Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1 Анализ современного состояния электролазерной стимуляции репродуктивной функции аппаратными средствами. Экологическая экспертиза аппаратных средств. постановка задачи 13
1.1. Анализ современного состояния электролазерной стимуляции репродуктивной функции аппаратными средствами 16
1.1.1. Основы электростимуляции 19
1.1.2. Основы лазерной стимуляции 28
1.2. Экологическая экспертиза аппаратных средств 41
1.3. Постановка задачи 46
1.4. Выводы по первой главе 51
ГЛАВА2 Автоматическая система управления величиной тока электростимуляции 54
2.1 Аналитической модель зависимости пульса человека от параметров протекающего электрического тока 54
2.2 Автоматическое управление током электростимуляции с помощью биологической обратной связи 65
2.3 Выводы по второй главе 77
ГЛАВА 3. Автоматические системы управления частотой тока и контроля канала электростимуляции 78
3.1 Анализ функциональных схем аппаратов-аналогов 78
3.2 Альтернативные функциональные решения 90
3.3 Генератор частоты следования импульсов электростимуляции 96
3.4 Автоматическая система контроля канала электростимуляции 108
3.5 Выводы по третьей главе 122
ГЛАВА 4. Элементная база. основы конструкции. функциольно-стоимостной и многокритериальный анализ. перспективы развития аппарата 124
4.1 Элементная база 124
4.1.1 Излучатели 124
4.1.2 Микросхемы 132
4.2 Основы конструкции 134
4.3 Анализ достигнутых показателей аппарата 134
4.3.1 Параметры и характеристики назначения 134
4.3.2 Функционально-стоимостный анализ 142
4.3.3 Производственные и технологические показатели 149
4.3.4 Многокритериальный анализ 152
4.4 Перспективы развития аппарата 154
4.5 Выводы по четвертой главе 155
Заключение 157
Литература 165
- Анализ современного состояния электролазерной стимуляции репродуктивной функции аппаратными средствами
- Автоматическое управление током электростимуляции с помощью биологической обратной связи
- Генератор частоты следования импульсов электростимуляции
- Производственные и технологические показатели
Введение к работе
Развитие процессов урбанизации, концентрации населения и производства в результате деятельности человека, при удовлетворении его собственных потребностей, привело к резкому усилению негативных последствий нагрузок на природную среду, к нарушению естественного функционирования биосферы и ее экосистем.
В последнее время в связи с обострением противоречий между деятельностью человека, эксплуатирующего природные ресурсы и состоянием природной среды возникает насущная проблема системного изучения взж-модействия живой природы и техногенной сферы, созданной человеком.
Современная экология не только изучает законы функционирования природных и техногенных систем, но и ищет пути гармонического взаимоотношения природы и общества. От характера, которого зависит не только здоровье людей и их экономическое процветание, но и сохранение человека как биологического вида. Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. Поэтому идеи и проблемы экологии всемерно проникают в другие научные дисциплины и внедряются в общественное развитие.
Экологическое образование формирует экологическое мышление, обеспечивающее анализ и последующий синтез взаимосвязанных природных и техногенных объектов и процессов, как основу прогнозирования их развития и приоритетного выбора оптимальных в экологическом отношении решений и действий.
Систематические (мониторинговые) наблюдения за состоянием природных объектов и процессов позволяет своевременно выявить неблагоприятные тенденции в динамике развития популяции того или иного вида живой природы и принять адекватные меры по ее нормализации.
Человек, как биологическая особь является частью живой природы не отделим от нее и для него справедливы присущие для живых существ общие закономерности связанные с изменениями в окружающей среде.
Сегодняшнее состояние популяции населения России характеризуется крайне низким его уровнем. С 1992 г. происходит увеличение числа умерших и уменьшение числа родившихся. В 1996 г. превышение числа умерших над числом родившихся достигло 821 тыс. человек и остается на этом уровне до настоящего времени. Подобная тенденция может привести к уменьшению населения России вдвое к 2050 году. В связи с этим репродуктивное здоровье населения страны является наиболее острой медико-социальной проблемой, фактором национальной безопасности.
Общепризнано, что одним из наиболее действенных методов контроля природной среды, управления численности видов является контроль за репродуктивной функцией.
Как в научных, так и в популярных изданиях последних лет, посвященных проблеме репродуктивного здоровья, отмечается высокая частота заболевания простаты, одного из органов половой системы мужчин. Снижение заболеваемости простатитами является важной и актуальной задачей сегодняшнего времени.
Из-за особенности анатомического строения предстательной железы, как правило, даже массивная и продолжительная антибиотикотерапия является недостаточной. Поэтому активно используются методы физиотерапии
В настоящее время наиболее физиологичным и эффективным методом восстановления функций простаты считается ее электрическая стимуляция в сочетании с применением лазерного излучения. Для электростимуляции предстательной железы используются частоты в диапазоне 0,5...50 Гц. С целью эффективного использования различных частот электростимуляции раз-
работана методика определяющая последовательность и длительность их воздействия, задаваемых в виде стандартизованных графиков.
