Разработка и исследование методов и средств оперативного управления биотропными параметрами в системах комплексной магнитотерапии

Актуальность темы

.

Состояние здоровья человека, его оценка и поддержание необходимого уровня являются важнейшими предметами заботы развитого общества. Поэтому совершенствование известных и создание новых методов и средств лечения различных патологий являются и будут являться актуальными и важными. Одним из перспективных методов лечения является магнитотерапия, широко применяемая в медицинской практике в настоящее время.

Магнитное поле является сложным физическим фактором среды обитания человека, которая характеризуется геомагнитным полем Земли, фоновыми полями биосферы, искусственными стационарными и нестационарными магнитными полями, обусловленными деятельностью человека, а также магнитными полями самого биообъекта.

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].

Теоретическую основу магнитологии заложили А. М. Демецкий, В. Н. Чернов, Ю. А. Холодов и др. Их работы посвящены исследованию действия магнитного поля на организм человека, развитию теории электромагнитотерапии и проблемам ее практического применения [1,2].

Одним из направлений магнитотерапии является использование локального (местного) воздействия поля, ограниченного площадью больного органа, или его проекции на поверхность тела пациента. Для этого разработано и серийно выпускается в России и за ее пределами множество магнитотерапевтических аппаратов с использованием постоянных магнитов: листовые аппликаторы, магнитные ремешки, двухполюсные медицинские магниты, магнитные таблетки и др., а также — с возможностью генерации переменных магнитных полей, имеющих изменяемые биотропные характеристики: «Полюс», «Градиент», «Каскад», «Маг -30» и др. Некоторые из выпускаемых аппаратов позволяют организовывать распределенное воздействие на организм пациента: «Алимп», «Атос», «Полемиг».

Другим, более перспективным и результативным направлением магнитотерапевтического воздействия является общее воздействие на весь организм пациента. Для подобного воздействия производится ряд аппаратов, оказывающих комплексное воздействие непосредственно на весь организм пациента: «Аврора МК -01», «Мультимаг МК — 03», «Магнитотурботрон».

Таким образом, на сегодняшний день низкочастотная магнитотерапия представляет собой интенсивно развивающуюся область медицины, способную решать многие практические задачи по восстановлению и реабилитации организма человека и лечению ряда заболеваний.

Создание магнитотерапевтических методик в настоящее время основано на анализе долговременной динамики состояния пациента на основе классических методов лабораторных исследований состояния его функциональных систем. Достоинство подобных методов заключается в их высокой достоверности, недостаток — малая оперативность получения результата, вследствие чегоневозможность быстрой коррекции методики воздействия в течение сеанса, в связи с чем возможно воздействие на пациента недостаточно эффективной для него методикой. Появились работы, посвященные оперативной диагностике и организации биоадекватной обратной связи [2], но они не дают ответа на вопросы практической реализации данного метода, выбора диагностического параметра или набора параметров пациента для анализа состояния пациента непосредственно в течение сеанса, что не позволяет получить от магнитотерапевтического воздействия максимальной эффективности лечения.

Остаются задачи, требующие дальнейшего изучения. К таким задачам относятся:

— повышение результативности магнитотерапевтического воздействия за счет индивидуального подбора биотропных параметров воздействующей методики к пациенту, основанном на анализе его текущего состояния здоровья;

— обеспечение оперативного контроля состояния систем организма пациента, и их диагностика во время процедуры;

— оперативное изменения биотропных характеристик поля по мере воздействия на пациента, в соответствии с его состоянием, для достижения большего лечебного эффекта.

Возможность оперативной диагностики и осуществления режима варьирования воздействия может дать специальная, помехозащищенная измерительная и диагностическая аппаратура, включаемая в контур биотехнической обратной связи [3].

Поэтому повышение результативности магнитотерапевтического лечения за счет подбора биотропных параметров воздействия на основе анализа обобщенного показателя здоровья пациента в течение лечебного сеанса является перспективным способом решения актуальной научно-технической задачи.

Цель работы.

