автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Метод и лечебно-диагностическая система на основе НЧ магнитного поля малой амплитуды

Список условных обозначений.

Введение.

1. Низкочастотные магнитные поля малой амплитуды в магнитобиологии и магнитной терапии.

1.1. Неспецифический характер воздействия НЧ МП МА.

1.2. Амплитуда НЧ МП и локализация.

1.3. Пространственная однородность НЧ МП МА и направление вектора магнитной индукции.

1.4. Частота НЧ МП МА.

1.4.1. Биологические активные окна.

1.4.2. Геомагнитное поле и экзогенные биоритмы человека.

1.4.3. Биоритмологическое управление с помощью МП.

1.5. Теоретическое рассмотрение фактора ГМП в биологии.

1.6. Возможные механизмы рецепции НЧ МП МА биологическими объектами.

1.6.1 .Чувствительность модельных физико-химических систем к НЧ МП МА.

1.6.2. Наиболее значимые гипотезы.

1.7. Оптимизация параметров НЧ МП МА в магнитной терапии.

2. Метод тренирующей стресс-терапии с использованием низкочастотного магнитного поля малой амплитуды.

2.1. Математическая модель тренирующей стресс-терапии.

2.2. Расчет оптимальных параметров НЧ МП МА.

2.3. Кардиореспираторная диагностика адаптивного состояния организма человека.

3. Лечебно-диагностическая система.

3.1. Структурная схема.

3.2. Магнитный индуктор.

3.2.1. Получение пространственно-однородного МП.

3.2.2. Применение парных петель Гельмгольца в магнитобиологических исследованиях с использованием мнимого воздействия.

3.3. Пилотный образец.

3.3.1. Магнитотерапевтическая часть.

3.3.2. Диагностическая часть.

4. Наладочные испытания.

В настоящее время в условиях одновременного ухудшения экологии и росте стрессовых нагрузок, порождаемого техническим прогрессом, традиционная медицина не в состоянии обеспечить монотонное снижение заболеваемости и увеличение продолжительности жизни населения до нормы, прогнозируемой для здорового человека.

Современная система здравоохранения развитых стран включает в себя, в основном, лекарственные препараты, хирургию, радиационную терапию и тренирующие физические нагрузки. Одним из главных резервов повышения лечебной эффективности медицинского обслуживания населения следует считать низкочастотное магнитное поле (НЧ МП). Наряду с температурой окружающей среды, оптическим излучением Солнца, газовым составом атмосферы и ее давлением, НЧ МП Земли является одним из важных компонентов экологической обстановки, определяющих оптимальные условия функционирования живых организмов.

Лечебное воздействие МП с большей или меньшей эффективностью используется при лечении широкого спектра патологий, включая сердечнососудистые заболевания и онкологию. В общепринятых рамках практического применения магнитной терапии (МТ) метод относится к числу неинвазивных, обладающих анальгетическими свойствами. Применение МТ улучшает динамику кровеносной системы, характеризуется выраженными иммунокорректирующими и антистрессорными свойствами. Следует особо подчеркнуть, что в многочисленных исследованиях отрицательные побочные явления от применения МТ не обнаружены. Лечение с воздействием НЧ МП хорошо сочетается со средствами традиционной медицины.

Вместе с тем, отсутствие единых правил подбора биотропных параметров МП (амплитуды, спектра, длительности и локализации воздействия, коэффициентов пространственной однородности) привело к неконтролируемому промышленному выпуску только на территории СНГ более 40 типов лицензированных магнитотерапевтических аппаратов (МТА) с необоснованно широким разбросом амплитуд рабочей индукции НЧ МП от 10 до 100 мТл в диапазоне частот (10 . 1000)Гц, с локальным и общим воздействием на тело пациента, с длительностью воздействия от 5 минут до 5 часов. Кроме того, отсутствие единого подхода к конструированию МТА привело к тому, что практически во всех существующих аппаратах магнитной терапии был нарушен международный критерий безопасности для здоровья Biim < 0.1 мТл, рекомендуемый международными правилами комитета International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP). При этом проблема оптимизации параметров НЧ МП в разработках МТА до настоящего времени практически не затрагивалась.