Для лазерного облучения предстательной железы используются лазеры с длиной волны 0,63...0,67 мкм. В этом диапазоне обеспечивается наибольшее поверхностное поглощение излучения тканями, что повышает иммунитет, улучшает микроциркуляцию крови и лимфы, повышает антибактериальную активность. Мощность лазерного облучения не превышает 10.. Л 5 мВт.
На рынке электролазерного оборудования присутствует ряд аппаратов, позволяющих реализовать методику электролазерной стимуляции предстательной железы. Однако аппаратные средства» применяемые для восстановления репродуктивной функции, сами являются частью техногенной сферы искусственно созданной человеком. Призванные для обеспечения положительного эффекта они в ряде случаев наряду с положительными функциями несут сопутствующие угнетающие объект воздействия и приводящие к нежелательным последствиям снижающим эффект от применения аппаратных средств. Таким образом, сами аппаратные средства должны подвергаться экологической экспертизе на предмет экологической чистоты генерируемых ими физических факторов воздействия.
В настоящее время нормативная документация не предусматривает экспертизы аппаратов взаимодействующих с объектами живой природы на экологичность генерируемых ими сигналов, если это не наносит непосредственного вреда здоровью биообъекта или обслуживающего персонала и, в связи с этим, экологические подходы позволяющие отслеживать приграничные с ними области и обеспечивать гармоничное комфортное проведение процедуры электростимуляции без давления на психику биообъекта обладают новизной и позволяют поставить новые задачи по совершенствованию существующих аппаратов, обеспечить более высокое их качество и, как следствие их конкурентоспособность.
Существующие электролазерные аппараты для стимуляции репродуктивной функции обладают высокой степенью субъективности в управлении величинами физических факторов воздействия, связанную с отсутствием объективного и оперативного контроля за состоянием объекта воздействия и неоперативным, с усложненным алгоритмом, ручным управлением, что приводит к замедлению принятия решения и, как правило, к передозировкам, вызывающим физический дискомфорт и психологическое давление на объект воздействия и приводящим к снижению эффективности проводимой процедуры. Возникающее дискомфортное негармоничное состояние объекта являются признаками неэкологичности существующих аппаратов.
К неэкологичности существующих аппаратов следует отнести и большую разность частот импульсов электростимуляции, генерируемых ими в режиме автоматического управления частотой, к которой не успевает адаптироваться объект воздействия, а также высоковольтные выбросы в канале электростимуляции и возможность шокового удара электрическим током при нарушениях в электрической цепи канала электростимуляции.
Решение поставленных задач лежит в области объективного аппаратного контроля за состоянием объекта воздействия и автоматизации процесса управления на данных контроля величинами физических факторов воздействия, а также в области иных альтернативных методах и принципах функционального построения аппаратов..
Многие проблемы в поставленных задачах в настоящее время не нашли теоретического осмысления и не имеют предложений по практической реализации и их решение представляют актуальную задачу.
Кроме неэкологичности существующие аппараты обладают целым рядом недостатков, снижающих их конкурентоспособность: одни требуют для своего управления персональный компьютер, другие имеют избыточные функции, усложненный алгоритм управления, высокую стоимость, третьи
ограничены в функциональных возможностях, выполнены на устаревшей элементной базе с низкой степенью интеграции, имеют большие габариты и массу затрудняющую их транспортировку для обслуживания на дому.
Успехи, достигнутые наукой и промышленностью в области оптоэлек-троники обеспечили повсеместное применение полупроводниковых излучателей (светодиодов и лазеров) и замену ими газовых лазеров, которые проигрывают им по габаритам, массе и мощности потребления.
На рынке электронных компонентов присутствует широкая гамма микросхем с высокой степенью интеграции, как с возможностью их микропрограммирования, так и микросхем специализированных для определенных функций, в частности для измерения электрических величин и их преобразования в частоту или код для непосредственного управления индикатором отображения.
Неблагоприятная экологическая обстановка, низкая репродуктивность, потребность в недорогих малогабаритных аппаратах с оптимальными с точки зрения практики функциями и характеристиками с одной стороны и современные тенденции и возможности элементной базы с другой стороны, а тж-же нерешенность вопроса об оптимальных методах и средствах реализации экологичных физических факторов воздействия для стимуляции репродуктивной функции позволяют сформулировать актуальную проблему, заключающуюся в разработке методов и приборов генерации электростимулирую-щих сигналов с биологической обратной связью на основе объективного и оперативного контроля состояния объекта воздействия.
