве; себестоимость; эстетичность и пр., в совокупности обеспечивающие оптимальные (квазиоптимальные) технические решения.
Таким образом, достаточно большое множество принципиально возможных технических решений и конструктивных вариантов сужается до некоторого класса практически реализуемых устройств магнитного воздействия, а именно: на основе куптетки или кресла, в виде жесткого или полужесткого костюма, чемодапа" и их разновидностей. Заманчивая на первый взгляд конструкция в виде гибкого эластичного магнитного костюма (напоминающего гидрокостюм, как показано на рис. 2.5, в) мало пригодна, прежде всего, из-за своей большой массы, которая (для обеспечения реально создаваемых МП) по предварительным расчетам составляет более 100 кг, что для человека неприемлемо. Поэтому, безусловно, требуется некоторый жесткий каркас (или основание), воспринимающий всю нагрузку.
Жесткая конструкция по типу аппарата "Звезда" [35], состоящая из множества коротких катушек, охватывающих части тела человека, для формирования дискретно управляемой структуры поля кс подходит. Поэтому предлагается принципиально новый подход, при котором для головы, туловища и каждой конечности человека формируется некая упруго сгибающаяся в цилиндр плоскость, которая держит свою фор му за счет упругих сил. Исходно на эти плоскости ложится пациент, а затем на частях его тела формируются цилиндры. Основу устройства составляет ячеистая плоскость матричного тина (рис. 2.6,а), в ячейки которой вставляются малогабаритные плоские индукторы-электромагниты (по рис, 1.19).
а) размещение индукторов; б) плоский электромагнит, укрепленный в основании футляра; в) крышка Такая конструкция имеет бесспорные преимущества: удобство помещения пациента в установку (плоскость предварительно разворачивается, больной ложится и его, как одеялами, накрывают излучающими плоскостями). Каждая плоскость представляет собой гибкую конструкцию, основанную на применении жестких пластмассовых корпусов в форме прямоугольного параллелепипеда, в каждый из которых помещен индуктор-электромагнит [1,2, 104] (рис. 2,6Дв). Из отдельных корпусов собираются пояса (рис. 2Л,а) по подобию траков гусеничных движителей, которые, в свою очередь, объединяются в плоскости (сегменты) для головы, туловища и конечностей соответственно. В конструкции заложен матричный принцип пространственного расположения индукторов.
Излучающие плоскости не оказывают давление на пациента, поскольку приобретают форму цилиндров (за счет технологических отливок в форме параллелепипедов, ограничивающих угол складывания), как это показано на рис. 2.7,6. Дальнейшее совершенствование оконечных устройств магннтотерапевтических комплексов связано с разработкой плоскостных магниюсканов (рис. 2.8). Схематичное изображение конструкции плоскостного магнитоскана Данная конструкция в значительной степени учитывает недостатки предыдущих разработок и отвечает ранее сформулированным критериям. Отличительной особенностью конструкции является размещение системы индукторов в двух плоскостях: нижней - прямолинейной и верхней - криволинейной. Нижняя плоскость это поверхность кушетки, а верхняя - подъемный навес (крышка). Для удобства пользования верхняя плоскость может быть разделена на две части. Размещение индукторов и электромонтажа в жестких плоскостях придает конструкции новые положительные свойства. Внешний вид аппарата приобретает привычные очертания известных физиотерапевтических устройств (например, типа солярия), чем исключается психологический фактор у пациентов. Существенно повышается надежность и электробезопасность конструкции. Значительно упрощается работа медперсонала по укладке пациента, которая сводится к поднятию и опусканию навеса.
Пространственные конфигурации формируемых магнитных полей.
Картина силовых линий элементарного излучателя целиком определяется его конструкцией (см. п. 1.6). Силовые линии индуктора-электромагнита с плоским сердечником показаны на рис. 2.1, а распределение магнитной индукции -на рис. 1.19.
