Національний технічний університет України
"Київський політехнічний інститут"
Безуглий Михайло Олександрович
УДК 615.849. 19
Метод та система адаптивної лазерної терапії
05.11.17 Біологічні та медичні прилади і системи
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічний наук
Київ – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тимчик Григорій Семенович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри виробництва приладів.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Скрипник Юрій Олексійович, Київський національний університет технології та дизайну, професор кафедри автоматизації і комп’ютерних систем.
доктор технічних наук, професор Колобродов Валентин Георгійович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри оптичних та оптико-електронних приладів.
Захист відбудеться "12" лютого 2008 року о 15: 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002. 19 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп.12, ауд.412.
З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.
Автореферат розісланий "9" січня 2008 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради__________ В.Б. Швайченко
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми дослідження. Сучасний стан розвитку фізіотерапевтичної апаратури за основну ставить задачу, яка полягає у з’ясуванні чинників та особливостей впливу природних і технічних польових структур на біологічний об’єкт. Серед засобів фізіотерапії важливе місце займають апарати лазерної терапії (ЛТ), що застосовуються для лікування захворювань різної етіології. Не зважаючи на досягнення сучасної біології, медицини, техніки, побудова методів і систем, що забезпечують біологічний зворотній зв’язок при проведенні процедури лазерного опромінення, спирається на проблему адекватної оцінки лікувального впливу. Терапевтичний ефект залежний від параметрів лазерного випромінювання (довжина хвилі, інтенсивність випромінювання, площа опроміненої ділянки, тривалість і частота процедур) і тому може змінюватись при різних варіаціях їх значень. Зазначені параметри дози лазерного випромінювання визначаються і встановлюються медичним персоналом перед початком процедури ЛТ і не змінюються впродовж неї. При цьому не враховуються фізіологічні особливості впливу лазерного випромінювання на конкретного пацієнта, його плинний функціональний стан, що ставить нагальну задачу розробки методу, та на його основі створення системи лазерної терапії з біологічним зворотним зв’язком.
З іншого боку зацікавленість у визначенні параметрів та характеристик поверхні біологічної тканини (БТ) досі залишається однією з актуальних задач медичного оптичного приладобудування. Її розв’язання лежить в площині двоступеневого дослідження поверхні БТ на основі теорії переносу випромінювання та спираючись на положення взаємодії біологічного об’єкта (його активних та неактивних зон) на польовому рівні з лазерними засобами впливу. Таким чином, формуючи зворотній зв’язок у вигляді сукупності сигналів, які знімаються з чутників до початку процедури та впродовж неї, створюємо можливість корегувати режими лазерної терапії для досягнення максимального лікувального ефекту.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з науково-дослідними роботами кафедри виробництва приладів приладобудівного факультету Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", а саме ДР №0102U000559 "Створення теоретичних засад функціонування прецизійних чутників реєстрації електромагнітного випромінювання медичних пристроїв", ДР №0103U007400 "Розробка автоматизованої системи моніторингу біотехнічних об’єктів", а також ДР №0105U001169 "Створення теоретичних засад функціонування автоматизованої комплексної лікувально-діагностичної системи".
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності проведення процедур лазерної терапії шляхом розробки методу та системи, котра забезпечить під час процедури ЛТ реєстрацію параметрів випромінювання електромагнітних полів організму, на підставі аналізу яких можна здійснювати корекцію режимів терапії.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
1. Розробити метод здійснення адаптивної лазерної терапії.
2. Дослідити можливість реєстрації параметрів розсіяного назад випромінювання в залежності від оптичних властивостей та геометричних параметрів середовища.
3. Розробити модель поширення оптичного випромінювання в багатошарових біологічних тканинах.
4. На основі проведеного аналізу розробити алгоритм функціонування системи ЛТ та запропонувати аналітичні моделі реєстрації власного електромагнітного випромінювання та випромінювання оптичного діапазону біологічної тканини.
5. Провести дослідження експериментального зразка системи ЛТ.
Об’єкт дослідження – процеси енергетичного перетворення електромагнітного випромінювання оптичного діапазону в біологічній тканині.
Предмет дослідження – система лазерної терапії, що застосовується при акупунктурній терапії серцево-судинних захворювань.
Методи дослідження – при розв’язанні поставлених задач в ході проведених в дисертаційний роботі досліджень використовувались положення теорії переносу випромінювання, оптики світлорозсіювання, математичний апарат статистичної обробки сигналів.
Наукова новизна отриманих результатів.
На основі досліджень електромагнітних характеристик біологічної тканини запропоновано новий метод здійснення лазерної терапії з урахуванням функціонально стану пацієнту в даний проміжок часу.