Цель работы. Целью настоящей работы является создание методов и приборов объективного контроля состояния биообъекта и генерации элек-тростимулирующих сигналов с биологической обратной связью, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности процедуры электростимуляции.
Достижение цели связано с решением следующих основных задач:
Анализ существующей электролазеростимулирующей аппаратуры, выявление необходимых факторов воздействия и выявление сопутствующих, негармоничных, дискомфортных неэкологичных факторов, формирование требований к проектируемому прибору.
Разработка методов оперативного и объективного контроля биообъекта и автоматического управления амплитудой и частотой тока электростимуляции с биологической обратной связью, обеспечивающих повышение эффективности воздействия при одновременном уменьшении его нежелательных последствий.
Разработка новой трехпрограммной системы автоматического управления частотой тока электростимуляции для устранения эффекта привыкания и устранения дискомфорта при переключении частот импульсов электрости-муляции.
Разработка нового метода предупреждения электрошока и электротравм путем автоматического контроля за целостностью канала электростимуляции не только во время процедуры, но и в предыдущие моменты времени электростимулирующего воздействия.
Разработка методов оптимизации приборов с помощью комплексного проведения многокритериального и функционально-стоимостного анализа, использующих гибридные построения схемы.
Разработка на основе предложенных методов серии новых приборов электростимуляции.
7.Проведение испытаний приборов.
Методы исследования: математическое моделирование, математический анализ, функционально-стоимостной анализ, многокритериальный анализ, статистический анализ, экспериментальные методы исследования и испытаний.
Научная новизна работы:
1. Разработана методика анализа функций электростимулирующих
приборов, позволяющая минимизировать отрицательные воздействия при
проведении процедуры стимуляции.
Разработана математическая модель зависимости пульса от величины и частоты тока электростимуляции, позволяющая установить научно-обоснованные требования к параметрам электростимуляторов и обеспечивающая теоретический анализ нелинейных систем, в которых в качестве одного из звеньев присутствует биообъект.
Разработаны методы оперативного и объективного контроля состояния живого организма в текущий момент времени и автоматического управления амплитудой и частотой тока электростимуляции, обеспечивающие повышение эффективности воздействия при одновременном уменьшении его нежелательных последствий.
Разработан новый метод предупреждения электрошока и электротравм путем автоматического контроля за целостностью канала электростимуляции не только во время процедуры, но и с учетом состояния организма в предыдущие моменты времени.
Разработаны методы оптимизации приборов с помощью комплексного проведения многокритериального и функционально-стоимостного анализа, с использованием преимуществ гибридного построения схемы и выбором технологии (аналоговая, цифровая или смешанная), дающие максимальный эффект для реализации функций прибора в целом.
Практическая ценность работы состоит в следующем: 1. Разработанная математическая модель зависимости пульса человека от параметров протекающего через него тока позволяет осуществлять теоретический анализ систем, в которых одним из звеньев является биообъект и
обеспечивает снижение затрат при проведении опытно-конструкторских работ.
Разработанные системы автоматического управления амплитудой и частотой тока электростимуляции позволяют стабилизировать результаты электростимулирующей процедуры за счет исключения субъективного фактора в контуре контроля и управления канала электростимуляции, повысить экологичность процедуры, ее эффективность и снизить трудоемкость ее проведения.
Разработанная автоматическая система контроля за целостностью канала электростимуляции позволяет исключить возможность шокового воздействия тока электростимуляции на объект воздействия, повысить комфортность проведения процедуры электростимуляции, повысить качество выполняемых аппаратом функций и его конкурентоспособность.
Разработанные функциональные построения схемотехники аппарата на основе аналого-цифровых методов формирования и преобразования сигналов позволяют существенно сократить временные и материальные затраты при проектировании, производстве и эксплуатации аппаратов, снизить массо-* габаритные показатели аппарата, повысить его потребительские свойства и конкурентоспособность.
Достоверность полученных результатов подтверждена совпадением расчетных и экспериментальных результатов, а так же данными заводских и ведомственных испытаний.
Реализация результатов: Результаты диссертационной работы внедрены:
В учебном процессе Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева при подготовке специалистов по специальности «Проектирование и технологии электронных средств».
В методиках и лечебной практике Научно- исследовательского центра Татарстана «Восстановительная травматология».
В конструкторской документации аппаратов « ЯРИЛО-синхро» АЭЛ-ТУ-02 и «СВЕТИЛО» АЭЛТУ-04 серийно выпускаемых в ОАО «Завод ЭЛЕКОН» г. Казани.
Апробация работы: Материалы работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях Комиссии по присуждению премии Республики Татарстан в области науки и техники (2002г.)» на заседании Ученого Совета Казанской Государственной медицинской академии последт-ломного образования (26.06.2002), а также на заседаниях Научно-технических Советов ОАО «Завод «ЭЛЕКОН». За достигнутые результаты Указом Президента Республики Татарстан (26.11.2002) автору было присвоено звание «Лауреат Государственной премии Республики Татарстан в области науки и техники».
