автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Компактные светотехнические устройства для физиотерапии

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Роль физических факторов в медицине

1.1 Воздействие'светом

1.2 Воздействие лазерным излучением

ГЛАВА 2 Механизмы взаимодействия света с биообъектами

2.1 Взаимодействие света с биообъектом

2.2 Перспективы повышения эффективности светотерапии

ГЛАВА 3 Медико-биологическое обоснование выбора источника излучения:

3.1 Медико-биологическое обоснование использования светодиодных излучателей в физиотерапии

ГЛАВА 4 Техническое обоснование выбора источника излучения

4.1 Анализ производимой компактной и миниатюрной медицинской аппаратуры для светотерапии

4.2 Светодиоды

4.3 Этапы проведения работ по изучению характеристик сверярких светодиодов

ГЛАВА 5 Принципы построения светотехнического микромодуля для светотерапии:

5.1 Информационно-энергетическая структура компактных светотехнических устройств для светотерапии

5.2 Принципы построения микромодулей с РШИМ- преобразованием

5.3 Шум квантования и нелинейные искажения сигнала в РШИМ-преобразователе

5.4 Выбор элементной базы для практической реализации светотехнического микромодуля

Человек не представляет жизни без света как естественного, так и искусственного. Энергетическая основа биологической жизни - солнечное излучение.

В локальных условиях промышленности, сельского хозяйства, медицины и других областях человек успешно заменяет солнечное излучение искусственным светом. Для этого понадобились многолетние труды ученых многих специальностей - физиков, оптиков, электротехников, электронщиков и других. На стыке этих наук и родилась современная светотехника.

Одной из актуальных проблем современной медицины является использование светового излучения при лечении различных заболеваний, что и позволило создать совершенно- новое направление в медицине - светотера-пию. В этой связи правомерно говорить о светотерапии как о новом методе неинвазивного и инвазивного лечебного воздействия на организм, основанного на использовании светового биотического фактора.

Во всем мире растет интерес к лечению самых различных заболеваний естественными и формируемыми физическими факторами, т.к. применение их с лечебными и профилактическими целями не только достаточно эффективно, но и выгодно экономически.

Россия одной из первых в мире стала применять лазеры в медицине. В настоящее время трудно указать медицинскую специальность, где лазерная терапия или хирургия не получила бы своего развития. В различных областях медицины (урология, онкология, гинекология, ожоговая и гнойная, абдоминальная1 и пластическая хирургия, неврология, стоматология и ряд других) лазеры применяются с диагностической, профилактической и лечебной целями как в клинике, так и в амбулаториях.

В частности можно отметить такие важные результаты последних лет:

1 Абдономмнальная- хирургия органов брюшной полости

1) разработка новых способов операций с применением лазеров в абдоминальной, внутриполостной, гнойной и кожно-пластической хирургии;

2) развитие фундаментальных исследований по взаимодействию лазерного излучения с биотканью, экспериментальное и практическое применение фотодинамической терапии и хирургии злокачественных опухолей.

С переходом системы здравоохранения России на страховую форму медицинского обеспечения населения, вопрос о научной обоснованности методов лечения и санкции на их использование со стороны МИНЗДРАВА РОССИИ приобретает все большую актуальность.

Широкое применение лазеров в современной медицине объясняется специфическими свойствами лазерного излучения - когерентность, монохроматичность, малая расходимость пучка, высокая яркость.

Революцией в медицине можно считать появление миниатюрных полупроводниковых лазеров и суперярких светодиодов, позволивших снизить габариты и вес медицинской техники при сравнительно высоком КПД. Но дальнейшая миниатюризация техники влечет за собой существенные изменения в принципах ее построения.

Анализ выпускаемой в настоящее время аппаратов для светотерапии позволил выявить следующие особенности современного состояния этой проблемы:

1) развитие лазерных физиотерапевтических методов лечения и создание лазерной аппаратуры продолжает идти в основном в направлении поиска оптимальных частот и биосинхронизации параметров излучения с целью увеличения эффективности и снижение нагрузки на пациента;

2) все больше признание завоевывают изделия на основе легких и компактных полупроводниковых лазеров; в классе компактных переносных и настольных приборов изменения в основном затрагивают многообразие режимов, стремление сочетать несколько каналов с лазерами разных длин волн;

3) появление на рынке терапевтической аппаратуры устройств с чисто светодиодными источниками излучения;

4) видна существенная тенденция к миниатюризация физиотерапевтических устройств;

5) отсутствуют миниатюрные автономные индивидуальные устройства, которые могут применяться для лечения не только в стационарных условиях, но и на дому, полевых и экстремальных условиях, что очень актуально для значительных групп населения.

