Разработка и исследование методов анализа и синтеза элементов систем управления чрезкожной электростимуляцией

Широкое внедрение вычислительной и микропроцессорной техники, элементов и устройств систем управления, современного специализированного программного продукта в медицинскую практику способствует разработке и внедрению современных медицинских приборов, решению задач, направленных на разработку новых методов лечения с применением медицинских приборов [1−11].

Так как в современном мире количество отрицательно влияющих на здоровье человека факторов становится все больше и больше, то сложный многоуровневый биологический механизм, обеспечивающий самовосстановление структур и энергетических запасов организма человека, не справляется и не успевает обучаться распознанию новых возникающих ситуаций, в которых необходимо его вмешательство. Хотя пополняется и расширяется медикаментозный запас аптек, предназначенный для восстановления организма, но нередко медикаментозные методы оказываются малоэффективными и вредоносными. Кроме того, угнетение лекарствами естественных механизмов в результате решения проблем со здоровьем приводит к развитию новых, порой более серьезных проблем. Все это требует поиска новых методов сочетанного лечения, когда совместно с медикаментозными методами применяются медицинские приборы, реализующие различные виды электролечения.

Многие ученые длительное время работают над задачами активизации работы внутренних систем самовосстановления организма человека, в частности, с применением электронных устройств электростимуляции, предназначенных для терапевтического неинвазивного воздействия на кожный покров человека электрическими импульсами с целью оказания общерегулирующего влияния на физиологические системы организма в широком спектре патологий и достижения анальгетического эффекта [12−21]. В результате многих исследований и практических результатов электростимуляции воздействие электрическими импульсами на кожный покров человека следует рассматривать также и с позиций теории управления, как подачу управляющих воздействий, воспринимаемых объектом управления — организмом человека и формирующим реакции на эти управляющие воздействия.

Для теории управления характерно применение математических моделей не только на стадии проектирования, но и в процессе функционирования систем. Организмом человека следует рассматривать, как сложный нелинейный объект, управление которым с применением методов классической теории управления, относится к сложным и трудно формализуемым задачам, поэтому задача разработки математической модели взаимодействия «прибор электростимуляции — организм человека» является актуальной задачей.

В развитие теории управление внесли существенный вклад многие ученые, в том числе Крассовский A.A., Фельдбаум A.A., Срагович В. Г, Нетушил A.B., Клюев A.C., Андронов А. А, Гайдук А. Р. и др.

Определенные успехи в решении задач разработки приборов для электростимуляции удалось достичь благодаря исследованиям, проведенным в ЗАО «ОКБ «Ритм» г. Таганрога. В ОКБ «Ритм» были созданы и производятся аппараты серии СКЭНАР, которые взаимодействуя с кожным покровом организма, формируют сигнал электростимуляции, в ответ на который происходит активизация механизмов самовосстановления организма человека. Этот вид лечения имеет уже более чем 25-летнюю историю практического применения, его клиническая эффективность, безопасность и возможность сочетания с другими методами лечения подтверждены многими наблюдениями и исследованиями [22−26].

Хорошая совместимость с другими лечебными средствами делает электрофизическую терапию широко распространенным видом лечения. Кроме того, физиотерапевтические методы широко и с высокой эффективностью комбинируют (сочетают) друг с другом. Возможность применения электрофизических факторов в виде общих или местных процедур, в непрерывном или импульсном режиме, в виде наружных и внутренних воздействий позволяет уменьшить адаптацию организма к проводимому лечению, способствует его индивидуализации.

Существующие представления о действии рефлекторных методов лечения [27] не позволяют в полной мере объяснить высокую эффективность именно СКЭНАР-терапии по сравнению с другими внешне схожими физиотерапевтическими методами электролечения [28]. Поэтому создание эффективных диагностических средств исследования, элементов и устройств для проведения СКЭНАР-терапии представляет значительный научно-практический интерес.

Актуальными являются исследования, связанные с поиском новых моделей, которые достаточно адекватно бы описывали адаптационный механизм электростимуляции, а также исследования в области проектирования более совершенных приборов для электростимуляции с применением современных достижений вычислительной, микропроцессорной техники и систем управления.

Известно, что математическое и имитационное моделирование рассматривается, как средство системного анализа при решении сложных трудноформализуемых задач. Достоинство методов системного анализа [29−38] состоит в их эволюционном характере, возможности разработки новых методов для формализованного описания механизмов электростимуляции, разработки адекватных моделей, описывающих процессы, вызванные стимулирующими воздействиями, и получения практических решений сложных задач синтеза приборов для электростимуляции.

В области системного анализа и системотехники работали и работают многие ученые: Л. Берталанфи, С. А. Валуев, Е. С. Венцель, В. Н. Волкова,.

Е.Г. Голыитейн, Э. Квейд, М. Месарович, B.C. Михалевич, H.H. Моисеев, С. Оптнер, Ф. И. Перегудов, Л. Г. Раскин, В. Н. Садовский, И. Такахара, А. И. Уемов, A. Taxa Хемди, А. Холл, Д. В. Юдин, С. Янг и многие другие.

