автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронные приборы, методы и информационное обеспечение контроля реакций биообъекта на лазерное воздействие

На правах рукописи

Новиков Владимир Анатольевич

Оптико-электронные приборы, методы и информационное обеспечение контроля реакций биообъекта на лазерное воздействие

Специальность 05.11.07— Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Специальность 05.11.17 — Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

4850319

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ларюшин Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Козлов Владимир Константинович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Защита состоится « 30 » июня 2011 г в 15— часов на заседании диссертационного совета Д409.003.01 при ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, 3.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 117342, г. Москва, ул. Введенского, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха.

Объявление о защите и автореферат размещены на сайте: http.V/www.polyus. info

Автореферат разослан «¿7 » мая 2011 г.

кандидат технических наук Житкова Маргарита Борисовна

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м.н., с.н.с.

Кротов Ю.А.

Общая характеристика работы

Актуальность. Создание эффективных оптических и опгико-электронных приборов и систем является одной из важнейших задач современной науки и техники. Среди таких систем важное место занимают лазерные приборы и системы медицинского назначения и, в первую очередь, системы лазерной терапии. Однако проблема лазерной терапии — регистрация функции «воздействие — ответная реакция органа» приобретает особую актуальность. Определение набора параметров ответных реакций организма на лазерное воздействие является основой для решения задач контроля и корректировки параметров воздействия (Картелишев A.B., Малиновский Е.А., 2006, РФ):

1) определение функциональной зависимости между параметрами воздействия и параметрами ответной реакции;

2) использование этой функциональной зависимости для управления самим воздействием. Терапевтические процедуры всегда тесно связаны с понятием количества воздействия на биообъект и индивидуальным контролем достаточности воспринятого количества воздействия организмом. Например, при проведении электро-лазерной стимуляции предстательной железы можно использовать температуру, по которой можно регулировать параметры воздействия (мощность, величину тока, длительность импульса, частоту и время). Аналогично можно применить фотоплетизмограф в качестве регистратора динамики кровенаполнения (Мошкевич B.C., 1970, РФ). При лазерной терапии воздействие направлено на конкретный орган - «мишень». Однако орган является частью организма, и изменение его состояния отражается на изменении всего организма. Регистрируя изменения, можно оценить эффективность терапии и регулировать ее параметры (Змиевской Г.Н.,. Галкин М.А., 2008, РФ).

Актуальность диссертации состоит:

1) в исследовании закономерной связи оптимальных параметров лазерного воздействия с фотоплетизмограммой - ФПГ (Johansson A., Zurbuchen J.M., 2000, США);

2) в выявлении закономерности температурного изменения органов в лазеротерапии. Если с помощью прецизионного электронного термометра по заданной температуре органа можно оптимизировать параметры лазерного воздействия, то с помощью фотоплетизмографа возможно выделить набор терапевтических параметров для количественной оценки ответной реакции организма. На момент начала работы над диссертацией имелись публикации по применению в качестве регистратора одноканального пальцевого светодиодного (X. - 940 нм) фотоплетизмографа (Картелишев A.B. 2007, РФ). Применение фотодатчика сХ = 940 нм ± 20 нм неизбежно приведет к «физиологической помехе» и погрешности регистрации ФПГ выше 30% за счет разных спектральных характеристик на этой длине волны основных информативных составляющих кровотока — окси- и дезооксигемопгабина. Для снижения погрешности регистрации фотопле-тизмограммы до 5% необходим новый лазерный (>.= 805 ± 0,75 нм, Р - 0,1 мВт) двухка-нальный фотоплетизмограф класса точности 2,5. Данная длина волны излучения является «изобестической точкой» для окси- и дезооксигемоглобина, в которой спектральные характеристики этих двух веществ совпадают (Webster J.G, 1997, США). Публикаций по использованию прецизионного медицинского термометра с диапазоном +5°... 50°С, чувствительностью < 500 Ом/°С, погрешностью ±0,1°С в качестве биотермокор-

ректора не было. Следовательно, возникает актуальная необходимость разработать новые оптико-электронные приборы, методы и информационное обеспечение контроля параметров реакций органов на основе термометрии и фотоплетизмографии и использования их для корректировки параметров лазеров в процессе лечения. Цель работы — разработка, создание и внедрение новых оптико-электронных приборов, методов и информационного обеспечения контроля реакций биообъекта на низкоинтенсивное лазерное воздействие для корректировки его терапевтических параметров в процессе лечения и предупреждения отрицательных реакций. Задачи исследований:

1) анализ литературных и экспериментальных данных применения и выявление недостатков существующих приборов и методов контроля физиотерапевтических параметров; анализ физиологической роли параметрического дозирования низкоинтенсивного лазерного облучения биообъекта;

2) обоснование возможности использования реакции организма на низкоинтенсивное лазерное воздействие по гемодинамике периферического кровотока и разработка нового двухканального лазерного двухпальцевого фотоплетизмографа, обеспечивающего повторяемость фотоплетизмографического сигнала с погрешностью до 5% и корректировку параметров лечения;

3) обоснование возможности использования температурной реакции органа-«мишени» на низкоинтенсивное лазерное воздействие в качестве обратной связи и разработка нового прецизионного электронного термометра, позволяющего клнтро-лировать изменение температуры внутренних органов с точностью до 0,1°С;

4) приборная реализация новых оптико-электронных приборов, методов и информационного обеспечения контроля терапевтических параметров в урологии, андроло-гии, гинекологии и онкологии на основе нового двухканального лазерного фотоплетизмографического и нового термометрического интегрирующих корректоров процесса лечения.

Объект, предмет и методы исследований.

Объектом исследований является функциональная зависимость между совокупностью лазерных терапевтических параметров воздействия и соотносимыми параметрами реакции организма для корректировки параметров воздействия. Предметом исследования является разработка новых оптико-электронных приборов и методов, обеспечивающих повышение точности регистрации, и использования параметров реакций организма, как вторичных эффектов, в качестве биологической обратной связи для корректировки лазерных терапевтических параметров, как первичных эффектов, и автоматизации процессов лечения. Методы исследований:

1) плетизмографический метод регистрации изменения кровенаполнения тканей не по динамике их объема, а по изменению их оптических свойств — фотоплетизмо-графический метод;

2) контактные температурные методы контроля реакции органа-«мишени» на низкоинтенсивное лазерное воздействие;

3) закон Бугера-Ламберта-Бера (величина абсорбции света прямопропорциональна

толщине слоя поглощающего вещества);

4) закон Арндта-Шульца (биофизическая оценка реакций, проходящих в биообъектах, в зависимости от параметрической дозы лазерного воздействия);

5) метод Монте-Карло (метод статистических испытаний). Научная новизна

Предложены и реализованы:

1. Двухканальный двухпальцевый лазерный фотоплетизмограф (ФПГ), научная новизна которого состоит:

1) в применении в качестве излучателей лазеров с длиной волны 805 нм, позволяющих использовать условия пересечения спектральных характеристик окси- и дезок-сигемоглобина, являющимися основными информативными составляющими кровотока, в «изобестической точке» 805 нм, с целью устранения «физиологических помех», связанных с различными спектрами оптического поглощения и содержанием кислорода этих двух веществ;

2) в использовании второго фото-лазерного канала как опорного и нормирование оптического сигнала с первого канала относительно опорного с целью повышения качества, информативности, адекватности, повторяемости ФПГ-сигнала и в обеспечении необходимой погрешности до 5% регистрации кривой фотоплетизмограммы;

3) в регистрации параметров гемодинамики кровотока с целью использования фотоплетизмограммы в качестве биологической обратной связи в аппаратах, воздействие которых связано с изменением гемодинамики, вызванным процедурами, и, как корректора, управляющего параметрами лазерного терапевтического воздействия с компьютера.

2. Термометрический метод оценки температурной реакции органов как вторичных эффектов на сочетанное электро-лазерное и свето-вакуумное воздействие, с целью параметрического дозирования терапевтических параметров как первичных эффектов, научная новизна которого заключается:

1) в использовании температуры в качестве биологического параметра обратной связи между лазерным воздействием и реакцией на него организма;

2) в развитии исследований по изучению температурного «отклика» организма с целью корректировки терапевтических параметров (частота и сила тока, плотность мощности и время электро-свето-лазерного облучения и др.).

3. Приборное, методическое и информационное обеспечение контроля реакций биообъекта на основе лазерного двухканального фотоплетизмографического и термометрического интегрирующих корректоров, научная новизна которых состоит в возможности адаптирования процесса лечения под различные лазерные терапевтические аппараты и конкретного пациента.

Практическая значимость работы.