В конечном итоге, наблюдаемый необоснованно широкий разброс рабочих характеристик МТА связан с отсутствием общепринятого унифицированного метода контроля эффективности лечебного процесса в магнитной терапии.

Таким образом, при несомненной перспективности метода магнитной терапии нерешенным остается целый ряд вопросов, от которых напрямую зависит его эффективность. Как следствие, до настоящего времени это существенно тормозит широкое внедрение МТА в практику восстановительных процедур в области кардиологии, онкологии, гериатрии и др.

Целью данной работы является разработка метода и лечебно-диагностической системы для магнитной терапии с использованием оптимальных характеристик магнитного поля с учетом возраста и динамики состояния пациента в течение курса лечения.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

- разработка метода количественного определения оптимальных характеристик МП в соответствии с фундаментальными законами биофизики сенсорных систем и описанными в литературе экспериментальными данными.

- разработка метода количественной оценки эффективности терапевтических процедур с использованием МП;

- конструирование и изготовление пилотного образца лечебно-диагностической системы магнитной терапии;

- проведение наладочных испытаний для предварительной оценки терапевтической эффективности системы и сопоставления полученных результатов с расчетными.

Объектом исследования является система эффективной магнитной терапии.

Предметом исследования является методическое, инструментальное и программно-алгоритмическое обеспечения лечебно-диагностической системы на основе НЧ магнитного поля малой амплитуды (НЧ МП МА).

Методы исследования. Исследование базируется на методах магнитобиологии, на физиологии сенсорных систем, методологии моделирования биофизических процессов, технологии магнитометрии, технологиях программирования и компьютерного моделирования, методах кардиологической диагностики, методах оптимального анализа.

Научная новизна.

1. Впервые предложены метод тренирующей терапии с использованием НЧ МП МА и соответствующая математическая модель, позволяющая проводить количественный расчет оптимальных параметров МП с учетом возраста и начального состояния пациента.

2. Определен ряд отсутствовавших в современной магнитобиологии критериев эффективного воздействия МП на организм человека.

3. На основе эффекта дыхательной аритмии кардиологии разработан метод количественной оценки эффективности терапевтических процедур с использованием МП;

4. Разработаны и созданы не имеющие аналогов магнитобиологические системы общего воздействия на организм человека пространственно однородным НЧ МП МА.

Практическую ценность работы составляют:

1. Формулировка количественных критериев подбора параметров эффективного терапевтического воздействия переменным МП на организм человека с учетом возраста и исходного состояния пациента.

2. Сконструированная полномасштабная лечебно-диагностическая система тренирующей стресс-терапии на основе НЧ МП МА.

3. Полученные результаты предварительных испытаний лечебно-диагностической системы.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Методика количественного определения оптимальных характеристик НЧ МП в магнитотерапии должна учитывать: ряд фундаментальных положений биофизики сенсорных систем и магнитобиологии: законы Вебера-Фехнера и Иеркса-Додсона, описывающие отклик биосистемы на внешний физический фактор; неспецифичность воздействия НЧ МП МА на организм человека, описываемая в рамках теории стресс-терапии Селье; наличие ряда биологически активных окон (БАО) в НЧ части частотного спектра магнитного поля, соответствующих частотам ультрадианных биоритмов здорового молодого человека в спокойном состоянии и определяющих зоны эффективного воздействия. Система тренирующей стресс-терапии на основе НЧ МП МА должна обеспечивать применение всего набора оптимальных характеристик НЧ МП в течение курса магнитной терапии.