а) относительно начала координат; б) относительно осей х ну Многочисленные экспериментальные исследования, а также моделирование на ЭВМ, проведенные, в том числе и автором, позволили установить характер распределения магнитного поля в пространстве внутри пояса, состоящего из индукторов и свернутого в кольцо, а также в излучающей плоскости из поясов, свернутой в ци Характер изменения индукции в поясе относительно начала координат показан на рис. 2.9,а, а на рис. 2.9S6 показано изменение индукции вдоль любой оси (в данном случае оси к у), проходящей через центры противоположных индукторов. Вид распределения индукции говорит о том, что поле внутри пояса неоднородно. При увеличении числа индукторов в поясе (уменьшении расстояния между индукторами) однородность повысится, но к этому не нужно стремиться, поскольку большим терапевтическим эффектом обладают как раз неоднородные поля [217 105, 106]. На рис. 2.9 рассмотрена ситуация, когда все индукторы питаются одним и тем же током, поэтому
На рис. 2.10 в осевом сечении представлена картина силовых линий фонового (постоянного) МП ячеистой плоскости составленной из поясов и свернутой в цилиндр. Безусловно, такая картина будет иметь место при вполне определенных расстояниях между поясами. При увеличении этих расстояний и существенном уменьшении токов, систему нужно будет рассматривать как набор отдельных индукторов с несвязанными МП.
Картина силовых линий фонового (постоянного) МП в цилиндре, образованном из поясов индукторов
Дискретный принцип формирования магнитного поля открывает большие возможности по созданию самых разнообразных его конфигураций, требуемых для решения разнообразных задач практической медицины: композиций постоянного и импульсного МП, с различным значением индукции в поясах, с различным направлением вектора в поясах, с согласным и встречным включением поясов, с дифференцированным временем включения и т.д. Концепция общего воздействия, обоснование дискретного принципа формирования МП описаны в наших работах [1, 135-138]
Оптимизация устройства управления МТК при известной совокупности векторов индукций лечебных магнитных нолей
Устройства управления магнитотерапевтическими аппаратами (УУ МТА) предназначены для программного управления искусственной магнитной средой, создаваемой вокруг биоо&ьекга. Для организации процесса управления целесообразно ввести в рассмотрение управляемые независимо источники магнитного поля (УНИМП), которые образуются путем конструктивного и (или) электрического объединения между собой нескольких элементарных излучателей МП.
В подавляющем большинстве современных МТА используется принцип электронного управления индукцией МП, подразумевающего, что изменение напряженности (индукции) поля осуществляется за счет изменения токов, протекающих через индукторы. Как наиболее эффективный (низкие энергетические затраты на управление, удобство для пациента), принцип электронного управления используется а в устройствах управления магнитотерапевтическими аппаратами и комплексами (МТА и МТК) общего магнитного воздействия [1, 30, 166, 179, 180],
Вопрос организации управления магнитотерапевтическим сеансом и вместе с ним вопрос оптимизации УУ МТК теснейшим образом связан с характеристиками и параметрами лечебных МП. До настоящего времени характеристикам лечебных МП, влияющим на состав и структуру УУ МТА уделялось незначительное внимание, что объясняется эмпирическим подходом к вопросам синтеза и конструирования указанных устройств. С другой стороны, большое внимание, как в публикациях медицинского характера, так и в технических работах уделяется биотропным параметрам МП (см. п. 1,2). Очевидно, что биотропность некоторого параметра МП определяется по отношению к конкретному заболеванию, органу или системе и несет информацию, значимую для врача [9, 21, 64, 68, 103, 181],
Не вызывает сомнений, что наборы параметров МП, доступных для управления, теснейшим образом связаны с математическими моделями, описывающими зависимость индукции лечебного МП от пространства и времени. В свою очередь, состав, структура, функциональные возможности и набор органов управления УУ МТА оп ределяется характером (математической моделью) формируемых лечебных МП. Для выявления характерных особенностей и обобщенной структуры устройства управления (УУ) необходимо определить основные характеристики МП, влияющие на форму математической модели создаваемого поля,
К таким характеристикам, в первую очередь, относят пространственные, в том числе однородность (неоднородность) формируемого аппаратом МП [1, 27, 179]. Выражение, описывающая зависимость индукции однородного магнитного поля В в некоторой точке пространства от управляющего тока /, не содержит координаты точки (x,yr z) в явном виде и, кроме того, параметры модели также не зависят от координат исследуемой точки пространства. Модель неоднородного поля содержит зависимость tf(x, yt z\ либо имеет пространственно-зависимые параметры (см. п. 2.5).