1. Результаты диссертационной работы использованы при создании: - интегрирующего фотоплетизмографа (ФПГ-2КЛ), обеспечивающего замкнутость системы «фотоплетизмограф - лазерный терапевтический аппарат» д ля корректировки параметров лечения за счет использования информации фотоплетизмографического сигнала в ОАО «ICL - КПО вычислительных систем (г. Казань);

- интегрирующего термометра (ИТМЦП-1), обеспечивающего замкнутость системы «ТМЦП-1 — лазерный терапевтический аппарат» для корректировки параметров лечения за счет использования обратной температурной связи «температура объекта — величина лазерного параметра воздействия» в ОАО «Завод Элекон» (г. Казань).

2. Полученные в диссертации результаты также используются:

1) двухканальный лазерный фотоплетизмограф — в ЗАО «Яровит-Ярь» (г. Москва) в урологии и андрологии при лечении хронического простатита и эректильной дисфункции, в Тюменском областном перинатальном центре в гинекологии при лечении воспалительных процессов;

2) прецизионный электронный термометр — в ЗАО «Яровит-Ярь» в урологии, в ЦКБ № 2 им. Н.А. Семашко при лечении онкобольных;

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

Положения, выносимые на защиту

1. Лазерный двухканальный двухпальцевый фотоплетизмограф с применением в качестве излучателей лазерных диодов с X - 805 нм позволяет:

1) реализовать условия регистрации ФПГ-сигнала в «изобестической точке» 805 нм, в которой поглощение света основными информативными составляющими разными по своему составу и содержанию кислорода окси- и дезоксигемопюбином одинаково, с целью исключения «физиологических помех»;

2) использовать второй фото-лазерный канал как опорный и нормировать оптический сигнал с первого канала относительно опорного с целью обеспечения качества, информативности и адекватности ФПГ-сигнала; обеспечить допустимую погрешность до 5% регистрации кривой ФПГ;

2. Приборная реализация двухканального лазерного фотоплетизмографа класса точности 2,5 и интегрирующего фотоплетизмографа не только обеспечивает регистрацию параметров гемодинамики кровотока, но и позволяет использовать фотопле-тизмограмму в качестве биологической обратной связи как корректора терапевтических параметров с целью исключения передозировки воздействия и управления процессами лечения.

3. Термометрический метод позволяет-.

1) применять температуру в качестве биологического параметра обратной связи между воздействием и температурной реакцией на него органа-«мишени»;

2) использовать температурную реакцию органов на физиотерапевтическое воздействие, как вторичные эффекты, и корректировать терапевтические параметры воздействия, как первичные эффекты.

4. Приборно реализованный прецизионный электронный интегрирующий термометр обеспечивает:

1) измерение с высокой точностью 0,1 °С изменения температуры исследуемого органа в пределах +5... 50°С;

2) корректировку параметров в соответствии с применяемой процедурой;

3) за счет компьютерной программы адаптирование лечения под различные лазер-

ные терапевтические аппараты и под конкретного пациента.

Апробация работы и публикации. Материалы и основное содержание работы опубликовано в 17 печатных работах, в том числе в 4 изданиях, рекомендованных ВАКом, и в 5 патентах, список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад соискателя. Материалы, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Автором лично выбраны пути решения поставленных задач в рамках выполнения им научно-исследовательской работы «Свето-лазерная терапия с биоуправлением для лечения заболеваний в андрологии и гинекологии» в ОАО «Завод-Элекон» (г. Казань). Достоверность результатов и выводов обеспечивается

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с данными экспериментов других авторов, экспертизой Федерального института промышленной собственности с выдачей патентов РФ, а также обеспечивается результатами проведенных лабораторных испытаний, подтвержденными актами испытаний. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа выполнена на 131 странице машинописного текста и содержит 70 рисунков, 1 таблицу, 67 источников используемой литературы.

Основное содержание диссертации Во введении: обоснована актуальность работы; цель и задачи исследований; объект, предмет и методы исследований; научная новизна; практическая значимость; защищаемые положения; представлена апробация работы и личный вклад соискателя. Первая глава посвящена литературному обзору имеющихся на период работы над диссертацией приборов и методов контроля достоверной информации об ответных реакциях организма на лазерное воздействие. Анализ современных графических методов показал, что для решения задач диссертации наиболее приемлемым является лазерная фотоплетизмография, а из термометрических— контактный метод с использованием датчи-ков-термисторов с отрицательным температурным коэффициентом. Показана роль низкоинтенсивного лазерного параметрического дозирования (закон Арндта-Шульца, графическая интерпретация). Оптимизация энергетического воздействия на биообъект зависит от выбора режима его облучения - оптимальной дозы для необходимого терапевтического эффекта за определенный отрезок времени: Д = Р(, где Р — мощность энергетического воздействия (Вт), I — время экспозиции (с).

Во второй главе представлена разработка нового двухканального лазерного фотоплетизмографа (ФПГ-2КЛ). Для решения задач диссертации выбраны датчики, работающие на просвет и устанавливаемые на фалангу пальца. ФПГ имеет вспомогательное диагностическое и прогностическое значение при лечении заболеваний. Формирование ФПГ-сигнала. Рассматривается с точки зрения прохождения лазерного излучения через модулирующую среду. ФПГ-сигнал регистрируется с фаланг двух пальцев, а фотоплетизмограф обеспечивает совместимость двух датчиков, регистрирующих пульсовые волны артериол — мелких сосудов подушечки пальца. Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера величина абсорбции света пропорциональна толщине слоя поглощающего вещества, то есть при исследовании кровотока она

Коэф. светопоглощения,

ОТН. СЦ.Шаксииальное.поглощение в систоле

Максимальное поглощение в диастоле

время, отн. ед.

е

5

о

я

ц

с

S <

A/VV

5 Í, С

лл/и

*оп з

■t, С —►

Рис. 1. Виды фотоплетшмографических сигналов: 1 — результирующий; 2 — нормируемый (со второй руки); 3 — опорный (с первой руки)

определяется объемом крови, проходящем через палец. Сужение и расширение сосудов под действием артериальной пульсации вызывает соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. ФПГ после усиления и обработки сигнала фотоприемника должна характеризовать состояние кровотока в пальце (рис. 1). При проведении процедуры на второй руке происходит изменение сигнала, в которое входит не только локальное воздействие, но и общее состояние организма, для исключения которого производится нормировка сигнала относительно опорного. В результате появляется относительное значение амплитуды сигнала—Лота:

(1)

О 1

t, мин

^МИН

где К— коэффициент, учитывающий неидентичность установки датчиков, который автоматически вычисляется таким образом, чтобы при умножении его на

ФПГ-сигнал амплитуды Л нор и А0п были равны. В итоге процедура состоит: в регистрации ФПГ-сигналов с обеих рук и определение нормированного ФПГ-сигнала по указанному выражению (1). График изменения соответствующих амплитуд представлен на рис. 2.

Дальнейшему анализу подвергается график относительной амплитуды Аот как наиболее значимый и отражающий результат локального терапевтического воздействия. Л, мин Лазерное излучение и регистрация сигналов ФПГ должна осуществляться в «изобести-ческой точке» — 805 нм, в которой совпа-Рис. 2. Графики изменения амплитуд дают спектральные характеристики двух ФПГ-сигнала основных информативных веществ крово-

тока окси- и дезоксигемоглобина, разных по своему составу. Следовательно, в этой точке они будут поглощать одинаковое количество света, что позволяет исключить «физиологическую помеху» при регистрации сигналов ФПГ (рис. 3). Тип лазера — IDL-805-50S, тип фотоприемника ФД-9К.

В совокупности использование двух фотолазерных каналов (опорного и нормируемого), лазерного диода IDL-805 (X = 805 нм), фотоприемника ФД-9К (относительная

волны, нм

спектральная чувствительность 5х= 0,82;) обеспечивает качество, информативность и адекватность ФПГ-сигнала с погрешностью до 5%, то есть в 6 раз по отношению к одноканальному светодиодному (Х=920-960нм). Параметры фото-плетизмограммы можно использовать в качестве обратной связи для корректировки терапевтических параметров в процессе лечения. Фотоплетизмографический корректор — это оптико-электронный прибор, предназначенный для косвенного измерения воздействия определенного энергетического фактора на организм человека посредством, например, измерения амплитуды сигнала ФПГ, которая отражает интенсивность кровоснабжения исследуемого участка организма.