Дальнейшее развитие светотерапии возможно за счет светотехнических компактных терапевтическими устройств, что свидетельствует об актуальности темы настоящей работы.

Применение светового воздействия в медицине основывается на взаимодействии световой энергии с'биотканями. При этом выделяются три вида фотобиологических эффектов:

1) невозмущающее воздействие светового пучка с биотканью, в этом случае биоткань не изменяет своих свойств, имеет место рассеяние или отражение - этот эффект применяется для создания диагностических приборов;

2) фотодеструктивный эффект, когда при взаимодействии светового пучка с биотканью происходит ее разрушение - этот эффект применяется для создания хирургических приборов;

3) фотохимический (биостимулирующий) эффект, когда при взаимодействии светового пучка с биотканью в ней возбуждаются атомы и молекулы, которые вызывают фотохимические реакции; в свою очередь, фотохимические реакции лежат в основе применения светового излучения как физиотерапевтического средства воздействия светотехнических устройств.

К группе биостимулирующих лазеров относятся лазеры малой и средней мощности (1-500 мВт), которые называются низкоинтенсивными.

Низкоинтенсивное лазерное излучение в настоящее время широко применяется для эффективного терапевтического лечения практически во всех областях медицины.

В ряде случаев, когда возможно уменьшить стоимость аппарата без снижения терапевтического эффекта, вместо лазерной терапии применяют светотерапию, на основе светодиодов и других дешевых источников света.

Большинство светотерапевтических аппаратов создано для лечения биотканей большой протяженности. Эти аппараты невозможно эффективно использовать для локально ограниченных заболеваний в отоларингологии, стоматологии, проктологии, гинекологии и гастроэнтерологии.

Проведенный сравнительный анализ показывает, что для решения подобных задач необходимо размещение светотехнических устройств непосредственно в патологической зоне. Это возможно только в том случае, если устройство будет сконструировано в виде компактной капсулы. Несмотря на имеющие теоретические работы, посвященные созданию компактных светотехнических устройств для физиотерапии, многие аспекты этой проблемы остаются нерешенными и серийно эти устройства не выпускаются.

В этой связи работа по созданию серийных конкурентоспособных компактных светотехнических устройств для физиотерапии является актуальной.

В последнее время из-за неограниченного применения антибиотиков стали наблюдаться появления ряда микроорганизмов устойчивых к широкому спектру антибиотиков. По результатам проведенных исследований в настоящей работе показано, что имеется возможность создания комбинированных методов лечения с применением новых миниатюрных устройств, которые позволят добиться эффективного лечения ранее трудноизлечимых заболеваний и возможность применения процедур на дому и полевых условиях, что актуально для значительных групп населения.

Цель работы. Основная цель работы - создание компактных светотехнических устройств для физиотерапии, обеспечивающих новые лечебные эффекты при лечении и профилактике локально ограниченных заболеваний.

Задачи исследований. При проведении комплексных экспериментальных и теоретических исследований, а также схемотехнических и конструкторских разработок для достижения поставленной цели автором были решены следующие конкретные задачи:

1) аналитический обзор светотехнической аппаратуры для физиотерапии к началу работы;

2) исследование взаимодействия светотехнических устройств с биообъектом;

3) медико-биологическое обоснование выбора облучателей для компактных светотехнических терапевтических устройств;

4) исследование световых и энергетических характеристик лазеров с светодиодов, пригодных в качестве облучателей для компактных светотера-певтических устройств;

5) теоретический расчет и экспериментальное обоснование энергетических и световых параметров облучателя на основе выбранного суперярко-го светодиода;

6) разработка, создание и внедрение на базе проведенных исследований светотехнических облучательных устройств в виде капсул, обеспечивающих доставку светового пучка непосредственно в патологическую зону без оптического инструмента.

Следует отметить, что создание и оптимизация конструкторских и лечебных параметров компактных светотерапевтических устройств были бы невозможны без проведения достаточно полных исследований взаимодействия физических факторов с организмом, а также исследований применения лазеров и других источников света для физиотерапии.