Целью диссертации является разработка методов и технических средств повышения эффективности системы магнитотерапевтического воздействия на пациента за счет оперативного управления биотропными параметрами во время сеанса магнитотерапии по результатам контроля состояния пациента.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— определить из множества показателей пациента набор достоверных, информативных и чувствительных к действию магнитного поля диагностических характеристик, которые возможно использовать для оценки состояния пациента в течение магнитотерапевтического воздействия и на протяжении всего курса лечения;

— создать аппаратные средства, пригодные для съема выбранных диагностических характеристик пациента в течение магнитотерапевтического сеанса;

— разработать методы обработки выбранной совокупности диагностических характеристик, формирования обобщенного критерия с целью оценки состояния пациента, используемого как показатель качества управления магнитотерапевтическим воздействием;

— провести анализ возможности управления значениями биотропных параметров магнитного поля, варьируемыми в течение магнитотерапевтического сеанса в соответствии с обобщенным критерием;

— разработать аппаратные и программные средства оперативного управления биотропными параметрами воздействующего магнитного поля как для лечебных целей, так и для исследовательских, направленных на получение и формирование оптимизированных методик магнитотерапевтического воздействия.

Научная новизна.

— Впервые предложено и обосновано применение в качестве интегрального критерия управления в системе управления магнитотерапевтическим комплексом показателя активности регуляторных систем (ПАРС) по Баевскому.

— Определен минимизированный набор биотропных параметров магнитного поля, независимо варьируемых в течение лечебного сеанса, сформулированы требования к магнитотерапевтическому аппарату с расширенными возможностями по управлению биотропными параметрами.

— Составлена структурно-алгоритмическая модель магнитотерапевтического аппарата с возможностью оперативного управления биотропными параметрами 6 в течение магнитотерапевтического сеанса по результатам анализа обобщенного критерия состояния здоровья пациента и проведено ее имитационное моделирование.

— Предложены новые способы формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия1 с возможностью оперативного управления сигналами в течение магнитотерапевтического сеанса, оригинальность которых защищена тремя патентами РФ.

— Предложены структуры устройств для магнитотерапевтического воздействия с расширенными возможностями управления биотропными параметрами, оригинальность которых защищена двумя патентами РФ.

Практическая значимость.

Применение предложенных методов управления биотропными параметрами магнитного поля в течение сеанса позволяет повысить результативность магнитотерапевтического воздействия за счет создания лечебных методик с более адекватным воздействием на пациента, с учетом его основного и сопутствующего заболеваний, дает возможность уточнять лечебные конфигурации поля в уже существующих методиках, индивидуализировать воздействие на конкретного больного в соответствии с его состоянием, что повышает терапевтический эффект. Сокращается время лечения пациента, в результате чего уменьшается общее время нетрудоспособности человека, и снижаются расходы на его лечение.

Разработаны новые средства для биотехнической обратной связи, которые внедрены в серийно выпускаемый магнитотерапевтический аппарат «МУЛЬТИМАГ М», что позволило расширить его функциональные возможности. Результаты разработок систем магнитотерапевтических комплексов с оперативным управлением биотропными параметрами внедрены в учебный процесс в ГОУВПО «Рязанская государственная радиотехническая академия». Полученные в диссертационной работе результаты использовались в научных разработках, связанных с созданием магнитотерапевтических комплексов с биотехнической обратной связью в ООО Научно производственная фирма «РРТИ-ИНТЕРКОМ», что позволило оптимизировать структуру комплекса.

Методы исследования.

При решении поставленных задач применялся математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, методы кластерного анализа. Для решения задачи анализа структуры магнитотерапевтического аппарата с оперативным управлением применялось имитационное моделирование на ЭВМ.

Проведена экспериментальная проверка возможности применения ПАРС для # оценки состояния пациента в течение магнитотерапевтического сеанса с использованием магнитотерапевтического аппарата общего воздействия «АВРОРА МК — 01» и аппаратуры для измерения и расчета ПАРС «MY — BODY «.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях:

1. Всероссийской научной конференции «Электромагнитные поля в медицине и биологии» (Рязань, 1995);

2. Межвузовской научно-практической конференции «Здоровье студента как комплексная проблема: медицинские, экологические и социальные аспекты» щ (Тула, 1996);

3. Всероссийской научно-технической конференции «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 1996);

4. Всероссиской межведомственной выставке-семинаре «Учебная техника, технические средства обучения и жизнеобеспечения инвалидов» (Москва, 1997);

5. Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 1998, 1999, 2000, 2001);

6. Научно-технической конференции «Медицинские информационные системыМИС — 2000». (Таганрог 2000);

7. Межрегиональной научно-практической конференции-семинаре «Технологии || физиотерапии XXI века» (Рязань 2001).