При проведении лазерной процедуры возможно изменение периферического кровообращения. В качестве корректирующего параметра можно применить сигнал ФПГ. Для этого необходимо зарегистрировать ФПГ до начала терапевтической процедуры. На зарегистрированном сигнале необходимо выделить амплитуду фотоплетиз-мограммы и усреднить полученное значение по времени:

N

2Х-

920960 1000

Рис. 3. Зависимость поглощения света для различных форм гемоглобина: 1 — оксигемоглобин, 2 — дезооксигемоглобин, 3 — «изобестическая точка» - погрешность регистрации ФПГ 5%, 4 -«физиологическая помеха» - погрешность регистрации ФПГ более 30%

А =

м

N

(2)

Последовательность процедуры. Регистрация сигнала ФПГ и в режиме реального времени вычисление значения амплитуды сигнала. Полученные значения нормируются относительно вычисленного предварительно среднего значения амплитуды:

А,-А

г(0 =

(3)

Полученная нормированная величина интегрируется по времени и вычисляется параметр интегральной амплитудной параметрической дозы:

ЛЛ0=£Лоям(')- (4)

Результирующая величина интегральной параметрической дозы будет равна:

А^=АШТ{М), (5)

где М — суммарное количество зарегистрированных во время терапевтической процедуры амплитуд. Таким образом, возможно ввести корректирующий ограничиваю-

щий время процедуры фактор, как интегральная фотоплетизмографическая параметрическая доза, вычисляемый через амплитуду фотоплетизмограммы. В методике по применения конкретного терапевтического прибора может бьггь указана величина такой параметрической дозы. При проведении процедуры для каждого нового значения интегральной фотоплетизмографической параметрической дозы будет проводиться сравнение с ограничивающий процедуру величиной. В случае превышения этого порога, процедура будет считаться завершённой. Этот подход позволит сделать терапевтическую процедуру адаптивной под каждого конкретного пациента. С точки зрения измерения, фотоплетизмографический корректор — это интегрирующий фотоплетизмограф. Принципиальным отличием интегрирующего фотоплетизмографа от обычного является замкнутость системы «фотоплетизмограф — лазерный аппарат» (рис. 4).

В модуле интегрирования происходит вычисление интегральной фотоплетизмографи-

ческои дозы

и строится графическая

Рис. 4. Структурная схема интегрирующего фотоплетизмографа

зависимость дозы от номера сердцебиенияп А1т(/). Результат интегрирования отображается на экране с помощью соответствующего модуля отображения. Врач, анализируя информацию, может корректировать работу модуля интегрирования и наблюдать за динамикой процесса изменения дозы. В зависимости от уровня дозы, возможна корректировка уровня воздействия, оказываемого на пациента терапевтическим аппаратом. После достижения параметрической дозы установленного заранее значения, процедура прекращается. Для каждого сердцебиения вычисляется амплитуда фотоплетизмограммы, примерный график изменения амплитуды фотоплетизмограммы от времени показан на рис. 5-А. График нормирован на заранее вычисленное среднее значение амплитуды, полученное за время регистрации. По оси абсцисс указано время в отсчётах сердцебиений. График интерполирован параболой по методу наименьших квадратов по 5-ти точкам, поэтому он непрерывный.

Нормированный сигнал амплитуды интегрировался по номерам сердцебиений, полученный вид результирующего графика показан на рис. 5-Б. Данный график также был интерполирован параболой по методу наименьших квадратов по 5-ти точкам, поэтому имеет непрерывный вид.

Точка пересечения двух графиков (рис. 5В), округлённая до целого числа сердцебиений в большую сторону, имеет координату по оси абсцисс, равную 79. Это означает, что через 79 сердечных сокращений данного конкретного пациента процедуру терапевтического воздействия можно прекратить. Следовательно, фотоплетизмограф может применяться как корректор с целью косвенного контроля уровня тера-

певтического воздействия на организм, что позволит сделать терапевтическую процедуру адаптивной под каждого конкретного пациента.

В третьей главе представлены результаты точностного расчета. Заданный класс точности прибора 2,5 зависит от суммарной точности, определяемой точностью ФПУ (основная часть), инструментального усилителя, источника опорного напряжения и АЦП. Следовательно, необходимо обратить особое внимание на точностной расчет ФПУ. Его основные этапы: 1) анализ модуляции световой интенсивности датчика;

2) построение математической модели электрической схемы и расчет ее номиналов в ПО Мар1е;

3) построение в ПО Мсго-Сар 9.0 модели схемы (применительно к реальной схеме);

4) сравнительный анализ выходных параметров — расчетных и имитационных АЧХи ФЧХ;

5) анализ погрешности методом Монте-Карло.

20 40 60 80 100 Рис. 5. Графики изменения: нормируемой амплитуды фото-плетизмограммы (А); интегральной амплитудной фотопле-тизмографической дозы (Б); установленной параметрической дозы (В)

Полное соответствие АЧХ и ФЧХ, рассчитанных математически в Maple и полученных в Micro Сар, свидетельствует о правильности математической модели и применения ТАУ.

Основные погрешности схемы ФПУ анализировались методом Монте-Карло. Полученная гистограмма позволила получить следующие статистические характеристики:

1) при коэффициенте преобразования 200 000 размах тока 2 мкА должен преобразоваться в дифференциальное напряжение 400 мВ, на гистограмме — среднее значение 399,384 мВ;

2) среднее квадратическое отклонение (СКО) — 2,403 мВ;

3) минимальное значение— 391,267 мВ, максимальное значение— 405,508 мВ. Абсолютное отклонение по правилу 6а: 2Д = 6-2,403 мВ = 14,418 мВ; Д = 7,209 мВ. Относительная точность результата: е = Д/Лн0м = 7,209 мВ/400 мВ'100% = 1,8%. Следовательно, точность ФПУ ±1,8%. Величина относительной точности не зависит от величины тока. Дифференциальное напряжение усиливается инструментальным усилителем, минимальная точность коэффициента усиления которого равна 0,05%. Точность установки ИОН= 0,07%. Точность установки коэффициента усиления внутри модулятора АЦП = 0,5%. Суммарная точность прибора ±2,42%, то есть класс точности прибора 2,5. Полученного значения точности вполне достаточно для измерений кривой ФПГ, с погрешностью 5%.

В четвертой главе обоснован метод измерения температурной реакции организма и приборная реализация термометра медицинского электронного прецизионного (ТМЦП) и на его основе — интегрирующего термометра (ИТМЦП):

1) диапазон измеряемых температур ограничивается интервалом +5... 50°С;

2) точность измерения температуры должна соответствовать разбросу температур в

диапазоне норм соответствующих медицинских показателей ±0,05... ±0,1 °С; 3) в качестве датчиков, регистрирующих температуру с точностью ±0,1 °С, применены термисторы с ОТК, типа датчик-катетер DF1345 фирмы EXACON. Результаты моделирования погрешности прибора. Оценка погрешности измерительной ячейки с учетом входного сопротивления и токов утечки с разбросом ±10%, резисторов с разбросом ±0,1% осуществлялась в программе схемотехнического моделирования Micro Сар 9.0 методом Монте-Карло (рис. 6). Основные параметры гистограммы: среднее значение = 118,936 мВ, min значение = 118,703 мВ, max значение = 119,117 мВ, СКО= 0,068 мВ. Идеальное ожидаемое значение напряжения: 119,048 мВ. Максимальная суммарная погрешность схемы с учетом токов утечки, входного сопротивления АЦП, разброса номиналов всех компонентов равна 0,1%.

На базе ТМЦП создан интегрирующий термометр - прибор, который позволяет не просто измерять температуру в исследуемой области, но и вычислять интегральное значение температуры (ИТМЦП).

Измерение температуры проводится до процедуры, вычисляется её среднее значение Тс?. Затем начинается лазерная процедура. Одновременно записывается временная метка, соответствующая началу процедуры. Значение температуры органа-«мишени» продолжает регистрироваться и записываться. Из каждого следующего значения температуры вычитается среднее значение, вычисленное до процедуры. Полученные разности температур интегрируются по времени. Вычисленная интегральная величина, называемая в дальнейшем интегральная температура, сравнивается с наперёд установленной величиной, являющейся своего рода «энергетической ёмкостью» процедуры, и как только достигнет заданной величины, процедура прекращается.

Напряжение, мВ

Рис. 6. Гистограмма выходного дифференциального напряжения с делителя напряжения

Датчик температуры

Термометрический блок

Программный модуль обработки сигнала

С

Модуль отображения

Пациент

I

Врач

Лазерный аппарат

Модуль связи с внешним устройством

Модуль интегрирования сигнала температуры и управления

Рис. 7. Структурная схема интегрирующего термометра ИТМЦП-1 (темп, измерения — 15 значений в секунду; максимальное время интегрирования температуры — 7 суток)

Принципиальным отличием интегрирующего термометра ИТМЦП-1 от термометра ТМПЦ-1 является замкнутость системы «интегрирующий термометр — лазерный аппарат» (рис. 7).

Программная реализация алгоритмов обработки и вычисления интегральной температуры позволяет настраиваться под различные методики, исследовать новые способы вычисления параметров, связанных с эффективностью воздействия. Интегральная температура определяется как:

С га \

|0 тл

Тшп{х) —

а

(6)

/ а=х

где х - время процедуры, I - переменная времени, а - отрезок времени.