Методы исследований. Для проведения исследований и решения поставленных задач автором использовались следующие методы:

1) спектрофотометрический метод оценки спектральных характеристик лазеров и светодиодов;

2) калориметрический метод фотометрического исследования мощно-стных и яркостных характеристик светодиодов;

3) моделирование процесса поглощения светового излучения биотканью;

4) метод биофотометрических сфер основанный на измерении поглощения светового излучения определенных длин волн стенками кровеносных сосудов.

Научная новизна работы.

1. Разработаны принципы построения, параметрической и геометрической оптимизации компактных1 облучательных устройств для светотерапии, способных размещаться непосредственно в патологической зоне, исключая применения оптических инструментов.

2. Заложены теоретические основы создания нового поколения устройств для светотерапии, позволяющих перейти от макромедицинских технологий к новым микромедицинским технологиям.

3. Предложено и реализовано автором: а) конструкция компактного светотерацевтического аппарата капсуль-ного типа для локального лечения с помощью потока лучистой энергии, которая состоит в том, что токопроводящие сенсорные электроды для включения и выключения аппарата выполнены в виде тонкостенных деталей с наружной поверхностью тел вращения, механически соединенных между собой с помощью электроизолирующей шайбы и в совокупности являющихся несущими элементами корпуса аппарата; б) новая электрическая схема управления и накачки источника лучистой энергии, которая заключается в применении микрочипа, изготовленного по КМОП-технологии, содержащий четыре логических двухвходовых элемента, выполняющих логическую функцию 2И-НЕ с передаточной характеристикой, имеющий петлю гистерезиса; это позволяет выполнять функции: автоматического включения и выключения аппарата от сенсоров, модуляции входных, как детерминированных, так и случайных, сигналов с помощью разностной широтно-импульсной модуляции (РШИМ), генерации с девиацией частоты и усиления; в) впервые в стране при участии автора созданы капсульные микромодули для светотерапии.

Практическая ценность работы.

1. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные технические решения использованы при создании конструкции компактного светотерапевтического облучательного аппарата в виде капсульного микромодуля.

2. В настоящее время при участии автора подготовлен комплект эскизной конструкторской документации для выпуска светотерапевтических микромодулей капсульного типа на основе суперярких светодиодов в НПО «Элекон» (г. Казань).

3. Результаты работы также используются: а) в ГП НИИ «Полюс» (г. .Москва) при создании светотерапевтических микромодулей капсульного типа на основе лазеров; б) в учебном процессе Московского энергетического института при изучении дисциплины «Оптико-электронные приборы для медицины».

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований световых и энергетических характеристик светотехнических облучателей для создания компактных светотерапевтических устройств.

2. Обоснование принципов построения компактных светотехнических облучательных устройств для физиотерапии, их геометрическая и парамет

10 рическая оптимизация, основанная на результатах проведенных комплексных исследований в области взаимодействия светового излучения с биологическими тканями.

Достоверность результатов и выводов обеспечиваются: а) согласованием теоретических и экспериментальных исследований спектральных, энергетических и световых характеристик лазеров и свето-диодов, предлагаемых в качестве облучателей для компактных светотера-певтических устройств; б) согласованием результатов технических и клинических испытаний опытных образцов компактных светотехнических устройств теоретическими и экспериментальными исследованиями.

Фундаментальность воздействия световых факторов, в том числе и лазерного излучения на организм, а также естественность светового воздействия на организм затрудняют выделение светового излучения в качестве дозируемого лечебного фактора. Механизмы световой фотобиоактивизации организма человека окончательно еще не установлены. Сложность этой проблемы и требует объединения усилий ученых, врачей и инженеров , взаимопроникновения в медицину разных областей науки, что дополнительно подчеркивает актуальность темы диссертации «Компактные светотехнические устройства для физиотерапии».