2. Для определения неспецифического отклика организма на воздействие переменного МП эффективным является метод расчета параметров на основе явления дыхательной аритмии кардиографии (КРГ). Наиболее корректной является методика, основанная на предварительной фильтрации пятиминутного сигнала КРГ с целью выделения из него частотного диапазона дыхательной аритмии с последующим расчетом величины стандартного отклонения длительностей кардиоинтервалов от их среднего значения.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 2 международных, 1 Всероссийской и 6 региональных научно-практических конференциях и семинарах, проводимых научно-техническими обществами, научно-исследовательскими и высшими учебными заведениями.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 2 приложений и списка литературы, включающего 105 наименований. Основная часть работы изложена на 100 страницах машинописного текста. Работа содержит 22 рисунка и 1 таблицу.

Заключение.

Сформулируем основные результаты, полученные в настоящей работе.

1. Предложены метод тренирующей стресс-терапии с использованием НИ МП малой амплитуды и соответствующая математическая модель, позволяющая проводить количественный расчет оптимальных параметров МП с учетом возраста и начального состояния пациента. Метод учитывает ряд фундаментальных положений биофизики сенсорных систем и магнитобиологии: законы Вебера-Фехнера и Йеркса-Додсона, описывающие неспецифический отклик биосистемы на внешний физический фактор; а также наличие ряда биологически активных окон (БАО) в НЧ части частотного спектра магнитного поля, определяющих зоны эффективного биологического воздействия.

2. На основе явления дыхательной аритмии сердечного ритма разработан метод количественной оценки эффективности процедур тренирующей стресс-терапии НЧ МП. Метод основан на предварительной фильтрации сигнала КРГ с целью выделения из него диапазона дыхательной аритмии с последующим расчетом величины стандартного отклонения длительностей кардиоинтервалов от их среднего значения.

3. Предложена структура биотехнической системы тренирующей стресс-терапии на основе НЧ магнитного поля малой амплитуды, включающая в себя непосредственно терапевтическую часть на основе магнитного индуктора, а также диагностическую часть на основе оптического датчика пульса.

4. Описаны методы создания достаточно простых конструкций магнитных индукторов, обеспечивающих заданную однородность магнитного поля в требуемой области пространства: петли Гельмгольца различной формы, оригинальная система с «токовым листом». Спроектирована также достаточно универсальная установка, которая позволяет проводить магнитобиологические исследования с различными типами полей: пространственно однородным полем; полем с градиентами в различных направлениях; вращающимся полем с эллиптической или круговой поляризацией. Осуществлена принципиальная возможность мнимого воздействия на биологический объект.

5. Создан пилотный образец лечебно-диагностической системы. Блок управления создан на основе стандартного проигрывателя компакт дисков; магнитный индуктор создан на основе двух взаимно перпендикулярных прямоугольных рамок Гельмгольца, обеспечивающих вращение вектора индукции и пространственную однородность МП в рабочей зоне. Разработан полный пакет программного обеспечения для контроля дыхательной аритмии в диагностической части системы и для управления (по результатам диагностики) параметрами магнитотерапевтического сигнала: частотным составом, амплитудой, параметрами вращения вектора индукции, длительностью сеанса.

6. Проведены наладочные испытания с целью предварительной оценки работоспособности метода и системы и с целью сопоставления опытных результатов модельным представлениям. Полученные результаты показали терапевтическую эффективность системы. Установлено удовлетворительное соответствие с развитыми в диссертации модельными представлениями.

1. Bavin S.M., Kazmarek K.L., Adey W.R. Effect of modulated VHF fields on the central nervous system. Ann. N.Y. Acad. Sci., 1975.

2. Becker R. 0., Marino A.A. Electromagnetism and life. Albany: State Univ. N.Y. press, 1982.

3. Busse F.H. Recent developments in the dynamo theory of planetary magnetism, Ann. Rev. Earth Planel. Sci., 11, 1983.

4. Chiabrera A, Bianco В., Caratozzolo F., Gianetti G., Grattarola M., Viviani R. Electric & magnetic field effects on ligand binding to the cell membrane, in Interactions between electromagnetic fields and cells eds. Plenum, London, 1985.

5. Chernosky E.J, Fougere P.F., Hutchinson R.O. The geomagnetic field. In: USAF Handbook of Geophysics and Space Environments (S. L. Valley, ed.). Air Force Cambridge Research Laboratories, Office of Aerospace Research, USAF, 1965.