Актуальность направленности диссертационных исследований обосновывается также тем, что в настоящее время отечественная медицина переживает сложный период своего развития, большинство граждан России вынуждены проходить лечение вне поликлиник и больниц. Существует необходимость эффективного развития областей, связанных с восстановленем здоровья без стационара, в частности с применением приборов электролечения.

С целью повышения скорости и качества лечения, необходима такая разработка приборов, в которых будет предусмотрена автоматизация, позволяющая обеспечивать эффективный результат лечения. Данная задача относится к классу сложных и трудноформализуемых задач, решение которых связано с применением как формальных, так и эвристических подходов к разработке моделей, адекватно описывающих биологические процессы живых организмов.

Поэтому эффективность применения аппаратов электростимуляции во многом определяется развитием методов и специализированных средств диагностической поддержки, которые бы давали объективную информацию о состоянии пациента, способствующую успешному решению задачи локализации зон воздействия, правильной постановке и достижению целей лечения [39, 40].

Значительный вклад в развитие электролечения внесли такие известные ученые как С. А. Бруштейн, А. Е. Щербак, Е. А. Нильсен, Э. Д. Тыкочинская, A.B. Рахманов, H.H. Богданов, B.C. Улащик, Г. Е. Григоря, Л. Д. Кисловский, и Др.

Анализ имеющегося теоретического и практического материала в области разработки моделей управления электростимулярующими воздействиями, методов проектирования приборов для электростимуляции, элементов систем управления и специализированного программного продукта для обеспечения этих приборов позволил выявить аспекты теоретических изысканий для задач формализации процессов электростимуляции, разработки новых элементов систем управления для приборов.

Диссертация посвящена разработке методов моделирования и исследования систем управления для чрезкожной электростимуляции, измерений импеданса кожного покрова организма человека, методов проектирования микроконтроллерных систем управления параметрами электростимулирующих импульсов, отличающихся адаптацией к изменениям в биологических объектах, что позволяет повысить эффективность процессов электролечения. Это определяет и подтверждает актуальность исследований диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка методов моделирования и исследования систем управления для электростимуляторов.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

— разработка концепции системного исследования устройств и систем управления в приборах электролечения;

— анализ наблюдаемости в системах управления электростимуляцией с применением частотных и электроемкостных методов исследования биотканей;

— разработка модели выходного контура электростимулятора с включенной нагрузкой в виде эквивалентных схем замещения кожного импеданса;

— разработка метода параметрической идентификации моделей замещения биологических объектов во временной области, на основе анализа электрических моделей замещения кожного импеданса;

— разработка модели источников биологической обратной связи и алгоритмов функционирования устройств идентификации параметров биологических объектов;

— разработка метода проектирования и на основе этого метода системы управления процессом электростимуляции с учетом сигналов биологической обратной связи.

Объектами исследования являются методы анализа и синтеза элементов и устройств систем управления воздействием стимулирующих импульсов на биоткани организма человека.

Математическими методами исследования являются методы системного анализа, методы функционального анализа, теория электрических цепей, методы биомедицинских применений источников электрического тока.

Методологическую основу работы составляет концепция системности, суть которой — представление и исследование процессов электростимуляции организма человека электрическими импульсами в системном аспекте. Объекты рассматриваются одновременно, как одно целое (система) и функционирующие, как самостоятельные объекты, но в тесном информационном взаимодействии друг с другом и внешней средой. В экспериментальных исследованиях применялось моделирование на ЭВМ.

Поставленная цель диссертационной работы и сформулированные в соответствии с целью задачи позволили получить новые научные результаты в области разработки моделей и методов разработки устройств систем управления параметрами электростимулирующих импульсов.

Новыми научными результатами диссертационной работы, выносимыми на защиту, являются:

— метод проектирования систем управления с обратной связью по биологическим параметрам, отличающийся ее декомпозицией на разработку устройства определения параметров существующих моделей кожного покрова человека, контроля и определения параметров стимулирующих импульсов;

— метод формализации процесса электростимуляции, отличающийся анализом функционирования системы управления электростимуляцией и позволяющий учесть адаптационные свойства организма человека к воздействию на него последовательности импульсов электрического тока;

— метод определения параметров электрических сигналов злектростимуляции кожного покрова человека, позволяющий выбрать рациональный режим воздействия последовательности импульсов на пациента и отличающийся простотой аппаратных решений.

Практическая ценность результатов исследований состоит в применении полученных результатов для создания специальных приборов для электростимуляции, которые могут быть также применены в программно-аппаратных системах медицинских учреждений.

Диссертационная работа состоит из четырех разделов,' заключения и приложений.

Результаты работы внедрены:

— в ЗАО ОКБ «РИТМ» г. Таганрога;

— в госбюджетной НИР 12 154 «Разработка и исследование методов аналитического синтеза интеллектуальных систем принятия решений и многокритериального управления в условиях неопределенности на основе современных информационных технологий»;

— в учебном процессе на кафедре систем автоматического управления Таганрогского технологического института Южного федерального университета.

Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии», (Таганрог, 2005), III Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление», (Таганрог, 2005), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», (Москва, 2007), Международной научной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» (ПРС-2007), XX Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биомедсистемы-2007», (Рязань, 2007), Международной научной конференции «Проектирование новой реальности», (Таганрог, 2007), IX Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», (Таганрог, 2008), Всероссийской научной конференции «Современные исследовательские и образовательные технологии» (СИОТ-Ю), (Таганрог, 2010).

По теме диссертации опубликованы: семь статей и пять тезисов докладов на научных конференциях разного уровня.

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично.

Диссертация содержит 178 страницы машинописного текста, включая введение, четыре раздела, заключение, четыре приложения на 15 страницах, список литературы из 121 наименований, 56 рисунков, 5 таблиц.

Результаты работы внедрены при выполнении в Таганрогском технологическом институте Южного федерального университета НИР «Разработка и исследование методов аналитического синтеза интеллектуальных систем принятия решений и многокритериального управления в условиях неопределенности на основе современных информационных технологий», в ЗАО ОКБ «РИТМ» г. Таганрога, в Филиале № 3 МУЗ «Городская поликлиника № 1», а также в учебном процессе на кафедре систем автоматического управления Таганрогского Технологического Института Южного Федерального Университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В современном мире развитие различных технических средств сопровождается качественным улучшением медицинского оборудования, появляется возможность разработки новых методов лечения и диагностики, для которых необходима разработка соответствующего инструментария. Электролечение является наиболее доступным и распространенным среди физиологических методов лечения. В связи с этим особую актуальность имеют задачи, решенные в диссертации и связанные с разработкой методов моделирования и исследования систем управления для электростимуляторов.

Разработка математической модели взаимодействия «прибор электростимуляции — организм человека» связана с решением задач моделирования, проектирования электронных устройств, разработкой методов обработки и интерпретации данных. Задачи относятся к классу трудноформализуемых задач, решение которых связанно с применением моделей, адекватно описывающих внутренние процессы биологических объектов, адаптационные процессы живых тканей и процессы нейрорегуляции, а также с проектированием специальных программно-аппаратных средств.

Тема диссертации актуальна, так как посвящена разработке методов моделирования и исследования систем управления для чрезкожной электро-нейро-стимуляциии, изменений импеданса кожного покрова организма человека, методов проектированию микроконтроллерных систем управления параметрами электростимулирующих импульсов, отличающихся адаптацией к изменениям в биологических объектах, что позволяет повысить эффективность процессов электролечения.

Проведенный в работе анализ существующих методов построения моделей частотным и электроемкостным методами выявил ряд недостатков, основным среди которых является получение лишь приближенных моделей, не учитывающих изменения, вызванные в процессе измерения параметров объекта. Вследствие чего эти методы построения моделей не могут в полной мере дать представление о протекающих внутренних процессах и реакции биообъекта. Предложенный и исследованный в диссертации метод идентификации модели во временной области отличается от существующих возможностью получить полноценную, несложную параметрическую модель объекта за минимальное время проведения измерений, не вызывая значимых изменений в состоянии биообъекта.

При работе над диссертацией выполнено моделирование процесса взаимодействия «прибор электростимуляции — организм человека», демонстрирующие характер поведения стимулирующего сигнала при изменении параметров модели. Полученные оценки были подтверждены результатами измерений стимулирующего сигнала при взаимодействии прибора с электрической моделью замещения, имеющей параметры аналогичные параметрам, выбранными для моделирования.

Получены новые научные результаты:

— метод формализации процесса электростимуляции, отличающийся рассмотрением его, как процесса функционирования сложной системы управления биологическим объектом с обратной связью, что позволяет учесть адаптационные свойства живых тканей к воздействию на них электрического тока, а так же отследить изменения внутренних биологических систем объекта;

— метод параметрической идентификации электрических моделей замещения биологических объектов во временной области, отличающийся от других методов низкой степенью воздействия на исследуемый биообъект, простотой аппаратных решений и несложным математическим аппаратом, что предусматривает возможность его реализации на простых интерфейсных микроконтроллерах;

— метод проектирования систем управления с биологической обратной связью, отличающийся декомпозицией задачи проектирования на задачи разработки устройства определения параметров электрических моделей замещения биологических объектов, устройства контроля параметров стимулирующего импульса, устройства вычисления параметров стимулирующего импульса, причем разработка устройств определена моделями функционирования системы управления электростимуляцией, а устройства интегрируются в существующие приборы электролечения.

Для получения новых научных результатов в диссертационной работе решены следующие задачи:

— разработана концепция системного исследования устройств и систем управления в приборах электролечения;

— выполнен анализ наблюдаемости в системах управления электростимуляцией с применением частотных и злектроемкостных методов исследования биотканей;

— разработана модель выходного контура электростимулятора с включенной нагрузкой в виде эквивалентных схем замещения кожного импеданса;

— разработан метод параметрической идентификации моделей замещения биологических объектов во временной области, на основе анализа электрических моделей замещения кожного импеданса;

— разработаны модели источников биологической обратной связи и алгоритмы функционирования устройств параметрической идентификации биологических объектов;

— разработан метод проектирования и на основе этого метода системы управления процессом электростимуляции с учетом сигналов биологической обратной связи.