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 Патента РФ.
Структура диссертации: Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 173 страницы, 51 рисунок, 36 таблиц. Список литературы включает 9 Наименование.
Анализ современного состояния электролазерной стимуляции репродуктивной функции аппаратными средствами
Сегодняшнюю ситуацию с популяцией населения России, невозможно назвать иначе как катастрофической. Наиболее тревожный сигнал - резкий спад демографического развития. С 1992 года впервые после войны произошло скачкообразное увеличение числа умерших. Превышение числа умерших над числом родившихся приводит к депопуляции, к 1996 году оно составило 821 тыс. человек. Это означает, что число умерших в России превышает число родившихся в 1,6 раза. Если имеющиеся сейчас тенденции будут развиваться и дальше, то по некоторым оценкам, к 2050 году численность населения России уменьшится вдвое, В существующих социально-экономических условиях состояние репродуктивного здоровья населения страны остается одной из наиболее острых медико-социальных проблем, являясь фактором национальной безопасности (1). С этих позиций следует рассматривать и актуальность устранения причин, препятствующих репродукции населения России и в частности нарушений половой системы мужчин.
Одной из таких патологий репродуктивной функции является простатит (от лат. prostata - предстательная железа, -itis - воспаление) - воспаление предстательной железы, одного из органов половой системы мужчин (2). Как в научных, так и в популярных изданиях последних лет, посвященных проблеме хронического простатита, отмечается высокая частота его проявления. Практически каждый третий мужчина, а по некоторым данным почти половина мужчин в возрасте 20-50 лет страдают хроническим простатитом (3-6). Широкому распространению простатита способствуют неблагоприятные социальные сдвиги в обществе, снижение морально-этических устоев и другие факторы, в том числе экологические, возникшие в последнее десятилетие (7).
Предстательная железа или простата (рис. 1.3) имеет форму каштана, располагается в малом тазу мужчины книзу от мочевого пузыря, кзади от костей лона, кпереди от прямой кишки и охватывает с четырех сторон начальные отделы мочеиспускательного канала. К задней поверхности простаты подлежат семенные пузырьки. Простата, являясь железой, производит собственный секрет, который по выводным протокам попадает в просвет мочеиспускательного канала.
Основные функции простаты заключаются: -в продукции части семенной жидкости (около 30% объема эякулята); -в участии в механизме выброса спермы во время полового акта; -в участии в механизмах удержания мочи. Существуют различные взгляды на этиологию и патогенез простатита. Ряд авторов (8, 9) полагает, что наиболее часто он развивается при инфицировании микроорганизмами из уретры каналикулярным путем, реже гематогенно или лимфогенно. Патогенез уретрогенных простатитов первоначально определяется инфекционным воспалительным процессом, который затем приводит к анатомическим изменениям в протоках и ткани железы, нарушению оттока секрета, его застою в тубуло-альвеолярных дольках и распаду. Кроме того развиваются выраженные нарушения микроциркуляции и нейро-трофические расстройства. (10). Из-за особенности анатомического строения предстательной железы, как правило, даже массивная и продолжительная ан-тибиотикотерапия является недостаточной как для клинического излечения, так и для санации от инфекции. Поэтому с противовоспалительной и анти-конгестивной целями, а также для эвакуации содержимого тубуло-альвеолярных долек активно используются методы физиотерапии: ультра звук (11), прямая трансуретральная электростимуляция (12, 13), интерференционные токи (14), КВЧ-терапия (15), лазерное излучение( 16-19), магнитоте-рапия (20), электролазерная терапия (9, 21), внутриуретральный электрофорез ионов серебра (22) различные методики гипертермии предстательной ж-лезы (23). Однако, лишь применение комплексной терапии, воздействующей на разные факторы патогенеза, может обеспечить относительно благоприятные результаты (24). К анатомическим особенностям предстательной железы, предрасполагающим к применению физиотерапевтических методов лечения следует отнести: 1. Особенности анатомического строения предстательной железы в виде криптообразности слизистой выводных протоков железок, что приводит к затруднению оттока ее секрета. 2. Врожденное отсутствие жомов, мышц, охватывающих и зажимающих отверстия выводных протоков, долек предстательной железы, открывающихся на задней стенке задней части уретры. 3. Недостаточность артериального кровоснабжения предстательной железы, что не обеспечивает полную доставку антибактериальных и антиви русных препаратов к больному органу (7). Эффективность электрофизиотерапевтических методов лечения подтверждает длительная практика их применения. Электричество применялось человеком с лечебной целью еще в глубокой древности. Люди, жившие на берегах Средиземного моря, знали, например, что прикосновение к телу человека некоторых разновидностей рыб - скатов, угрей, сомов - вызывает подергивание мышц, ощущение онемения и успокоение болей. По сообщениям Плиния, Скрибония и Диоскорида разряды электрических рыб использовались для лечения больных, страдавших головными болями, параличами, подагрой и другими болезнями суставов (25), таким образом можно утверждать, что основы электротерапии были положены уже в это время.