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 «00 650 700 750 800 850 900

Рис. 8. Графики изменения температуры: 1 - измеренная (средняя) до процедуры; 2 -измеренная в течение процедуры; 3 - интегральная температура

Размерность интегральной температуры:

Критерием эффективности процедуры является скорость изменения температуры, которая оказывает мультипликативное влияние на интегральную температуру.

В качестве примера, проиллюстрированного на рисунке 8.2, показана зависимость измеряемой

термометром температуры от времени в течение процедуры. Средняя температура, измеренная до процедуры, показана на рисунке 8.1.

Естественно, реальное графическое изображение функциональной зависимости температуры от времени, зарегистрированной на пациенте, носит более сложную форму, но в качестве примера используется наиболее простая комбинация из известных математических функций. При проведении процедуры организм пациента поглощал часть энергетического потока от лазерного аппарата. Этот поток воспринимался организмом. В качестве косвенного критерия восприятия организмом энергетического потока использовалась температура, как физическая величина, характеризующая интенсивность локального кровообращения в месте измерения температуры. Изменение интегрального значения температуры, которое увеличивается в соответствии с увеличением кровотока, характеризует восприятие организмом суммарного терапевтического воздействия. Следовательно, интегральное значение температуры можно использовать как параметр, ограничивающий фактор воздействия.

В пятой главе представлены экспериментальные исследования и практическая значимость полученных результатов (ЗАО «Яровит-Ярь», г. Москва).

1. Результаты использования электронного термометра в урологии— лечение предстательной железы электро-лазерным воздействием с помощью аппарата АЭЛ-ТИС-Синхро-02. Для проведения процедур использовался комбинированный ректальный электрод. Схема исследования показана на рис. 10. Динамика изменения температуры на предстательной железе показана на рис. 11 - рис. 13. Исследования показали: 1) ректальную термометрию можно считать объективным методом оценки влияния электро-лазерного воздействия на организм; 2) температура может использоваться для корректировки физиотерапевтических параметров — частоты, силы тока, мощности и времени облучения.

2. Результаты использования двухканального лазерного фотоплетизмографа в анд-рологии (лечение эректильной дисфункции фото-вакуумным воздействием). Исследования проводились на серийном аппарате АМВЛ-01.

Схема проведения процедуры представлена на рис. 14, 15. Фотоплетизмограмма в начале и в конце процедуры показана на рис. 16.

Из рис. 16 видно изменение состояния организма: уменьшилась вязкость крови, поэтому сигнал по амплитуде и принял вид привычной двухгорбой кривой. Вывод: в состоянии организма присутствуют изменения, которые фиксируются фотоплетизмографом.

В ЦКБ №2 (г. Москва) были проведены исследования влияния локального воздействия монохроматического излучения (10 сеансов по 10 мин сХ~ 660 нм, 260 мВт/см2, S= 78 см2) в гинекологии онкологических больных. Выявленный температурный эффект указал на целесообразность сокращения времени сеанса, а следовательно дозы облучения (D = P t).

Получены положительные результаты использования фотоплетизмографа в урологии (лечение простатита электро-лазерным воздействием, рис.10): явно выявлено изменение фотоплетизмограммы от мощности и частоты облучения. Пальцевая фотоплетизмография (Тюменский перинатальный центр) объективно отражает адаптационные реакции, может применяться в гинекологии для диагностики состояния и контроля уровня активации процессов.

as г

инфракрасного лазера

Комбинирова! шьш- ^ ректальный электрод, В

Оптический разъем J Презервшш

модуля-смесителя K-/Í

и ИК^лазеров......... 1

Рис. 10. Схема проведения исследований

Рис. 11. Динамика температуры с применением лазеров

Рис. 12. Динамика температуры с применением элек- Рис. 13. Динамика температуры при комбини-тростимуляции (э/е): 1 - частота электровоздействия; рованной процедуре: 1 - изменение температуры; 2 - изменение частоты электровоздействия

Основные результаты и выводы

Предложены

1. Двухканальный двухпальцевый лазерный фотоплетизмограф (ФПГ-2КЛ) с использованием лазерных диодов с X. ~ 805 нм в качестве излучателей, который:

1) обеспечивает использование пересечения спектральных характеристик окси- и дезооксигемоглобина, являющимися основными информативными составляющими кровотока и различными по содержанию кислорода, в «изобестической точке»

805 нм и устраняет «физиологические помехи»;

2) повышает качество, информативность, адекватность за счет использования второго канала как опорного и нормирования

| оптического сигнала с первого канала относительно опорного; обеспечивает необходи-I мую погрешность регистрации кривой ФПГ до 5%;

3) нормирует оба ФПГ-сигнала при чередовании локального воздействия на конечности; регистрирует параметры гемодинамики кровотока и использует ФПГ в качестве биологической обратной связи в лазерных аппаратах, воздействие которых изменяет гемодинамику, и, как корректор управляет величиной воздействия.

2. Термометрический метод оценки температурных данных реакций органов, как вторичных эффектов, на низкоинтенсивное лазерное воздействие с целью корректировки его терапевтических параметров, как первичных эффектов, позволяет'. 1) признать и использовать температуру в качестве биологической обратной связи между терапевтическими параметрами воздействия и ответной реакцией на него организма;

2 - температура

Светодиодная Излучение красного матрица /диапазона Откачиваемый /й/ Прозрачная колба воздух

Рис. 14. Схема свето-вакуумной терапевтической прецедуры

л

El

разряжение разряжение

разряжение t с

1 МИН.

1 цикл

40 секунд

P/S = 2 мВт/см:

19 минут 20 секунд

Рис. 15. Циклы «разряжение - пауза»

/.гы'С

зы

2) развивать исследования по изучению температурной реакции организма для оптимизации и дозирования терапевтических параметров воздействия — частота, сила тока, плотность мощности, время электро-свето-лазерного облучения и др.

3. Лазерный двухканальный ФПГ-2КЛ (класс точности 2,5) и интегрирующий ИФПГ-2КЛ приборно реализованы в виде универсальных приборов, сфера которых включает: медицинскую диагностику и терапию; проведение различных медицинских процедур, включая параметрическую корректировку в процессе лечения.

4. Приборная реализация тер-

мометра электронного прецизионного на основе датчиков-термисторов за счет высокой точности (0,1°С) позволяет вы-

делять даже незначительную температурную зависимость между терапевтическим

параметрами и ответной реакцией на них организма с учетом специфики области применения.

5. Приборная реализация интегрирующего электронного термометра позволяет'. 1) адаптировать прибор (за счет программного обеспечения вычисления интегральной температуры на компьютере) под различные лазерные медицинские аппараты и корректировать терапевтические параметры воздействия.

6. Полученные в диссертации результаты используются:

1) двухканальный лазерный фотоплетизмограф — в ЗАО «Яровит-Ярь» (г. Москва) в лазерной урологии и андрологии при лечении хронического простатита и эректильной дисфункции; в Тюменском областном перинатальном центре в гинекологии при лечении воспалительных процессов методом низко интенсивного лазерного сканирования;

2) электронный прецизионный термометр — в ЗАО «Яровит-Ярь» в лазерной урологии и в ЦКБ № 2 им. H.A. Семашко при лечении онкобольных (лазерное и некогерентное монохроматическое облучение);

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

а о.з

I 0,28

и

&0.26

1*0,24 £

а 0,22 i0'2 io.is

§0,16 fr

= 0,14

|о,12 0,1

Производная ФПГ

1 0

. Фвдьтровашгая <1»ПГ _ ,

| 0,3 Р 0,28

с 0,26

с0,24

§0,22

0

Л. 0,2 | 0,18 |0,16 | 0,14

1 0,12 <

0,1

°'081"5 Г7 1'8 ~~ ~ 19

Рис. 16. Фотоплетизмограмма в начале и в конце процедуры свето-вакуумной терапии

Производная ФПГ

Время, мин

Основные результаты опубликованы в работах

Работы в изданиях из рекомендованного ВАК перечня

1. Баранов В.Н. Повышение эффективности применения лазерного терапевтического аппарата «АГИН-01» в гинекологии с помощью пальцевой фотоплетизмографии/ Баранов В.Н., Малиновский Е.Л., Новиков В.А., Баимова Т.В., Хизбуллин Р.Н. // Казанский медицинский журнал. -2010. -Т.91. -№4. -С.555-560.

2. Ларюшин А.И. Перспективы создания и внедрения медицинской оптико-электронной аппаратуры на основе некогерентных источников света / Ларюшин А.И., Новиков В.А. - Казань: Вестник КГТУ им. А.К. Туполева. -2008. -№3. -€.35-38.