Удосконалено експоненціальну модель поширення оптичного випромінювання в біологічній тканині, що дозволяє досліджувати оптичні властивостей багатошарових середовищ з сильним розсіюванням.
Вперше запропоновано нові принципи побудови чутників власних електромагнітних полів та оптичного випромінювання при проведенні лазерної терапії.
Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:
Запропоновано схемотехнічні реалізації електромагнітного та оптичного модулів системи лазерної терапії на основі розробленого методу.
Створено електромагнітну волоконно-оптичну систему лазерної терапії "Промінь 11В", яка є підсистемою автоматизованого комплексу моніторингу біотехнічних об’єктів "Промінь 11".
Розроблено алгоритм функціонування системи лазерної терапії "Промінь 11В", реалізація якого дозволяє встановлювати найбільш придані режими ЛТ за результатами аналізу електромагнітних полів пацієнта до і під час лікувальної процедури.
Основні теоретичні та практичні аспекти розробки методу та системи лазерної терапії використовуються в навчальному процесі кафедри виробництва приладів НТУУ “КПІ” при проведені лекційних, практичних та лабораторних занять за курсами "Оптичні та квантові медичні прилади", "Прилади для вимірювання фізіологічних параметрів людини", "Прилади магніторезонансної терапії".
Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертації, що складають сутність роботи і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового та практичного значення, отримані автором самостійно. У роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належить систематизація та створення класифікації засобів моніторингу біотехнічних об’єктів [2, 14], розробка схемотехнічної моделі автоматизованої системи реєстрації та моніторингу біотехнічних об’єктів [1, 8, 9, 11], розробка дозиметра оптичного випромінювання та теоретичних засад його функціонування [7, 13], розробка математичної моделі світлорозсіяння лазерного випромінювання в біологічних тканинах [16], теоретичні та експериментальні дослідження системи спостереження за станом біотехнічних об’єктів в [5, 17], розробка методу комплексної діагностики плинного стану біотехнічних об’єктів [3, 4], розробка алгоритму функціонування модулів системи спостереження [18], розробка функціональної схеми та принципу функціонування системи комплексної діагностики та лікування [6], розробка способу неінвазивного аналізу біологічних тканин [10].
Дисертаційна робота виконана на кафедрі виробництва приладів приладобудівного факультету Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" під керівництвом д. т. н., проф. Тимчика Г.С.
Апробація результатів дисертації. Результаті досліджень були представлені на: V міжнародній молодіжній науково-практичній конференції "Людина та космос" (Дніпропетровськ, 2003), науково-технічній конференції "Приладобудування 2003: підсумки і перспективи" (Київ, 2003), IХ Міжнародній конференції "Інформотерапія: теоретичні аспекти та практичне застосування" (Київ, 2003), V симпозіумі з біоінформатики (Київ, 2003), VI міжнародній молодіжній науково-практичній конференції "Людина та космос" (Дніпропетровськ, 2004), науково-технічній конференції "Приладобудування 2004: підсумки і перспективи" (Київ, 2004), науково-технічних конференції "Приладобудування: підсумки і перспективи" (Київ, 2005, 2006).
Науковий проект на тему "Автоматизована комплексна лікувально-діагностична система" за основними положеннями дисертації отримав першу премію на третьому конкурсі науково-технічних проектів молодих вчених "Інтелектуальний потенціал молодих вчених – місту Києву" (Київ, 2003).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 18 наукових праць, у тому числі 5 статей у фахових наукових виданнях внесених до переліку ВАК України та 5 патентів України.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та 6 додатків. Загальний обсяг дисертації 152 сторінок, з яких основний зміст викладено на 130 сторінках, містить 36 рисунків, 3 таблиці. Список використаних джерел складається з 62 найменувань.
основний зміст роботи
У вступі обґрунтована актуальність проблеми досліджень, вказано зв’язок роботи з науковими програмами. Зазначено мету та задачі досліджень. Наведено характеристику наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, а також їх впровадження та апробації.
У першому розділі зазначена структура та оптичні властивості біологічної тканини, описані механізми взаємодії лазерного випромінювання (ЛВ) з біологічною тканиною. Проаналізовані існуючі моделі поширення оптичного випромінювання в біологічних тканинах. На основі розгляду теоретичних та експериментальних методів розв’язання рівняння переносу випромінювання показана необхідність дослідження оптичних характеристик біологічних тканин для точної дозованої дії ЛВ. Розглянуті сучасні реалізації апаратів лазерної терапії, їх основні технічні характеристики, визначені їх недоліки та сформульований загальний підхід до розробки вдосконалених засобів ЛТ.