6. Campbell W. H. Geomagnetic pulsations. In: Physics of Geomagnetic Phenomena, Vol. 2 (S. Matsushita and W. H. Campbell, eds.), Academic Press, New York, 1967.

7. Fechner G.T. Elemente der Psychophysik. Leipzig: Breitkopf und Hartel, 1860.

8. Kirschvink J.L., Gould J.L. Biogenic magnetite as a basis for magnetic field detection in animals. BioSystems, 13, 1981.

9. Kirschvink J. L. The horisontal magnetic dance of the honeybee is compatible with a single-domain ferromagnetic magnetoreceptor // Biosystems. -1981. -V.14, N2.

10. Liboff A.R., Rozek R.J., Sherman M.L., McLeod B.R., Smith S.D. Ca2+-45 cyclotron resonance in human lymphocytes. J. Bioelectricity, 1987, 8, N1.

11. Liboff A.R. Geomagnetic cyclotron resonance in living cells. J. Biol. Phys., 1985, 13.

12. Liboff A.R. Cyclotron resonance in membrane transport, in Interactions between electromagnetic fields and cells. eds. Plenum, London, 1985.

13. Liboff A.R. A.E., McLeod B.H.: Kinetics of channelized membrane ions in magnetic fields. Bioelectromagnetics, 1988, 2.

14. McLeod B.R., Smith S.D., Liboff A.R. Calcium & potassium cyclotron resonance curves and harmonics in diatoms (A.Coffeaeformis). J. Bioelectricity, 1987, 6.

15. McLeod B.H., Liboff A.R. Dynamic characteristics of membrane ions in multifield configurations of low-frequency electromagnetic radiation. -Bioelectromagnetics, 1986, 7.

16. Montgomery B. Solenoid magnetic design. The magnetic and mechanical aspects of resistive and superconducting systems. N.Y.: John Wiley & Sons, 1969.

17. Pelka R.B., Jaenicke C., Gruenwald J. Impulse magnetic-field therapy for insomnia: a double-blind, placebo-controlled study. Adv. Ther., 2001, Jul-Aug, 18.

18. Journal of Bioelectricity, 1991, № 10: 141-184.

19. Smith S.D., McLeod B.R., Liboff A.R., Cooksey K.E. Calcium cyclotronresonance & diatom mobility. Bioelectromagnetics, 1987, 8.

20. Sampson W.B. Superconducting Magnets for Beam Handling & Accelerators.

21. Proc. 2nd Intern. Conf. On Magnet Technology. Oxford, 1967.

22. Takebe H., Shiga, Kato, Masada. Biological and Healf Effects from Exposure to

23. Powerline Frecuency Electromagnetic Fields Confirmation of Absence of any

24. Effects at Enviromental Fields Strengths. Amsterdam: IOS Press, 2001.

25. Weintraub M.I., G.I. Wolfe, R.A. Barohn, S.P. Cole, G.I. Parry, G. Hayat, J.A.

26. Cohen, J.C. Page, M.B. Bromberg, S.L. Schwartz. Static magnetic field therapyfor symptomatic diabetic neuropathy: a randomized, double-blind, placebocontrolled trial. Arch. Phys. Med. Rehabil., 2003, May, 84(5):736-46.

27. Yerkes R., Dodson J. The relation of strength of stimulus to rapidity of habitformation. //J.Comp. Neurol. Psychol., 1908, #18, p.459-482.

28. Zmuda A.J. (ed.). World Magnetic Survey 1957-1969, International Associationof Geomagnetism and Aeronomy, Bulletin No. 28,1971.

29. Баевский В.Р., Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М. Наука, 1984. Божокин С.В. Математическое описание сердечного ритма. СПб, Политехнический университет, 2005

30. Введенский Н.Е. Полное собрание сочинений в 6т., т.4 Возбуждение, торможение и наркоз. Л.: Изд-во ЛГУ, 1953.3637,38