3. Ларюшин А.И. Приборная и методическая реализация контроля температурной реакции биологического объекта на физиотерапевтическое воздействие / Ларюшин А.И., Галкин М.А., Новиков В.А. - Казань: Вестник КГТУ им. А.К. Туполева. -2011. -№ 1. -С.55-60.

4. Ларюшин А.И. Приборная и методическая реализация фотоплетизмографическо-го дозометрирования физиотерапевтических параметров воздействия на биологический объект / Ларюшин А.И., Галкин М.А., Новиков В.А. - Казань: «Известия вузов. Проблемы энергетики». КГЭУ -2011. -№ 1-2. -С.78-85.

Доклады на конференциях

5. Хизбуллин Р.Н. Двухканальный фотоплетизмограф для исследования периферического кровотока / Р.Н. Хизбуллин, М.А. Галкин, В.А. Новиков, М.Ф. Замалтдинов // Энергетика - 2008: инновации, решения, перспективы: тез. докл. междунар. науч,-тех. конф., 2008 г. / Казан, гос. энерг. ун-т,- Казань, 2008. -кн. 3.-С.47-48.

Статьи в научно-технических журналах

6. Баранов В.Н. Лазерная терапия в гинекологической практике: аппарат «АГИН-01» / Баранов В.Н., Ларюшин А.И., Новиков В.А. // Научно-технический журнал «Фотоника». -2008.-№1.-С.20-23

7. Галкин М.А. Кардиодиагностика на основе фотоплетизмограмм с помощью двух-канального плетизмографа / Галкин М.А., Змиевской Г.Н., Ларюшин А.И., Новиков В.А.//Научно-технический журнал «Фотоника».-2008.-№3.-С.30-35

8. Галкин М.А. Температурный отклик электро-лазерного воздействия на организм / Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А., Мишанин Е.А.//Научно-технический журнал «Фотоника». -2009. -№6. -С.28-30.

9. Ларюшин А.И. Применение двухканального лазерного фотоплетизмографа в урологии / Ларюшин А.И., Галкин М.А., Мишанин Е.А., Кузьмич А.П., Новиков В.А., Хизбуллин Р.Н. // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». -2010. -№9. -С.28-33.

10. Ларюшин А.И. Двухканальный лазерный фотоплетгамограф / Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А, // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». -2010. -№7. -С.22-28.

11. Ларюшин А.И. Термометр медицинский цифровой прецизионный / Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А. // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». -2010. -№9. -С.9-16.

12. Ларюшин А.И. Измерение температурной реакции органов человека на электролазерное воздействие / Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А.,

Кузьмич А.П. // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». -

2010.-№3.-С.21-25.

Патенты

13. Патент №41 704 РФ на Промышленный образец: «Аппарат лазерный терапевтический переносной»./ Ларюшин А.И., Салаев Ю.Н., Быков Ю.В., Макшаков С.Б., Новиков В.А.; зарегистрирован 22.02.1995.

14. Патент №40 582 РФ на Промышленный образец: «Датчик пульса»./Новиков В.А., Быков Ю.В., Макшаков С.Б.; зарегистрирован 24.02.1994.

15. Патент №40 583 РФ на Промышленный образец: «Аппарат лазерной терапии полупроводниковый»./Новиков В.А., Быков Ю.В., Макшаков С.Б., Швейкин В.И.; зарегистрирован 24.02.1994.

16. Патент №40 588 РФ на Промышленный образец: «Аппарат лазерной терапии». / Новиков В.А., Быков Ю.В., Макшаков С.Б., Швейкин В.И.; зарегистрирован 24.02.1994.

17. Патент №41 287 РФ на Промышленный образец: «Аппарат электро-лазерной терапии - Контакт»./Ларюшин А.И., Езерский В.К., Кораблев М.Г., Макшаков С.Б., Новиков В.А.; зарегистрирован 27.09.1994.

Подписано к печати 16.05.2011г. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1. Заказ 871. Тираж 100 экз. Типография КГЭУ. 420066, Казань, Красносельская, 51

Введение.

Глава 1. Обзор и классификация информационно-измерительных средств и методов контроля состояния организма человека. Физиологическая роль лазерного параметрического дозирования.

1.1 Методы графической регистрации.

1.1.1 Электрокардиография.

1.1.2 Плетизмография.

1.1.3 Реография.

1.1.4 Фотоплетизмография.

1.2 Температурные методы.

1.2.1 Магнитно-резонансная томография.

1.2.2 Радиотермометрия.

1.2.3 Тепловизионная диагностика.

1.2.4 Оптические и лазерные методы.

1.2.5 Контактные методы.

1.3 Физиологическая роль лазерного параметрического дозирования.

Выводы.

Глава 2. Новый метод регистрации фотоплетизмограммы. Приборная и методическая реализация двухканальной (двухпальцевой) лазерной фотоплетизмографической системы.

2.1 Постановка и реализация задач исследований.

2.1.1 Фотоплетизмография — диагностическо-прогностический метод контроля состояния организма.

2.1.2 Информативные параметры и критерии классификации фотоплетизмографического сигнала.

2.1.3 Методическая реализация задач исследований.

2.2 Приборная реализация двухканальной лазерной фотоплетизмографической системы.

2.3 Преимущества двухканальной двухпальцевой лазерной фотоплетизмографии.

2.4. Приборная и методическая реализация интегрирующего фотоплетизмографа.

Выводы.

Глава 3. Результаты точностного расчета фотоплетизмографа.

3.1 Анализ основных требований к фотоприемному устройству.

3.2 Структура фотоприемного устройства.

3.3 Математическая модель ФПУ.

3.4 Результаты расчета номиналов элементов ФПУ.

3.5 Результаты анализа погрешности ФПУ.

Выводы.

Глава 4. Метод измерения температурной реакции организма на низкоинтенсивное лазерное воздействие. Приборная и методическая реализация прецизионного термометра и интегрирующего термометра.

4.1 Постановка задачи исследования.

4.2 Принцип построения и работы термометра медицинского цифрового прецизионного (ТМЦП-1).

4.3 Результаты точностного расчета электрической схемы.

4.4 Формирование математической модели и результаты оценки погрешности измерения.

4.5 Результаты схемотехнического моделирования прибора.

4.6 Интегрирующий термометр.

4.6.1 Постановка задачи исследования.

4.6.2 Приборная и методическая реализация интегрирующего термометра.

4.6.3 Информационные возможности интегрирующего термометра.

Выводы.

Глава 5. Экспериментальные исследования и практическая значимость полученных результатов.

5.1 Измерение температурной реакции органов человека на электро-лазерное воздействие.

5.1.1 Результаты использования термометрии в лазерной урологии.

5.1.2 Результаты использования термометрии в гинекологии.

5.2 Результаты применения двухканального лазерного фотоплетизмографа.

5.2.1 Результаты использования в андрологии (свето-вакуумная терапия).

5.2.2 Результаты использования в урологии (электро-лазерная терапия)

5.2.3 Результаты использования пальцевой фотоплетизмографии в гинекологии. (Сканирующая лазерная терапия.).

Выводы.

Введение Актуальность работы

Проблема в лазерной терапии (регистрация функции «воздействие— ответная реакция организма, то есть отклик») приобретает особую актуальность. Это относится к применению как лечебной, так и диагностической лазерной и другой техники. Однако несмотря на объективные и субъективные затруднения, можно найти пути решения этой проблемы, основанные на выделении сигнала фотобиологического воздействия. Задачи реализации этих путей в конкретных случаях состоят в создании адекватных поставленным задачам метрологических методик, в разработке и применении соответствующих медико-технических технологий. В целом задача определения набора соотносимых параметров ответных реакций организма на низкоинтенсивное лазерное воздействие представляет собой составную часть основной задачи параметрической биодозометрии:

1) определение функциональной зависимости между совокупностью параметров воздействия и соотносимыми параметрами ответной реакции организма;

2) использование этой функциональной зависимости для управления параметрами воздействия.

В этой связи фотоплетизмография как диагностический метод графического изучения кровенаполнения тканей в динамике: предоставляет ценную информацию о состоянии периферической гемодинамики; является важнейшей составляющей этой задачи; открывает перспективы для развития неинвазивных методов диагностики in situ, то есть непосредственно в живом организме; позволяет осуществлять мониторный контроль состояния здоровья человека, не разделяя профилактических, лечебных и реабилитационных функций.

В настоящее время применение новых биоуправляемых методов контроля терапевтических параметров воздействия в электро-свето-вакуумно-лазерной терапии является актуальной задачей [22, 40, 41, 42, 43, 44, 45]. Проведение лазерных терапевтических процедур всегда тесно связано с понятием количества воздействия на биологический объект и индивидуальным контролем достаточности

Введение воспринятого количества воздействия организмом (закон Арндта-Шульца). Например, при проведении электро-лазерной стимуляции можно использовать температуру органа-«мишени», на которое направлено воздействие, позволяющую оценить количество электро-лазерного воздействия, воспринятого конкретным организмом. По температуре можно регулировать параметры воздействия с целью увеличения эффективности восприятия воздействия организмом. Аналогичным образом можно применить фотоплетизмограф в качестве регистратора изменения состояния организма, на которое оказывается терапевтическое воздействие.