Однако дальнейшее развитие электротерапии стало возможным после серьезного изучения электрических явлений, которое оживилось с начала XVIII века, и создания искусственных источников электричества.
Первым искусственным источником электричества стала изобретенная немецким ученым Ottovon Guerike простейшая, основанная на трении, машина для получения статического, электричества. С помощью ее в 1730 г. английский экспериментатор S.Gray впервые наэлектризовал мальчика и сделал заключение о том, что тело человека является проводником электричества. В сороковых годах XVIII века A.Gordon, работавший в Эрфурте, экспериментируя на животных, а затем и на себе, констатировал ускорение пульса, наступавшее при воздействии электричества. В 1744г. немецкий ученый C.G.Rratzenstein, работавший в Галле, применил статическое электричество при контрактуре пальца и получил положительный результат. Он рекомендовал применять электризацию как раздражающее средство при явлениях слабости и болезнях нервной системы. Тем самым было положено начало осознанному применению электричества с лечебной целью.
Автоматическое управление током электростимуляции с помощью биологической обратной связи
Лазерная терапия является частью «лазерной медицины», которая представляет сегодня обширную область лазерных технологий применяемых в медицине для лечения самых различных заболеваний.
В современной медицинской науке и практике в настоящее время нет другой такой отрасли, которая развивалась бы столь успешно и стремительно, как лазерная медицина. За 33 года, прошедших с момента создания первого оптического квантового генератора, лазеры превратились в эффективный рабочий инструмент врачей практически всех специальностей. Уникальные свойства лазерного излучения и достижения физической науки, создающие новые типы лазеров с заданными оптимальными характеристиками, позволили врачам получить с одной стороны "идеальный скальпель", а с другой - эффективное средство физиотерапевтического воздействия. Лазерная хирургия и лазерная терапия патологических процессов организма человека уже сегодня становятся методом выбора в лечении большинства нозологии. Об этом свидетельствуют многочисленные работы, раскрывающие возможности использования лазеров, их преимущества перед традиционными методами лечения; разработаны показания, противопоказания, способы доставки излучения к патологическому очагу, оптимальные режимы лазерного воздействия; приведены экспериментально-клинические результаты (29).
Историю применения лазеров в медицинских целях условно можно разделить на три этапа: первым из них был период разработки, эксперимш-тальной и клинической апробации низкоэнергетических или терапевтических лазеров (в медицинской технике к излучению низкой интенсивности принято относить излучение, вызывающее повышение температуры облучаемого участка тела человека не более чем на 1С) (30).
Второй период - создания высокоэнергетических лазерных установок -позднее первого на 10-15 лет - и характеризуется концентрацией внимания исследователей и хирургов на возможности применения лазеров как скальпеля или деструктора.
Третий период практически еще только зарождается и связан с открытием и синтезом фотосенсибилизаторов, активация которых в тканях с проявлением их специфического действия возможна с помощью света и, в частности, лазерного луча (31).
Низкоинтенсивная лазерная терапия (ЛТ) - это методика фотомедицины с применением светового излучения низкоинтенсивных лазерных аппаратов. В ЛТ применяются световое излучение в красном и инфракрасном спектральном диапазоне. Источниками лазерного света на сегодня в основном выступают гелий-неоновые и полупроводниковые лазеры, причем удельный вес последних, в общем объеме производимой и применяемой низкоинтенсивной лазерной аппаратуры, неуклонно возрастает. Некоторые исследователи отмечают перспективность применения лазерного излучения ультрафиолетовой, синей и зеленой областей спектра (32).
Как это ни парадоксально, но основы современной лазерной (микрометрового диапазона) медицины были заложены задолго до появления теории квантовой механики и лазерной техники.
До изобретения электричества применялся солнечный свет, пропущенный через различные фильтры. Наиболее действенной считалась красная область света. При помощи красного света лечили оспенную лихорадку, рожистое воспаление, трофические нарушения еще в начале прошлого столетия (33).
В 1889 году датский врач-исследователь Нильс Финзен (1860-1904) изобрел аппарат, разработал принципы и методику фототерапии. Аппарат Финзена представлял собой устройство с ярким источником света - дуговой лампой, системой линз для фокусировки луча и рубиновым фильтром для фильтрации света. Таким образом, излучаемый спектр находился в пределах 0.64-0.68 нм с предполагаемой мощностью излучения около 5 -10 мВт. Работы Финзена получили признание ученого мира того времени, и в 1903 году он был удостоен Нобелевской премии в области Медицины.