5) результаты работы используются: а) в ГП НИИ «Полюс» (г. Москва) при создании физиотерапевтических аппаратов капсульного типа на основе лазеров;

6) в учебном процессе Московского энергетического института (ТУ) при изучении дисциплины «Оптико-электронные приборы для медицины».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

1) на базе детального анализа как имеющихся в литературе, так и полученных автором результатов экспериментальных и теоретических исследований воздействия светового- излучения на биологические ткани разработаны принципы построения, геометрической и параметрической оптимизации компактных светотехнических устройств для физиотерапии, предназначенных для новых медицинских микротехнологий, обеспечивающих лечение заболеваний в проктологии, гинекологии, стоматологии," отоларингологии и гастроэнтерологии;

2) автором предложены и аппаратурно реализованы: а) конструкция нового поколения светотехнических физиотерапевтических устройств, выполненных в виде микромодулей капсульного типа, позволяющих локально доставлять световую энергию в патологическую зону без применения оптического инструмента; б) новый метод построения миниатюрных медицинских светотерапев-тических аппаратов, основанный на совмещении несущих конструкций корпуса аппарата с функциями токопроводящих сенсорных электродов; в) новая электрическая схема миниатюрного медицинского аппарата, позволяющая снизить ток потребления от автономного источника питания и обеспечить автоматическое включение излучения при контакте с кожей или слизистой оболочкой человека, а также уменьшить размер аппарата;

3) при разработке электрической схемы автором впервые применен микрочип, изготовленный по КМОП-технологии, содержащий четыре логических двухвходовых элемента, выполняющих логическую функцию 2И-НЕ с передаточной характеристикой, имеющей петлю гистерезиса; это позволяет выполнять функции: автоматического включения и выключения с помо

103 щью сенсоров, модуляции сигналов различной формы с помощью РШИМ-преобразования, генерации с девиацией частоты и усиления;

4) с участием автора, на. базе проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований, разработана и подготовлена конструкторская документация к производству светотерапевтических аппаратов капсульного типа на основе суперярких светодиодов (НПО «Элекон» г.Казань).

1. Журавлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение.-М.: Наука, 1977.-171 с.

2. Илларионов В.Е Медицинские информационно волновые техноло-гии-М.: ВЦМК «Защита»-1998.-45 с.

3. Илларионов В.Е Концептуальные основы физиотерапии в реабили-тологии- М.: ВЦМК «Защита»-1998.-80 с.

4. Тлячкин Л.М., Виноградова Л.М. Физиотерапия.-М.: Медицина,1988.-78 с.

5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.-М.: Высшая школа, 1987.-638 с.

6. Илларионов В.Е. Техника и методики процедур лазерной терапии: Справочник- М., 1994.-123 с.

7. Ohshiro Т. Low level laser therapy: A practical introduction // Chiches-ter-New York, «John Willy and sons», 1988.

8. Козлов В.И., Буйлин В.А., Самойлов Н.Г., Марков Н.И. Основы лазерной физио- и рефлексотерапии,- Самара-Киев: Здоров'е,-1993.-265 с.

9. Толстых П.И., Иванян А.Н., Дербенев В.А., Рябов В.И. и др. Практика эффективного использования лазерного излучения в медицине. М.:НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, 199-5.

10. Каш T.J. Photobiology of low-power laser therape. London, Paris, New York- 1989, Harward Acad. Publishers, 187 p.

11. Haina D., Brunner R., Landthler M. Animal experiments on light- in-duuced wound-healing // Pevelopment of laser. 4-th congress of Intern. Soc. for laser Sungery. Tokyo, 1981,- p. 1-3.

12. Гамалея Н.Ф. и др. К механизму лазерной биостимуляции / Лазерная и магнитолазерная терапия в медицине,- М., 1987.

13. Гамалея Н.Ф. Лазеры в эксперименте и клинике.- М.: Медицина, 1972.-232 с.

14. Десятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.Б., Макеева Н.С. Физико-химические механизмы биологического действия лазерного излучения// Успехи соврем. биол.-1987.-Т.103,3.1.-С. 31-43.

15. Rajaratham S., Bolton-P. Macrophage responsiveness to laser therapy with varying frequences// Laser Therapy.-1994.-Vol.6.-№1.-p.33.

16. Авруцкий М.Я., Фзизов Ю.М., Мусихин Л.В. Влияние внутривенного лазерного облучения на систему перекисного окисления липидов у хирургических больных// Новые достижения лазерной медицины.-Спб., 1993.-С. 10-11.

17. Иванов А.В., Купин В.Н., Еремеев Б.В., Захаров С.Д. Обратимые повреждения плазматических мембран форменных элементов крови начальное звено стимуляции, вызываемой лазерным излучением// Действие НЛИ на кровь.-Киев, 1989.-С. 185-187.

18. Хизбуллин Р.Н. Взаимодействие микробиологических культур с лазерным излучением. // II-ой аспирантско-магистерский научный семинар: Тез. докл.-Казань, 1998.-С.45. .