Фотоплетизмограмма в данном аспекте отражает динамику кровоснабжения в организме. При проведении терапевтических процедур в урологии воздействие направлено обычно на конкретный орган-«мишень». Однако этот орган не является изолированной частью организма. Изменение состояния этого органа отражается на изменении состояния всего организма. Например, появление эрекции во время фото-вакуумной терапии приводит к изменению гемодинамики всего организма. Регистрируя такие изменения, можно оценить эффективность терапевтических воздействий и в дальнейшем контролировать или даже регулировать количество терапевтического воздействия с целью повышения эффективности процесса лечения. Актуальность данной работы на первом этапе выполнения диссертации — показать выявленные закономерности температурного изменения органов при проведении сочетанных электро-вакуумно-свето-лазерной терапии (физиотерапии).

При сочетанных методах факторы однонаправленного синергичного воздействия суммируются или потенцируются друг с другом.

В литературе описаны несколько теорий механизма действия лазерного излучения на биообъект, которые реализуются на субклеточном, клеточном, тканевом, органном и системных уровнях [3, 7]. Однако эти описания носят, в основном, качественный характер и достаточно сложны для разработчиков лазерных физиотерапевтических аппаратов и практикующих врачей. В тоже время существуют так называемые вторичные эффекты, которые представляют собой комплекс адаптаци

Введение онных и компенсационных реакций в организме, возникающих в результате лазерного воздействия. Эти реакции могут проявляться в виде изменения температуры, кровотока, проводимости и других факторов в зоне физиотерапевтического воздействия, которые можно измерить и в дальнейшем использовать для контроля биодозирования физических факторов воздействия, то есть для управления физиотерапевтической процедурой. Однако для этих целей необходимо в пределах одного градуса (Цельсия) с точностью до 0,1°С измерять температуру внутреннего органа и при этом в труднодоступных местах (урология, андрология, гинекология). Существующие неинвазивные радиотермометрические и тепловизионные методы не обеспечивают требуемую для измерения температуры точность. Их применение ограничивается использованием в онкологии и дерматологии. Волоконно-оптические датчики температуры для решения задач диссертации не подходят конструктивно. Самые точные измерения температуры можно проводить с помощью полостных датчиков. Однако эти измерения инвазивны и требуют введения датчика в полость внутренних органов для механического и теплового контакта с исследуемым органом, что недопустимо в андрологии, урологии и гинекологии. Контактные измерения температуры с помощью термопар и платиновых термосопротивлений не обеспечивают необходимый измеряемый диапазон +25°С.+50°С. Наиболее актуальным является исследование и реализация контактного метода измерения температуры с использованием термисторов, обеспечивающих в диапазоне +5°С.+50°С погрешность ±0,1 °С. Следовательно, термометры на основе термисторов можно отнести к разряду прецизиоинных. На базе термометра возможна реализация термодозиметра (термоинтегрирующеш термометра) для био-управляемой термометрии.

Вторым актуальным этапом диссертации является исследование закономерной связи терапевтических параметров воздействия с фотоплетизмограм-мой. Если с помощью прецизионного медицинского термометра по заданной температуре органа можно оптимизировать параметры дозы электро-лазерного воздействия, то с помощью фотоплетизмограммы возможно выделение набора терапевтических параметров, вычисляемых из нее, для количественной оценки

Введение ответной реакции организма, например на вакуумно-электро-свето-лазерное воздействие. Перечисленное воздействие можно осуществлять одновременно и в определенной последовательности. Другими словами, используется обратная связь оптимальных терапевтических параметров с фотоплетизмограммой.

На момент начала работы над диссертацией имелись публикации по применению одноканальной пальцевой светодиодной (А,« 940 ± 20 нм) фотоплетизмографии. Применение одного фотодатчика (одного канала) с длиной волны излучения 920.960 нм неизбежно приведет к «физиологической помехе» при регистрации ФПГ-сигнала за счет разного количества поглощения света основными информативными составляющими кровотока — окси- и дезоксигемогло-бином. Следовательно, получить необходимую точность — менее 5%, повторяемость и адекватность ФПГ-сигнала невозможно. Такой фотоплетизмограф для решения задач диссертации непригоден. Необходимо разработать новый лазерный (А = 805 ±0,75 нм, Р = 0,1. 0,2 мВт) двухканальный двухпальцевый фотоплетизмограф. Длина волны излучения 804,25. 805,75 нм является «изобе-тической точкой» для окси- и дезоксигемоглобина, то есть это та длина волны, на которой спектральные характеристики этих двух веществ совпадают. Следовательно, можно избежать «физиологической помехи» при получении фотопле-тизмограммы, использовать ее для оптимизации терапевтических параметров и для автоматизации процесса лечения с помощью фотоплетизмографического дозиметра (интегрирующего фотоплетизмографа).

Публикаций по использованию термометра медицинского цифрового прецизионного и компьютерного термоинтегрирующего прибора, выполненного на базе термометра не было.

Все вышеизложенное в совокупности определяет актуальность диссертационной работы и позволяет (рис. 1В и 2В) сформулировать цель и задачи исследований.

Рис. 1В. Актуальность диссертационной работы

Рис. 2В. Задачи исследований

Введение

Основная цель работы — разработка, создание и внедрение новых оптико-электронных приборов, методов и информационного обеспечения контроля реакций биообъекта на низкоинтенсивное лазерное воздействие для корректировки его терапевтических параметров в процессе лечения и предупреждения отрицательных реакций.

Задачи исследований

1. Анализ литературных и экспериментальных данных применения и выявление недостатков существующих приборов и методов контроля физиотерапевтических параметров; анализ физиологической роли параметрического дозирования низкоинтенсивного лазерного облучения биообъекта.

2. Обоснование возможности использования реакции организма на низкоинтенсивное лазерное воздействие по гемодинамике периферического кровотока и разработка нового двухканального лазерного двухпальцевого фотоплетизмографа, обеспечивающего повторяемость фотоплетизмографического сигнала с погрешностью до 5% и корректировку параметров лечения.

3. Обоснование возможности использования температурной реакции органа-«мишени» на низкоинтенсивное лазерное воздействие в качестве обратной связи и разработка нового прецизионного электронного термометра, позволяющего клнтролировать изменение температуры внутренних органов с точностью до 0,1°С.

4. Приборная реализация новых оптико-электронных приборов, методов и информационного обеспечения контроля терапевтических параметров в урологии, андрологии, гинекологии и онкологии на основе нового двухканального лазерного фотоплетизмографического и нового термометрического интегрирующих корректоров процесса лечения.

Объект, предмет и методы исследований

Объектом исследований является функциональная зависимость между совокупностью лазерных терапевтических параметров воздействия и соотносимыми параметрами реакции организма для корректировки параметров воздействия. Предметом исследования является разработка новых оптико-электронных приборов и методов, обеспечивающих повышение точности регистрации, и исполь

Введение зования параметров реакций организма, как вторичных эффектов, в качестве биологической обратной связи для корректировки лазерных терапевтических параметров, как первичных эффектов, и автоматизации процессов лечения. Методы исследований:

1) плетизмографический метод регистрации изменения кровенаполнения тканей не по динамике их объема, а по изменению их оптических свойств — фотопле-тизмографический метод;

2) контактные температурные методы контроля реакции органа-«мишени» на низкоинтенсивное лазерное воздействие;

3) закон Бугера-Ламберта-Бера (величина абсорбции света прямопропорцио-нальна толщине слоя поглощающего вещества);

4) закон Арндта-Шульца (биофизическая оценка реакций, проходящих в биообъектах, в зависимости от параметрической дозы лазерного воздействия);

5) метод Монте-Карло (метод статистических испытаний).

Научная новизна

Предложены и реализованы:

1. Двухканальный двухпальцевый лазерный фотоплетизмограф (ФПГ), научная новизна которого состоит:

1) в применении в качестве излучателей лазеров с длиной волны 805 нм, позволяющих использовать условия пересечения спектральных характеристик окси-и дезоксигемоглобина, являющимися основными информативными составляющими кровотока, в «изобестической точке» 805 нм, с целью устранения «физиологических помех», связанных с различными спектрами оптического поглощения и содержанием кислорода этих двух веществ;

2) в использовании второго фото-лазерного канала как опорного и нормирование оптического сигнала с первого канала относительно опорного с целью повышения качества, информативности, адекватности, повторяемости ФПГ-сигнала и в обеспечении необходимой погрешности до 5% регистрации кривой фотоплетизмограммы;

3) в регистрации параметров гемодинамики кровотока с целью использования

Введение фотоплетизмограммы в качестве биологической обратной связи в аппаратах, воздействие которых связано с изменением гемодинамики, вызванным процедурами, и, как корректора, управляющего параметрами лазерного терапевтического воздействия с компьютера.