В дальнейшем появление работ американских радиобиологов в области фотореактивации (34), объясняющих эффект фототерапии, а, главное, изобретение лазеров - идеальных источников чистого света, удобных в эксплуатации явилось предпосылкой к продолжению работ в области фототерапии в ее новом качестве - лазеротерапии (35).
Первый лазерный генератор на кристалле искусственного рубина был создан в 1960 году Maiman Т., и применен в медицине для лечения сетчатки глаза в 1962 г. В том же году в СССР и в США создается новый тип лазеров -полупроводниковый (29). С 1964 года впервые в Казахском университете под руководством проф. В.М. Илюшина начаты исследования биологической активности излучения низкоэнергетических лазеров в красном диапазоне. Вскоре появились первые сообщения успешного практического применения излучения гелий-неонового лазера (ИГНЛ) для лечения заболеваний слизистой рта (36), болезней позвоночника и суставов (37) и заболеваний нервной системы у детей (38). Установлено, что наибольший биологический эффект оказывает лазерное излучение красной области видимого спектра, а наиболее подходящими источниками света для стимуляции биологических процессов являются гелий-неоновые лазеры (39).
Начиная с середины 70-х годов, лазерная терапия значительно расширяет область своего применения. Монохроматический красный свет гелий-неоновых лазеров с успехом используют в лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата воспалительного и дегенеративно-дистрофического характера, переломов костей с замедленной консолидацией (40-43). Лазерная терапия также широко используется для лечения ран и язв (44), дерматологических заболеваний (45), ишемической болезни сердца (46), болезней культей конечностей (47) и многих других патологических состояний. С целью координации фундаментальных исследований и методических разработок в Мэ-скве создан институт лазерной медицины во главе с академиком O.K. Ско-белкиным. Ежегодно проводятся международные симпозиумы по лазерной медицине, основными направлениями которой являются лазерная терапия, лазерная хирургия и фотодинамическая терапия. Число ежегодных публикаций по этой проблеме превышает 1000 (35).
Генератор частоты следования импульсов электростимуляции
Основой аппарата является газовый гелий-неоновый лазер 42 типа ГН -ЮМ и канал электростимуляции размещенный на платах 51 (формирователь пачек электростимулирующих импульсов с датчиком обрыва в цепи нагрузки) и 52 ( генератор частоты следования пачек электростимуляции). Третий канал воздействия с помощью инфракрасного полупроводникового импульсного лазера 62 типа ИЛПИ-101 играет вспомогательную роль при некоторых особенностях лечебных процедур. Время проведения лечебной процедуры задается таймером, размещенным на плате 56. Все необходимые для работы аппарата тактовые частоты формируются на плате хронизатора 4, где размещен кварцевый генератор 2 и многоразрядный делитель частоты 3. Основой работы функциональной схемы являются цифровые и дискретные методы формирования сигналов. В канале электростимуляции импульсные сигналы вырабатываемые генератором 17 подаются для индикации частоты на цифровой частотомер, выполненный на функциональных элементах 27,28,39,45 и через делитель частоты 18 на формирователь пачек электростимулирующих импульсов 51, где с помощью функциональных элементов 7,13,14 формируется две последовательности импульсов длительностью по 8 мс, состоящих из импульсов длительностью 1 ООмкс с частотой следования 2,5 кГц. Импульсы в последовательностях сдвинуты относительно друг друга на 180 . Сформированные последовательности подаются на ключевые транзисторы 24 симметрично включенные в первичную обмотку выходного трансфорш-тора 36, на средний вывод которой подается питающее напряжение с регулируемого усилителя постоянного тока 37. Во вторичную цепь выходного трансформатора включены трансформатор тока 43 для обеспечения работы датчика обрыва 44 и выпрямитель 49 для индикации среднего тока электростимуляции амперметром 50. Рассматриваемый аппарат обладает рядом существенных недостатков, прежде всего, это формирование «паразитных» высоковольтных выбросов за счет самоиндукции выходного трансформатора на фронтах импульсов электростимуляции при закрывании ключевых транзисторов, что приводит к болезненным ощущениям пациента. Во-вторых это пороговая схема датчика обрыва в цепи нагрузки, которая требует первоначальной ручной установки нулевого напряжения на выходе регулируемого питающего усилителя 37 и соответствующей индикации этого состояния с помощью функциональных элементов 25 (датчик нулевого напряжения) и 26 (индикатор нулевого напряжения), а также ручной установки исходного состояния схемы датчика обрыва нажатием кнопки 58. Кроме того, алгоритм работы схемы датчика обрыва таков, что из исходного состояния не возможно выявить обрыв, если не был первоначально преодолен в датчике пороговый уровень тока электростимуляции. То есть датчик обрыва фиксирует нарушение контакта, только возникающего в процессе процедуры. Но это может привести к ситуации, когда обрыв не выявлен до начала процедуры, а лечащим врачом, в связи с отсутствием контакта и, естественно, с отсутствием индикации тока электростимуляции, выставлен чрезмерный уровень напряжения электростимуляции и, если при этом будет восстановлена целостность цепи канала электростимуляции, то пациент будет подвергнут шоковому удару электрического напряжения. В-третьих, функциональное решение индикации частоты с помощью электронного частотомера, выполненного на стандартных микросхемах малой степени интеграции серий К176 и К561 потребовало большого их количества и соответствующего усложнения конструкции аппарата. И, наконец в-четвертых, рассматриваемое функциональное решение канала электростимуляции не предусматривает автоматического управления частотой следование пачек импульсов электростимуляции, задаваемых в рекомендации по проведению лечебной процедуры (7).