Внедрение результатов работы.

Полученные в работе результаты внедрены при разработке аппаратно-программного комплекса «МУЛЬТИМАГ», серийно выпускаемого Касимовским приборным заводом, в учебный процесс в ГОУВПО «Рязанская государственная радиотехническая академия», использовались при разработке магнитотерапевтических комплексов «МУЛЬТИМАГ» в ООО Научно производственная фирма «РРТИ-ИНТЕРКОМ».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, из них 4 — в ^ центральной печати, 2 — в межвузовских сборниках, 1 учебное пособие, 5 патентов РФ на изобретение.

Положения, выносимые на защиту.

Способ использования комплексного показателя состояния пациента в виде ПАРС для организации оперативного управления биотропными параметрами магнитного поля в течение магнитотерапевтической процедуры.

Структуры варьирования лечебно-исследовательского магнитотерапевтического комплекса с биоэффективными методами оперативного управления биотропными параметрами магнитного поля в течение магнитотерапевтического сеанса.

Программно-алгоритмическая модель функционирования магнитотерапевтического комплекса с расширенными возможностями управления биотропными параметрами магнитного поля в течение магнитотерапевтического сеанса по результатам анализа комплексного показателя состояния пациента.

Бесконтактные технические средства для измерения параметров пульса и дыхания, основанные на оптическом локационном методе анализа колебаний грудной клетки пациента.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 69 наименований и 3 приложений. Диссертация содержит 151 страницу, в том числе 5 таблиц и 45 рисунков.

4.3 Выводы.

1. Разработана модель магнитотерапевтического аппарата с возможностью оперативного управления биотропными параметрами в течение магнитотерапевтического сеанса по результатам анализа обобщенного критерия состояния здоровья пациента с учетом постоянной времени реакции пациента.

2. Создан алгоритм работы магнитотерапевтического аппарата с оперативным управлением биотропными параметрами на основе анализа изменения состояния пациента в течение магнитотерапевтического сеанса.

3. На основе разработанной модели МТА и алгоритма его работы создана имитационная модель структуры МТА с оперативным управлением биотропными параметрами в среде SIMULINK. Проведена проверка ее работы, получены графики, отражающее поведение предложенной модели для разных откликов пациента.

4. Разработаны устройства снятия пульса и дыхания, применяемые для организации биотехнической обратной связи в МТА, внедренные в серийное производство на Касимовском приборном заводе в составе КАП-МТ/8 «МУЛЬТИМАГ».

5. На основе материалов изложенных в диссертации разработан контроллер обеспечивающий оперативное управления биотропными параметрами магнитотерапевтического сеанса для КАП-МТ/8 «МУЛЬТИМАГ», освоенного в серийном выпуске на Касимовском приборном заводе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих магнитотерапевтических аппаратов с точки зрения возможностей по оперативному управлению биотропными параметрами магнитного поля, определен набор варьируемых параметров магнитного поля, при оперативном управлении в течение сеанса.

2. Исследованы основные узлы магнитотерапевтического аппарата, влияющие на диапазон регулировок биотропных параметров магнитотерапевтического сеанса и определены требования к ним для достижения расширенных возможностей варьирования этих характеристик в течение сеанса.

3. Составлена обобщенная адекватная модель оперативного управления биотропными параметрами магнитного поля применимая во время магнитотерапевтического сеанса. Разработана модель структуры магнитотерапевтического аппарата с возможностью. оперативного управления биотропными параметрами в течение магнитотерапевтического сеанса по результатам анализа обобщенного критерия состояния здоровья пациента, проведено ее имитационное моделирование, получены графики, отражающее поведение предложенной модели для разных откликов пациента.

4. Проанализированы способы формирования обобщенного критерия, характеризующего общее состояние пациента и применимого для формального описания течения магнитотерапевтической процедуры, на основе чего выбран и обоснован метод, использующий в качестве обобщенной характеристики ПАРС.

5. Получено экспериментальное подтверждение возможности применения ПАРС для определения состояния пациента в течение сеанса воздействия, и выявлена устойчивая связь между воздействием магнитотерапевтической методики и изменением значения ПАРС, определены численные характеристики этой зависимости.

6. Результат работы внедрен в серийно выпускаемые магнитотерапевтические аппараты «Аврора МК-01» и «МУЛЬТИМАГ», что повысило эффективность лечения.