Не менее важной основной характеристикой лечебного МП является характер его изменения во времени. По данному признаку выделяют два класса полей: статические и динамические. Очевидно, что модель статического МП не содержит зависимостей от времени, как явных, так и неявных, в то время как модель динамического поля явным образом зависит от времени.
Для того чтобы описать поведение вектора магнитной индукции во времени и в пространстве недостаточно указанных выше характеристик. Дополнительно необходимо знать число степеней свободы вектора индукции В и степень связности поля. Число степеней свободы вектора индукции определяется как минимальное число координат, необходимое для описания положения вектора В в пространстве. По этому признаку выделяют индукторы (и МТА) с одной, двумя и тремя степенями свободы вектора магнитной индукции.
Индуктор с одной степенью свободы создает такое МП, индукция которого в заданной точке пространства направлена всегда вдоль одной и той же прямой, т.е. силовые линии поля, формируемого индуктором с одной степенью свободы, имеют постоянную, не зависящую от времени, форму. Для управления таким излучателем достаточно одной обмотки [1, 39, 166]. Индукция МП, создаваемого индуктором дагпгого типа может изменяться по модулю и направлению, но направление вектора В может принимать только два значения вдоль одной, фиксированной для каждой точки пространства прямой в соответствии с изменением направлення тока в управляющей обмотке индуктора. В модели МП с одной степени свободы используется такая система отсчетаа зависящая от координат в пространстве, что индукция поля В является скалярной функцией, т.е. описывается одной координатой.
Индуктор с двумя степенями свободы вектора В создает МП с различной величиной индукции и различным направлением вектора В, но все возможные положения вектора индукции МП лежат в одной плоскости. Силовые линии поля, создаваемого таким индуктором изменяются во времени, а для управления таким излучателем требуется как минимум две обмотки. Кроме того, необходимо, чтобы обмотки (в случае простых по форме излучателей) не лежали на параллельных прямых. Величина В будет зависеть от абсолютных значений токов, а направление индукции от соотношения и знаков управляющих токов. В данном случае можно рассматривать индукцию. В как двухкоординатную векторную функцию (времени и (или) координат в пространстве), либо как постоянный двухкоординатный вектор.
Индуктор с тремя степенями свободы (с полным вектором В) создает МП, индукция которого может занимать произвольное положение в пространстве, разумеется, относительно заданной точки, и принимать любое возможное значение. Управление таким индуктором должно осуществляться как минимум по трем обмоткам, причем их оси или линии, соединяющие их полюса, не должны лежать в одной плоскости. Если силовые линии поля индуктора с полным вектором В изменяются во времени, модель лечебного поля будет такова, что индукция является трехкоордннатной векторной функцией (или трехкоординатным вектором — в случае однородного статического поля).
Степень связности лечебного МП показывает, сколько независимых источников создают данное поле. По этой характеристике различают поля, создаваемые одним источником (односвязные), и поля, создаваемые несколькими независимыми источниками (многосвязные). Модель односвязного поля представляет собой одну векторную или скалярную (в случае поля с одной степенью свободы) функцию, В противоположность этому, многосвязное поле представляет собой результат суперпозиции полей всех участвующих в его формировании источников. Поэтому математическая модель такого поля записывается в виде скалярного произведения двух векторов. Один из них состоит из векторов индукции МП, создаваемого каждым из независимых источников в опорных точках.
Неавтоматизированные способы оперативного управления биотропными параметрами
Доказательство. Пара Ms представляет собой матроид в том случае, если она удовлетворяет трем аксиомам [187, 196, 197]. Рассмотрим их поочередно.
1. Множество SQ конечно. Количество управляющих сигналов не может превышать число УНИМП МТА. Количество УНИМП ограничено. Следовательно, множество управляющих сигналов конечно. Простая сетка So является частным случаем множества управляющих сигналов и в силу этого также представляет собой конечное множество. Первая аксиома для пары Ms выполняется.
2. УЛє S9Bc:A= Be S. Рассмотрим некоторое множество \/AczS совместимых сигналов управления. Если бсЛ и Ас: В то множества А и В совпадают и в этом случае В є S по определению, Рассмотрим теперь случай, когда В является несобственным подмножеством А. В этом случае в В входит только часть сигналов управления s(t) є А. Но, поскольку А состоит только из совместимых сигналов, любая пара (s t s;-(())\ s-(t) є Arsj(t) А совместима. Так как В состоит только из элементов, принадлежащих Л, то любая пара (sk(),sf(ty): sk(t) є B s t) є В также совместима и, следовательно, йє S.