Розглянуто основні параметри, які описують оптичні властивості БТ: коефіцієнти поглинання, розсіяння, затухання, середня довжина вільного пробігу, альбедо, фазова функція розсіяння. Показано, що пошук зазначених параметрів лежить в площині розв’язання рівняння переносу випромінювання (РПВ), розв’язок якого можливий двома групами методів: теоретичними (метод усереднення інтенсивності за напрямками; метод послідовних наближень; метод заміни РПВ системою диференціальних рівнянь; асимптотичний метод; методи статистичного моделювання; числові методи) та експериментальними (метод інтегруючої сфери (МІС) способом Тейлора або способом Рвачова-Сахновського; метод дифузного відбиття; метод визначення параметрів Стокса; спектроскопія з високою часовою роздільною здатністю; модуляційний метод; стаціонарний метод із просторовою роздільною здатністю).
Показано, що теоретичні методи є надскладними у розв’язанні та виборі граничних умов. Тому найбільше поширення віднайшли експериментальні методи дослідження основних параметрів, котрі характеризують оптичні властивості БТ, на підставі реєстрації дифузного відбиття БТ з використанням інтегруючих порожнин.
Проаналізовано переважний спектр засобів для ЛТ, які застосовуються, і виділено за головний недолік відсутність біологічного зворотного зв’язку, що не дозволяє відстежувати функціональний стан організмі пацієнта під впливом ЛТ, а відтак здійснювати адаптивний механізм корегування режимами опромінювання.
Оскільки при ЛТ вплив здійснюється на живий об’єкт, то окрім фізико-хімічних проявів світлового випромінювання необхідно враховувати вплив світла на функціонування живої матерії, що визначається ступенем гомеостазу живого об’єкта. Випромінювання малої інтенсивності не запускає адаптаційні механізми біологічної системи, тобто не порушується її гомеостаз. При невеликому збільшенні інтенсивності відбуваються лише збурення локального гомеостазу, і не у кожних дослідженнях вони виявляються. Ріст інтенсивності вмикає загальні адаптаційні і регуляційні механізми живого об’єкта, які цілком відновлюють систему. При подальшому збільшенні інтенсивності відбуваються частково необоротні процеси. Це дозволяє визначити перспективний напрямок досліджень впливу низькоінтенсивного ЛВ на біологічну тканину, а також спостереженні реакції БТ на такий вплив за декількома параметрами.
У другому розділі запропонований метод лазерної терапії, розглянуті аналітичні та математичні моделі чутників власних та стимульованих електромагнітних полів, а також запропонована модель поширення лазерного випромінювання в біологічній тканинні та схема функціонування системи адаптивної ЛТ.
Сутність запропонованого методу полягає у визначенні оптичних характеристик БТ обраної ділянки біологічного об’єкту (БО) з одночасним запам’ятовуванням для подальшого плинного порівняння з наступними значеннями сигналів в реальному масштабі часу. Це дає можливість визначати характер впливу ЛВ на БТ, при цьому можна визначати небажаний стан та запобігти продовженню опромінювання. По-друге, оскільки БО властива наявність біологічно активних точок, що в основному реагують на зміни електричних і магнітних властивостей навколишнього середовища, то меридіани, які з’єднують активні точки, можна розглядати як систему електричних провідників, що прокладені в БТ, існуючої поблизу м’язів, судин, нервів, по яким рухомі електричні заряди (електроліти, молекули) можуть мігрувати від одної області до іншої. Ця система залучена до електромагнітних взаємодій в організмі і до рецепції зовнішніх електромагнітних полів. Тому окремі порушення в функціонуванні системи можна усунути електромагнітною стимуляцією активних зон, специфічних до регуляції цього процесу. Стимуляція БТ супроводжується змінами електричних потенціалів (зміною напруженості електромагнітного поля) вздовж шляхів, що описують як меридіани, причому поширення такої різниці потенціалів між меридіанами потребує більшого часу, ніж зміна фізіологічної активності органа, який має на увазі поширення по шляхам, котрі мають меншу швидкість проведення, ніж поширення збудження по чутливим волокнам.
Отже, метод адаптивної лазерної терапії полягає у виконанні наступної послідовності заходів:
1) вибір ділянки БТ, яку будуть опромінювати. При здійсненні акупунктурної лазерної терапії вибір біологічно активних точок здійснюють у відповідності до атласу біологічно активних точок (БАТ) людини;
2) підготовка обраної поверхні БТ до процедури лазерної терапії, що полягає у звільненні поверхні від волосяного покрову для нівелювання явищ світлорозсіювання на волоссі, та очищенні від вологи, забруднень тощо;
3) визначення значення напруженості електромагнітного поля на ділянці БТ, яку будуть опромінювати;
4) опромінення лазерним пучком БТ; спостереження та аналіз параметрів дифузно розсіяного оптичного випромінювання та/або напруженості електромагнітного поля в БТ;
5) Прийняття рішення про продовження, закінчення або зміну режиму лазерної терапії. Визначення оптичних характеристик БТ та значень напруженості електромагнітного поля в БТ з одночасним запам’ятовуванням для подальшого плинного порівняння з наступними значеннями сигналів в реальному масштабі часу. Це дає можливість відслідковувати режими ЛТ, визначати небажаний стан та запобігти продовженню опромінювання. Таким чином визначають дотримання вірних режимів відповідно до заданої дози опромінювання.