2. Термометрический метод оценки температурной реакции органов как вторичных эффектов на сочетанное электро-лазерное и свето-вакуумное воздействие, с целью параметрического дозирования терапевтических параметров как первичных эффектов, научная новизна которого заключается:

1) в использовании температуры в качестве биологического параметра обратной связи между лазерным воздействием и реакцией на него организма;

2) в развитии исследований по изучению температурного «отклика» организма с целью корректировки терапевтических параметров (частота и сила тока, плотность мощности и время электро-свето-лазерного облучения и др.).

3. Приборное, методическое и информационное обеспечение контроля реакций биообъекта на основе лазерного двухканального фотоплетизмографического и термометрического интегрирующих корректоров, научная новизна которых состоит в возможности адаптирования процесса лечения под различные лазерные терапевтические аппараты и конкретного пациента.

Практическая значимость работы

1. Результаты диссертационной работы использованы при создании: -интегрирующего фотоплетизмографа (ФПГ-2КЛ), обеспечивающего замкнутость системы «фотоплетизмограф— лазерный терапевтический аппарат» для корректировки параметров лечения за счет использования информации фотоплетизмографического сигнала в ОАО «1СЬ - КПО вычислительных систем (г. Казань);

- интегрирующего термометра (ИТМЦП-1), обеспечивающего замкнутость системы «ТМЦП-1 — лазерный терапевтический аппарат» для корректировки параметров лечения за счет использования обратной температурной связи «температура объекта— величина лазерного параметра воздействия» в ОАО «Завод Элекон» (г. Казань).

2. Полученные в диссертации результаты также используются:

Введение

1) двухканальный лазерный фотоплетизмограф— в ЗАО «Яровит-Ярь» (г.Москва) в урологии и андрологии при лечении хронического простатита и эректильной дисфункции, в Тюменском областном перинатальном центре в гинекологии при лечении воспалительных процессов;

2) прецизионный электронный термометр — в ЗАО «Яровит-Ярь» в урологии, в ЦКБ № 2 им. H.A. Семашко при лечении онкобольных;

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

Положения, выносимые на защиту

1. Лазерный двухканальный двухпальцевый фотоплетизмограф с применением в качестве излучателей лазерных диодов с X ~ 805 нм позволяет:

1) реализовать условия регистрации ФПГ-сигнала в «изобестической точке» 805 нм, в которой поглощение света основными информативными составляющими разными по своему составу и содержанию кислорода окси- и дезоксиге-моглобином одинаково, с целью исключения «физиологических помех»;

2) использовать второй фото-лазерный канал как опорный и нормировать оптический сигнал с первого канала относительно опорного с целью обеспечения качества, информативности и адекватности ФПГ-сигнала; обеспечить допустимую погрешность до 5% регистрации кривой ФПГ;

2. Приборная реализация двухканального лазерного фотоплетизмографа класса точности 2,5 и интегрирующего фотоплетизмографа не только обеспечивает регистрацию параметров гемодинамики кровотока, но и позволяет использовать фотоплетизмограмму в качестве биологической обратной связи как корректора терапевтических параметров с целью исключения передозировки воздействия и управления процессами лечения.

3. Термометрический метод позволяет:

1) применять температуру в качестве биологического параметра обратной связи между воздействием и температурной реакцией на него органа-«мишени»;

2) использовать температурную реакцию органов на физиотерапевтическое воздействие, как вторичные эффекты, и корректировать терапевтические пара

Введение метры воздействия, как первичные эффекты.

4. Приборно реализованный прецизионный электронный интегрирующий термометр обеспечивает:

1) измерение с высокой точностью 0,1°С изменения температуры исследуемого органа в пределах +5. 50°С;

2) корректировку параметров в соответствии с применяемой процедурой;

3) за счет компьютерной программы адаптирование лечения под различные лазерные терапевтические аппараты и под конкретного пациента.

Апробация работы и публикации Материалы и основное содержание работы опубликовано в 19 печатных работах, в том числе в 6 патентах, список которых приведен в конце диссертации.

Личный вклад соискателя Материалы, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Автором лично выбраны пути решения поставленных задач в рамках выполнения им научно-исследовательской работы «Свето-лазерная терапия с биоуправлением для лечения заболеваний в андроло-гии и гинекологии».

Достоверность результатов и выводов

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с данными экспериментов других авторов, экспертизой Федерального института промышленной собственности с выдачей патентов РФ, а также обеспечивается результатами проведенных лабораторных испытаний, подтвержденными актами испытаний.

Основные результаты и выводы, полученные в диссертации

Выполненные в диссертации теоретические, экспериментальные, расчетные и схемотехнические исследования позволили разработать, создать и внедрить новые приборы, методы и информационное обеспечение контроля реакций биообъекта на электро-свето-вакуумно-лазерное воздействие непосредственно в процессе лечения с целью управления параметрами воздействия в процессе лечения и предупреждения отрицательных реакций.

Заключение

2) развивать исследования по изучению температурной реакции организма для оптимизации и дозирования терапевтических параметров воздействия — частота, сила тока, плотность мощности, время электро-свето-лазерного облучения и др.

3. Лазерный двухканальный ФПГ-2КЛ (класс точности 2,5) и интегрирующий ИФПГ-2КЛ приборно реализованы в виде универсальных приборов, сфера которых включает: медицинскую диагностику и терапию; проведение различных медицинских процедур, включая параметрическую корректировку в процессе лечения.

4. Приборная реализация термометра электронного прецизионного на основе датчиков-термисторов за счет высокой точности (0,1°С) позволяет выделять даже незначительную температурную зависимость между терапевтическим параметрами и ответной реакцией на них организма с учетом специфики области применения.

5. Приборная реализация интегрирующего электронного термометра позволяет: 1) адаптировать прибор (за счет программного обеспечения вычисления интегральной температуры на компьютере) под различные лазерные медицинские аппараты и корректировать терапевтические параметры воздействия.

6. Полученные в диссертации результаты используются'.

1) двухканальный лазерный фотоплетизмограф — в ЗАО «Яровит-Ярь» (г. Москва) в лазерной урологии и андрологии при лечении хронического простатита и эректильной дисфункции; в Тюменском областном перинатальном центре в гинекологии при лечении воспалительных процессов методом низкоинтенсивного лазерного сканирования;

2) электронный прецизионный термометр— в ЗАО «Яровит-Ярь» в лазерной урологии и в ЦКБ № 2 им. H.A. Семашко при лечении онкобольных (лазерное и некогерентное монохроматическое облучение);

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

1. Алексеенко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства.- М.: Энергоатомиздат, 1984. -208с.

2. Баранов В.Н., Ларюшин А.И., Новиков В.А. Лазерная терапия в гинекологической практике: аппарат «АГИН-01 ».//Научно-технический журнал «Фотоника».-2008.-№1 .-С.20-23

3. Баранов В.Н. Низкоэнергетические лазеры в рефлексотерапии хронических сальпингоофоритов.- Челябинск: «Иероглиф»,2000. -112с.

4. Беляев K.P., Морозов A.A. Коррекция фазовых искажений и обработка биомедицинских сигналов/ЛВестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. — 1993. -№4. -С.40-53.

5. БуйлинВ.А., Ларюшин А.И., Никитина М.В. Светолазерная терапия / Под ред. проф. Брехова Е.И. М.: Тверь: «Триада», 2004. - 256с.

6. Велыпер JI.3., Стаханов М.Л. Применение светодиодной матричной терапии в лечении больных с отеком верхней конечности. Использование лазеров для диагностики и лечения заболеваний // Лазерная медицина.-2001.-Том 4, вып.З.-С.76-79.

7. Веснин С.Г. Микроволновая радиотермометрия национальное достояние России// Здравоохранение.-2007.-№9.-С.159-164.

8. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.: Высшая школа, 1989. — 175 с.

9. Галкин М.А., Змиевской Г.Н., Ларюшин А.И., Новиков В.А. Кардио-диагностика на основе фотоплетизмограмм с помощью двухканального1. Литератураплетизмографа.//Научно-технический журнал «Фотоника».-2008.-№3,-С.30-35

10. Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А., Мишанин Е.А. Температурный отклик электро-лазерного воздействия на организм.//Научно-технический журнал «Фотоника». -2009. -№6. -С.28-30.

11. Гайдук М.И., Григорьянц В.В., Зайцев В.Н. и др. Биофизическое обоснование фотоплетизмографии в отраженном свете. //Научно-технический журнал «Мед. техника». -1990. -№2. -С.4-8.