Функциональное решение таймера также имеет ряд недостатков. Прежде всего, это отсутствие автоматической установки стандартного времени лечебной процедуры — 12 минут, что требует от лечащего врача установки данного значения при начале каждой лечебной процедуры. При этом сама установка усложнена совмещением функций переключения разряда установки и устанавливаемого значения набираемого числа в одной кнопке управления, что приводит к выполнению ошибочной операции и вынужденным повторным установкам. Также как и частотомер канала электростимуляции, индикация времени таймера выполнена на микросхемах малой степени интеграции серий К176 и К561 с соответствующими проблемами.
К несоответствию современного уровня техники следует отнести также применение в аппарате газового гелий-неонового лазера, который во многом определяет массогабаритные, энергопотребляющиие, надежностные и стоимостные характеристики аппарата в целом.
Несмотря на ряд существенных недостатков, оптимальный для стандартной лечебной процедуры набор функций и относительно невысокая, по сравнению с другими аппаратами этого ряда цена делает этот аппарат востребованным на рынке медицинской техники.
Дальнейшим развитием аппаратов для электролазерной терапии простаты является аппарат ЯРИЛО-СИНХРО, функциональная схема которого приведена на рис.3.2.
Особенностью функционального построения данного аппарата является введение четвертого канала воздействия - мощного инфракрасного полупроводникового лазерного модуля непрерывного действия 10 типа ОММ-0,82-420 с выходной мощностью на световоде 3 равной 120 мВт, замена громоздкого гелий-неонового лазера на малогабаритный полупроводниковый лазерный модуль красного спектра излучения типа ОМ-СП-0,67, применение биомодуляции (синхронизации величин факторов воздействия с пульсом га-циента), реализация которой осуществлена с помощью функциональных элементов 8 ,14,17,23, размещенных в пальцевой клипсе и плате датчика пульса 31, формирующих импульсы биомодуляции и исполнительных элементов 24,34, размещенных на платах драйверов 32 и электростимуляции 33. В данном аппарате применено разработанное автором работы принципиагь-но иное оригинальное функциональное построение канала электростимуляции, исключающее отмеченные в аппарате ЯРИЛО недостатки. Подробный анализ работы данной схемы приводится ниже. Функции управления в апга-рате ЯРИЛО-СИНХРО осуществляются с помощью контроллерной платы 44, основой которой является отечественный микроконтроллер типа К1806ВМ1.
К функциональным недостаткам данного аппарата следует отнести отсутствие аналогового, ручного, управления частотой следования пачек элек-тростимулирующих импульсов и наличие только одной программы для автоматического управления частотой, что ограничивает универсальность аппарата.
Производственные и технологические показатели
При нажатии кнопки «ПУСК» запускается перестраиваемый генератор 1 на установленной частоте из диапазона (0,5-50) Гц. С выхода генератора сигнал подается на формирователь 3, формирующий короткие импульсы по переднему фронту входного сигнала, которые сбрасывают счетчик 4 в нулевое состояние и одновременно разрешают ему счет импульсов с выхода тактового генератора 2, генерирующего частоту 10 кГц. Счет счетчиком 4 прекращается при поступлении на его вход 80 импульсов. В течение всего времени счета, что составляет 8 мс, открыты управляемые счетчиком логические ключи 5, 6, что обеспечивает поступление импульсов с генератора 2 на счетный вход позиционного счетчика 8 и сброс его в нулевое состояние после каждого 4-го импульса счета
Импульсы с выхода позиционного счетчика, разнесенные во времени на 100 мкс поступают на управляющие электроды ключевых транзисторов 11, 13, которые коммутируют симметричную первичную обмотку выходного трансформатора Т. В средний отвод первичной обмотки трансформатора го-дается напряжение питания ключей от усилителя постоянного напряжения 7, регулируемого резистором R. При работе ключей 11,13 на выходе вторичной обмотки формируются разнополярные импульсы длительностью 100 мкс, разнесенные во времени на 100 мкс, сформированные в пачки длительностью 8 мс и следующие с частотой генератора 1. Возбужденный во вторичной обмотке ток выделяется трансформатором тока 14, выделенный им сигнал подается на усилитель 9, затем на детектор 10 и пороговое устройство 12. Перед началом лечебной процедуры нажимается кнопка «Сброс», устанавливающая D-тригтер 16 в исходное состояние, который изменяет свое состояние при первом превышении тока электростимуляции порогового значения. При уменьшении в дальнейшем, во время лечебной процедуры тока во вторичной обмотке трансформатора ниже порогового значения на выходе устройства 12 формируется сигнал, запрещающий работу генератора 1 и включающий индикатор наличия обрыва в цепи «электроды-пациент».