Множество В может состоять из одного элемента, но и в этом случае, по определению 3.1, В также является множеством совместимых сигналов, т.е. В 5. Наконец, множество В может быть пустым. Поскольку нет оснований считать пустое множество множеством несовместимых сигналов, то можно положить 0 S. В результате условия второй аксиомы удовлетворяются и Vv4e 5,УВс = йє S.
3. Аксиома замены; УА =$,Вє5:\в\ \А\ 3 ХЄА\В\ВІ){Х}Є 5.
Рассмотрим множества А:\А\ = тАг В:\В\ = тв и А = А\В. \А \- т А Ы, т. к. по условию т тв. В зависимости от соотношения множеств АнВ возможны две ситуации:
1) BczA (тривиальный случай). В этой ситуации любой элемент а еА удовлетворяет аксиоме, поскольку В U \а } с А и, по аксиоме 2, В U {# } є 3;
2) В А. Рассмотрим множества Ar = A\Bt В -В\А и С = Af]B. Множество А непусто, т,к по условию т& тв- Bf также непусто, в силу В ( А. Множество С может быть как пустым, так и непустым, но, в любом случае, С U {# } є «Ss так как Сс4.
Чтобы проверить, не нарушается ли условие попарной совместимости сигналов управления на множестве B\J\ar , достаточно проверить, не нарушается ли оно для множества Br\J{ar . Лемма 3.3. Для любого элемента b sB\ существует не более одного элемента л Є Л , такого что а несовместим с Ъ\
Доказательство. Предположим обратное, т.е. что существуют два элемента а[ и а 2, несовместимые с некоторым элементом Ь єВ . Отношение несовместимости (перекрытия) определяется матрицей 0. Используя его, можно записать: a\b и а гОЬ\
Поскольку отношение 0 симметрично, то последнее выражение можно запи сать в виде: а\Ь и A GaJ, но в силу транзитивности 0 для простой сетки So (лемма 3.3), получаем; а[%Ь иУ(=Ц = alGa 27 т.е. элементы а[ и а\ несовместимы. Последнее утверждение противоречит исходной посылке, по которой все элементы а є А попарно совместимы, поскольку A =S и в силу аксиомы 2. Следовательно, предположение о том, что могут существовать несколько элементов множества Л\ несовместимые с одним элементом Ь еВ ложно и лемма доказана.
Предположим далее наихудший случай: для каждого элемента Ь єВ\ существует несовместимый с ним элемент а є А . Но так как тд т и в силу леммы 3.3, существует как минимум один элемент аеА\ совместимый с любым из элементов Ь В . Следовательно: 3 a tA\B:B\Jip}tS, поскольку 3 совместим с каждым из СЁСИ с каждым из Ь В\ a C\JB = B.
В итоге, V GS,5GS:5J J 3 a eA\B:B\J$ }S, т.е. условия аксиомы замены выполняются для любых двух независимых подмножеств АъВ. Независимыми называются подмножества, входящие в семейство S. И поскольку выполняются условия всех трех аксиом, пара Ms представляет собой матроид и теорема 3.2 доказана.
Следствие 1. Если So - простая сетка, то существует линейный по времени алгоритм поиска оптимального по числу каналов решения задачи оптимизации УУ МТК. Согласно [188, 192], если в ходе решения задачи комбинаторной оптимизации выясняется, что множество исходных элементов (в нашем случае - сигналов управления) и множество допустимых вариантов решения образуют матроид, то для решения данной задачи рекомендуется использовать "жадный" алгоритм. Как отмечается в [192] "жадный" алгоритм может и не быть самым эффективным, но он имеет полиномиальную временную сложность и рекомендуется для практического использования.
Результат леммы 3.2 позволяет на этапе подготовки исходных данных определить, является ли множество сигналов управления простой сеткой. Результат анализа матрицы перекрытии 0 служит основой для принятия решения о применении "жадного" алгоритма или о поиске приближенного решения. В первом случае "жадный" алгоритм находит оптимальное решение задачи.