19. Жаров В.П., Шошенский A.M., Левиев Д.О. и др. Фотомедикаментозная терапия инфекционных процессов // VIII Международная конференция «Лазеры в науке, технике и медицине»: Хез. докл.-М.,1997.-С.32-33.

20. Nakamura S.,Senoh М:, Iwasa N. Et al. Superbright Green InGaN single-quantum-well-structure light-emitting diodes.-J. Appl. Phys., 1995, v.34, p.1332-1333.

21. Nakamura S.,Senoh M., Iwasa N. Et al. High brightness InGaN/AlGaN Double-blue-green light-emitting diodes. J. Appl. Phys., 1994, v.76, p.8189.

22. Nakahama S., Nakamura S.,Senoh M., Iwasa N. Et al. Hight-power InGaN single-quantum-well-structure blue and violet light-emitting diodes.-J. Appl. Phys., 1995, v.67, p. 1868.

23. Многопереходные петероструктуры. /Ж.И.Алферов и др.-ч.И. Внешний квантовый выход излучения.-ФТП, т. 10, 1976, вып.8.-с.1497-1506.

24. Берг А.,Дин П. Светодиоды.-М: Мир, 1979.-112 с.

25. Коган JI.M. Полупроводниковые светоизлучающие диоды.-М.: Энергоатомиздат, 1983.

26. Иванов В.И., Аксенов'А.И., Юшин A.M. Полупроводниковые опто-электронные приборы: справочник-М.: Энергоатомиздат, 1989.-354 с.

27. Semiconductor short form/ catalog-GmbH.: Telefunken microelectronic,1998.

28. Nitride metamorphosis the Boston MRS meeting report.-Publ. In III-Vs review, 1996, v.9, № 1, p.44-49. '

29. Бернд Клот. Люминесценция твердых растворов GaAli.xPx:N, выращенных методом газофазной эпитаксии.-Автореферат диссер. На соискании степени канд. тех.наук.-Л.:ЛЭТИ,1984.

30. Коркоташвили Г.А., Пихтин А.Н. и др. Край собственного поглощения и катодолюминесценция нелигированных эпитаксиальных слоев AlNGa,.xN.-OTTI, 1984, т.10,вып.8, с. 1462-1466.

31. Bradliey D. Electroluminescence: a bright future for conjugated polymers?- Adv. Master., 1992, v.4, №11, p. 143-145.

32. Ларюшин А.И., Хизбуллин Роб.Н., Хизбуллин Рад.Н. Применение сверхярких светодиодов в миниатюрных устройствах для физиотерапии //ч

33. Изв. вузов. Проблемы энергетики.- 1999.- №1.- С.68-72.

34. Ларюшин А.И., Хизбуллин Р.Н. Создание и применение компактных оптико-электронных физиотерапевтических устройств // Проблемы энергетики: Тез. докл. Республ. науч. конф,- Казань, 1998.-С.77.

35. Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике

36. М.: Энергоатомиздат,-1990.-252 с.

37. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). 2-е изд.,перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1983.107

38. Якушенков Ю.Г.Теория и расчет оптико-электронных приборов-М.: Машиностроение, 1989.

39. ГОСТ 25024.4-85. Методы измерения яркости, силы света, неравномерности яркости и неравномерности силы света. -М.: Издательство стандартов, 1985.-27 с.

40. Шеннон К. Работы по теории информации. М: Изд-во иностр. лит.,1966.-132 с.

41. Стил Р. Принципы дельта-модуляции/Пер. с англ. под ред. В.В. Маркова.-М: Связь, 1979.-368 с,

42. Цифровые интегральные микросхемы. Серия КР1554: Каталог.-М.: Государственное Центральное конструкторское бюро «Дейтон», 1998.-45 с

43. Цифровые интегральные микросхемы. Серия KP 1564, 1564: Каталог.-М.: Государственное Центральное конструкторское бюро «Дейтон», 1998.-47 с.

44. Интегральные микросхемы. Коммутаторы и ключи: Каталог- М.: Государственное Центральное конструкторское бюро «Дейтон», 1997.-138 с.

45. Петухов В.М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочникам.: «Радио и связь», 1996.-265 с.

46. Product catalog. SDL.-San Jose, 1996.45. «GP Batteries»: Каталог -M.: Фирма AZ, 1997.-20 с.