Приведенная схема обладает двумя существенными недостатками. 1. После закрытия транзисторов 11, 13 за счет самоиндукции трансформатора Т в его вторичной обмотке возбуждаются высоковольтные импульсы, создающие болезненные ощущения у пациента. 2. В существующей схеме невозможно выявление обрыва в канале электростимуляции до начала лечебной процедуры без первоначального превышения порогового тока, а это может привести к ситуации, при которой, в случае обрыва в цепи нагрузки до начала лечебной процедуры, будет возможным выставление значительного выходного значение напряжения электростимуляции и при неожиданном восстановлении контакта в цепи «элж-троды - пациент» произойдет шоковый удар пациента электрическим током. Для устранения указанных недостатков предлагается: 1. Возбуждать первичную обмотку выходного трансформатора линейным усилителем, охваченным отрицательной обратной связью и имеющим малое выходное сопротивление, что обеспечит демпфирование выбросов щ-пряжения самоиндукции выходного трансформатора на фронтах выходных импульсов. 2. Обеспечить возможность определения отсутствия контакта в цепи канала электростимуляции до начала лечебной процедуры с помощью небольшого по напряжению тестового сигнала, для чего разработать схему датчика разрыва, работающего в широком диапазоне подводимых к нагрузке напряжений и реагирующего только на величину сопротивления нагрузки. На основании предложенных ранее решений может быть скомпонована функциональная схема приведенная на рис. 3.24. В предлагаемой схеме, также как и в тактовом генераторе частоты следования пачек лечебных импульсов, применена аналого-цифровая микросхема, которая позволяет не только сформировать биполярные импульсы нужной формы, но и организовать синхронный детектор для схемы обнаружения обрыва в цепи нагрузки канала электростимуляции. При поступлении переднего фронта импульса с генератора частот (0,5-50) Гц на вход сброса двоичного счетчика DD2, его выходы обнуляются, снимается запрет счета сигналом на его входе Е и он переходит в режим счета импульсов частотой 10 кГц, поступающих с тактового генератора DD1.2 на его счетный вход С. Счет идет до появления уровней логических единиц в разрядах «16» и «64» счетчика DD2. Это произойдет после поступления на счетный вход 80-го импульса частотой 10 кГц, после чего на выходе логического элемента И-НЕ (DD1.3) и входе Е устанавливается логический «0», который запрещает счет счетчика и он вновь переходит в режим ожидания прихода следующего переднего фронта от генератора (0,5-50) Гц. Вся процедура счета занимает время равное 8 мс. Двоичное число, снимаемое с первых разрядов DD2, подается на адресные входы аналогового мультиплексора DA6, обеспечивая последовательное переключение его входов XI-Х4 и Y1-Y4 соответственно на выходы X и Y.
На входах Х2 и Х4 присутствуют равные, но противоположные по знаку постоянные напряжения, сформированные соответственно усилителем DA2.1 и аналоговым инвертором DA2.3, уровень на выходах которых может регулироваться резистором «Ток». Коммутация входов XI-Х4 приводит к формированию на выходе X разнополярных импульсов длительностью 100 мкс с паузой между импульсами также равной 100 мкс.
Сформированный сигнал поступает на линейный усилитель DA7, охваченный глубокой отрицательной обратной связью благодаря чему он обладает малым выходным сопротивлением (62) и, находясь в активном состоянии во всех фазах выходного сигнала, усилитель демпфирует выбросы напряжения самоиндукции трансформатора Т2, возникающие на фронтах трансформируемых во вторичную обмотку импульсов.
Создание разнополярных постоянных уровней за счет применения оге-рационных усилителей DA2.1 и DA2.3 позволяет организовать гальванические связи между генератором импульсов и выходным усилителем, что исключает переходные процессы при передаче сигналов, в спектре которых присутствуют частоты до 0,5 Гц.