Для з’ясування механізму функціонування системи ЛТ розглянуто аналітичні моделі чутників електромагнітного випромінювання, комплексна дія яких лежить в основі запропонованого методу.
Для визначення параметрів випромінювання БТ використовується чутник на засадах закону електромагнітної індукції, тобто наведеної електрорушійної сили (ЕРС) в обмотці за рахунок змінного магнітного поля, утвореного електричним струмом. Первинний електромагнітний чутник конструктивно являє собою кільцеве або прямокутне замкнуте осереддя з феромагнітного матеріалу з обмоткою з мідного провідника.
Передатна функція чутника має такий вигляд:
(1)
деk - коефіцієнт трансформації чутника;
L - індуктивність обмотки у Гн;
T1, T2 - сталі часу чутника;
S - площа перетину осердя з феромагнітного матеріалу;
r - радіус осердя;
w - кількість витків провідника в обмотці;
Rн - активна частина опору навантаги;
Cн - ємність навантаги;
R0 - активна частина опору обмотки;
мм - магнітна проникність матеріалу осердя.
Проведено аналіз існуючих моделей поширення оптичного випромінювання в біологічній тканині: проста експоненціальна, міграційна та інтегральна. До основного недоліку таких моделей відносять неможливість аналізу оптичних характеристик багатошарових біологічної тканини. Тому запропонована і розроблена експоненціальна модель, котра моделює поширення оптичного випромінювання в біологічній тканині - багатошаровому середовищі, яке містить чотири складові: роговий шар (шар 1), епідерміс (шар 2), дерму (шар 3) та жирову тканину (шар 4). Світло падає на шар 1 біологічної тканини в точці x0 і після декількох розсіювань на поглинаючих частках частина падаючого світла виходить з тканини, як дифузно відбита в точці x1., інша частина на межі шарів 1 та 2 заломлюється і переходить в шар 2. Аналогічна ситуація спостерігається і надалі при поширені випромінювання в чотирьох шарах. Зауважимо, що жирова тканина моделюється як гомогенне напівнескінчене мутне середовище. Лінія описує "класичний шлях" або "най вірогідніший шлях" світла.
Обчислення Rt від багатошарового мутного середовища ведеться при умові, згідно якої падаюче і розсіяне назад світло затухає експоненціально відповідно до суми коефіцієнтів поглинання і розсіяння відповідно, (1
у конкретному шарі.
Рис.2 Фізична картина процесу дифузного відбиття для складної експоненціальної моделі.
Коефіцієнт дифузного відбиття і-го шару розраховується як:
1
1
. (2)
Повний коефіцієнт дифузного відбиття розраховується як:
1
. (3)
У відповідності до рис.2 та (3) та з урахуванням, що 1
та 1
коефіцієнти відбиття і-их шарів визначаються як:
1
,(4)
1
1
,(5)
1
1
,(6)
1
1
1
1
. (7)
Порівняння зазначених моделей з розробленою графічно зображене на: 
Повний коефіцієнт дифузного відбиття, як функція від 1, обчислені для складної експоненціальної (1
), експоненціальної (1
), міграційної (1
) та інтегральної (1
) моделей.
Запропонована наступна схема реалізації методу ЛТ:
Функціонування системи, побудованої на основі наведеної схеми, здійснюється наступним чином: кожному біологічному об’єкту, в тому числі й організму людини, властиві електромагнітні поля, що властиво будь-якому метаболічному процесу, тому для з’ясування стану організму доцільно виявляти зміни його електромагнітних полів за допомогою чутника власних електромагнітних полів. Дані, отримані на початку при реєстрації цих полів, передають в систему цифрової обробки та керування, де порівнюватимуться з наступними вимірами при здійсненні лазерного впливу. Потім здійснюється електромагнітне опромінення ділянок організму мінімальної паспортної тривалості та потужності. Разом з тим здійснюється плинне відстеження оптичних параметрів біологічної тканини. Подальша обробка цих параметрів дає змогу корегувати терапевтичний електромагнітний вплив на БТ з метою виявлення необхідної дози опромінення.
Запропоновано наступну модель побудови системи лазерної терапії:
Наведена система містить чутник власних електромагнітних
8-09-2015, 23:58