12. Джексон Р.Т. Новейшие датчики / Под ред. В.В. Лучина. М.: Техносфера, 2007.- (Мир электроники). -С. 133-136.

13. Жаров В.П., Калинин К.Н., Борисов А. и др. Фотоматричная терапия постмастэктомических операций // Лазерная медицина. -2002. — Том 3. -вып. 3-4. С. 29-34.

14. Змиевской Г.Н., Галкин М.А., Костюков Д.В. Биодозометрия в низкоинтенсивной фототерапии// Лазер-информ.-2008.-№17 (392).-С.6-9.

15. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы. Справочник / Под ред. Виноградовой. — М.: Медицина, 1986. -416с.

16. Исследование оптических свойств тканей фотоплетизмографическим методом // Стоматология. -1986. -Т.65. -№1. -С.27-29.

17. Картелишев A.B., Малиновский Е.А., Евстигнеев А.Р. Новый принцип подбора лечебных режимов низкоинтенсивной лазерной терапии для оптимизации ее эффективности в педиатрии // Лазерная медицина. -2009. Т. 13. - Вып. 3. - С.4-8.

18. Л. Кромвелл, М. Ардитти, Ф. Вейбел. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения / Пер. с англ. под ред. Утямышева Р.И. — М.: Радио и связь, 1981.-344с.1. Литература

19. Ларюшин А.И., Новиков В.А. Перспективы создания и внедрения медицинской оптико-электронной аппаратуры на основе некогерентных источников света. — Казань: Вестник КГТУ им. А.К. Туполева. -2008. -№3. -С.35-38.

20. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А., Кузьмич А.П. Измерение температурной реакции органов человека на элек-тро-лазерное воздействие//Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений».-2010.-№3.-С.21-25

21. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А. Двухка-нальный лазерный фотоплетизмограф // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». -2010. -№7. —С.22-28.

22. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Мишанин Е.А., Кузьмич А.П., Новиков В.А., Хизбуллин Р.Н. Применение двухканального лазерного фотоплетизмографа в урологии // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». -2010. -№9. -С.28-33.

23. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А. Термометр медицинский цифровой прецизионный // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». -2010. -№9. -С.9-16.

24. Ларюшин А.И., Илларионов В.Е. Низкоинтенсивные лазеры в медико-биологической практике. — Казань: «Абак», 1997.-275с.

25. Ларюшин А.И., Кузьмич А.П., Мишанин Е.А., Жаров В.П. Электролазерная терапия — новая медицинская технология в комплексном лечении хронического простатита // Тезисы докладов I региональной конференции «Лазеры в Поволжье». — Казань.-1997.-С.34-37.

26. Ларюшин А.И., Мишанин Е.А., Кузьмич А.П., Никитина М.В. Аппарат электролазерный терапевтический урологический АЭЛТИС-Синхро-021. Литература

27. Труды научно-практической конференции «Электростимуляция — 2002». -М.: ВНИИМП-Вита РАМН, 2002. С.215-222.

28. Ларюшин А.И. Оптоэлектроника в промышленности и медицине. — Казань: «Абак», 1997.-478с.

29. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Новиков В.А. Приборная и методическая реализация контроля температурной реакции биологического объекта на физиотерапевтическое воздействие. — Казань: Вестник КГТУ им. А.К. Туполева. -2011. -№ 1. -С.55-60.

30. Малиновский Е. Л., Картелишев A.B., Евстигнеев А.Р. Тест-прогнозирование индивидуальной реакции больных на курсовую низкоинтенсивную лазерную терапию // Лазерная медицина. -2006. Т.Ю., вып.З. -С.14-21.

31. Мошкевич B.C. Фотоплетизмография. -М.: Медицина, 1970.-345с.

32. Мурашко В.В., Струтынский A.B. Электрокардиография. -М.: Медицина. -1987. -255с.

33. Мюллер Г.И. Прикладная лазерная медицина. Учебное и справочное пособие. -М.: Интерэксперт.-1997.-340с.

34. ОкосиТ., ОкамотоК., ОцуМ. и др. Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т. Окоси. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. -256с.

35. Оппенгейм A.B., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов / Перевод с английского под ред. С.Я. Шаца. -М.: Связь, 1979. -416с.

36. Патент №40 582 РФ на Промышленный образец: «Датчик пульса»./Новиков В.А., Быков Ю.В., Макшаков С.Б.; зарегистрирован 24.02.1994.

37. Патент №40 583 РФ на Промышленный образец: «Аппарат лазерной терапии полупроводниковый»./Новиков В.А., Быков Ю.В., Макшаков С.Б., Швейкин В.Ч.; зарегистрирован 24.02.1994.

38. Патент №40 588 РФ на Промышленный образец: «Аппарат лазерной1. Литературатерапии». / Новиков В.А., Быков Ю.В., Макшаков С.Б., Швейкин В.Ч.; зарегистрирован 24.02.1994.

39. Патент №41 287 РФ на Промышленный образец: «Аппарат электролазерной терапии — Контакт»./Ларюшин А.И., Езерский В.К., Кораб-лев М.Г., Макшаков С.Б., Новиков В.А.; зарегистрирован 27.09.1994.

40. Патент №41 704 РФ на Промышленный образец: «Аппарат лазерный терапевтический переносной»./ Ларюшин А.И., Салаев Ю.Н., Быков Ю.В., Макшаков С.Б., Новиков В.А.; зарегистрирован 22.02.1995.

41. Пономаренко Г.Н., Турковский И.И. Биофизические основы физиотерапии. СПб.: ВмедА., 2003. - 152с.

42. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. — М.: Высшая школа, 1996.-608с.

43. Юревич В.И. Теория автоматического управления. -СПб.: БХВ-Петербург, 2007. -560с.

44. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. — М.: Машиностроение, 1989. -225с.

45. Biophotonics. Optical Science and Engineering for the 21st Century./ Ed. By Xun Shen and R. Van Wijk. New York: Springer Science: Business Media, Inc., 2005.

46. Branca R.T., Jenista E.R., Warren W.S., et al. Accurate temperature imaging based on intermolecular coherences in magnetic resonance // Science. — 2008.-N421.

47. Childs B.H. Practical Temperature Measurement. Oxford, 2001. — ISBN 0-750-65080-X.

48. Dorshel K., Muller G. How to define dosimetry for laser treatment. // SPIE Institute Series, 1989, IS5, p. 10.

49. Goetz R.H. Plethysmography of the skin in the investigation of peripheral vascular diseases // Br. J. Surg. -1940. -№27. -P.506-520.1. Литература

50. Graeme, Jerald G. Photodiode amplifiers: op amp solutions. McGraw Hill, 1996.

51. Hertzman A.B. The blood supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph // Am J Physiol. -1939. -№124. -P.328-340.

52. Hertzman A.B., Spealman C.R. Observations on the finger volume pulse recorded photo-electrically // Am J Physiol. -1937. -№119. -P.334-335.

53. Johansson A., Oberg P.A. Estimation of respiratory volumes from the pho-toplethysmographic signal. Part 1: experimental results.//Med Biol Eng Comput 1999; 37:42-47.

54. Johansson A., Oberg P.A. Estimation of respiratory volumes from the pho-toplethysmographic signal. Part 2: a model study.//Med Biol Eng Comput 1999; 37:48-53.

55. Kamal A.A., Harness J.B., Irving G., Mearns A.J. Skin photoplethys-mography a review. // Comput Methods Programs Biomed 1989: 28; 257-269.

56. Mahomed F.A. The physiology and clinical use of the sphygmograph. // Med Times Gazette bond. 1872: l;62-65.

57. Millasseau S.C., Guigui EG, Kelly R.P., Prasad K., Cockcroft J.R., Ritter J.M., Chowienczyk P.J. Noninvasive assessment of the digital volume pulse. Comparison with the peripheral pressure pulse.//Hypertension 2000; 36, P. 952-956

58. Nicholas J.V., White D.R. Traceable Temperatures. 2nd Ed. - Chichester: John Wiley & Sons, LTD, 2001. - ISBN 0-471-49291-4.

59. Nitzan M., Babchenko A., Khanokh В., Landau D. The variability of the photoplethysmographic signal a potential method for the evaluation of the autonomic nervous system. //Physiol Meas 1998; 19:93-102

60. TakazawaK, TanakaN., FujitaM., Matsuoka O., Saiki Т., AikawaM., et al. Assessment of vasoactive agents and vascular aging by second derivative of the photoplethysmograph waveform. // Hypertension 1998; 32:365-370.

61. Webster J.G. Design of pulse oximeters. / Medical science series. — IOP Publishing Ltd.-1997.-P.258

62. Zurbuchen J.M. Precision thermistor thermometry // Measurement science conference tutorial "Thermometry fundamental and practice". — 2000.