Національний технічний університет України
"Київський політехнічний інститут"
Безуглий Михайло Олександрович
УДК 615.849. 19
Метод та система адаптивної лазерної терапії
05.11.17 Біологічні та медичні прилади і системи
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічний наук
Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тимчик Григорій Семенович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри виробництва приладів.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Скрипник Юрій Олексійович, Київський національний університет технології та дизайну, професор кафедри автоматизації і комп’ютерних систем.
доктор технічних наук, професор Колобродов Валентин Георгійович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри оптичних та оптико-електронних приладів.
Захист відбудеться "12" лютого 2008 року о 15: 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002. 19 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп.12, ауд.412.
З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.
Автореферат розісланий "9" січня 2008 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради__________ В.Б. Швайченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дослідження. Сучасний стан розвитку фізіотерапевтичної апаратури за основну ставить задачу, яка полягає у з’ясуванні чинників та особливостей впливу природних і технічних польових структур на біологічний об’єкт. Серед засобів фізіотерапії важливе місце займають апарати лазерної терапії (ЛТ), що застосовуються для лікування захворювань різної етіології. Не зважаючи на досягнення сучасної біології, медицини, техніки, побудова методів і систем, що забезпечують біологічний зворотній зв’язок при проведенні процедури лазерного опромінення, спирається на проблему адекватної оцінки лікувального впливу. Терапевтичний ефект залежний від параметрів лазерного випромінювання (довжина хвилі, інтенсивність випромінювання, площа опроміненої ділянки, тривалість і частота процедур) і тому може змінюватись при різних варіаціях їх значень. Зазначені параметри дози лазерного випромінювання визначаються і встановлюються медичним персоналом перед початком процедури ЛТ і не змінюються впродовж неї. При цьому не враховуються фізіологічні особливості впливу лазерного випромінювання на конкретного пацієнта, його плинний функціональний стан, що ставить нагальну задачу розробки методу, та на його основі створення системи лазерної терапії з біологічним зворотним зв’язком.
З іншого боку зацікавленість у визначенні параметрів та характеристик поверхні біологічної тканини (БТ) досі залишається однією з актуальних задач медичного оптичного приладобудування. Її розв’язання лежить в площині двоступеневого дослідження поверхні БТ на основі теорії переносу випромінювання та спираючись на положення взаємодії біологічного об’єкта (його активних та неактивних зон) на польовому рівні з лазерними засобами впливу. Таким чином, формуючи зворотній зв’язок у вигляді сукупності сигналів, які знімаються з чутників до початку процедури та впродовж неї, створюємо можливість корегувати режими лазерної терапії для досягнення максимального лікувального ефекту.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з науково-дослідними роботами кафедри виробництва приладів приладобудівного факультету Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", а саме ДР №0102U000559 "Створення теоретичних засад функціонування прецизійних чутників реєстрації електромагнітного випромінювання медичних пристроїв", ДР №0103U007400 "Розробка автоматизованої системи моніторингу біотехнічних об’єктів", а також ДР №0105U001169 "Створення теоретичних засад функціонування автоматизованої комплексної лікувально-діагностичної системи".
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності проведення процедур лазерної терапії шляхом розробки методу та системи, котра забезпечить під час процедури ЛТ реєстрацію параметрів випромінювання електромагнітних полів організму, на підставі аналізу яких можна здійснювати корекцію режимів терапії.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
1. Розробити метод здійснення адаптивної лазерної терапії.
2. Дослідити можливість реєстрації параметрів розсіяного назад випромінювання в залежності від оптичних властивостей та геометричних параметрів середовища.
3. Розробити модель поширення оптичного випромінювання в багатошарових біологічних тканинах.
4. На основі проведеного аналізу розробити алгоритм функціонування системи ЛТ та запропонувати аналітичні моделі реєстрації власного електромагнітного випромінювання та випромінювання оптичного діапазону біологічної тканини.
5. Провести дослідження експериментального зразка системи ЛТ.
Об’єкт дослідження – процеси енергетичного перетворення електромагнітного випромінювання оптичного діапазону в біологічній тканині.
Предмет дослідження – система лазерної терапії, що застосовується при акупунктурній терапії серцево-судинних захворювань.
Методи дослідження – при розв’язанні поставлених задач в ході проведених в дисертаційний роботі досліджень використовувались положення теорії переносу випромінювання, оптики світлорозсіювання, математичний апарат статистичної обробки сигналів.
Наукова новизна отриманих результатів.
На основі досліджень електромагнітних характеристик біологічної тканини запропоновано новий метод здійснення лазерної терапії з урахуванням функціонально стану пацієнту в даний проміжок часу.
Удосконалено експоненціальну модель поширення оптичного випромінювання в біологічній тканині, що дозволяє досліджувати оптичні властивостей багатошарових середовищ з сильним розсіюванням.
Вперше запропоновано нові принципи побудови чутників власних електромагнітних полів та оптичного випромінювання при проведенні лазерної терапії.
Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:
Запропоновано схемотехнічні реалізації електромагнітного та оптичного модулів системи лазерної терапії на основі розробленого методу.
Створено електромагнітну волоконно-оптичну систему лазерної терапії "Промінь 11В", яка є підсистемою автоматизованого комплексу моніторингу біотехнічних об’єктів "Промінь 11".
Розроблено алгоритм функціонування системи лазерної терапії "Промінь 11В", реалізація якого дозволяє встановлювати найбільш придані режими ЛТ за результатами аналізу електромагнітних полів пацієнта до і під час лікувальної процедури.
Основні теоретичні та практичні аспекти розробки методу та системи лазерної терапії використовуються в навчальному процесі кафедри виробництва приладів НТУУ “КПІ” при проведені лекційних, практичних та лабораторних занять за курсами "Оптичні та квантові медичні прилади", "Прилади для вимірювання фізіологічних параметрів людини", "Прилади магніторезонансної терапії".
Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертації, що складають сутність роботи і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового та практичного значення, отримані автором самостійно. У роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належить систематизація та створення класифікації засобів моніторингу біотехнічних об’єктів [2, 14], розробка схемотехнічної моделі автоматизованої системи реєстрації та моніторингу біотехнічних об’єктів [1, 8, 9, 11], розробка дозиметра оптичного випромінювання та теоретичних засад його функціонування [7, 13], розробка математичної моделі світлорозсіяння лазерного випромінювання в біологічних тканинах [16], теоретичні та експериментальні дослідження системи спостереження за станом біотехнічних об’єктів в [5, 17], розробка методу комплексної діагностики плинного стану біотехнічних об’єктів [3, 4], розробка алгоритму функціонування модулів системи спостереження [18], розробка функціональної схеми та принципу функціонування системи комплексної діагностики та лікування [6], розробка способу неінвазивного аналізу біологічних тканин [10].
Дисертаційна робота виконана на кафедрі виробництва приладів приладобудівного факультету Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" під керівництвом д. т. н., проф. Тимчика Г.С.
Апробація результатів дисертації. Результаті досліджень були представлені на: V міжнародній молодіжній науково-практичній конференції "Людина та космос" (Дніпропетровськ, 2003), науково-технічній конференції "Приладобудування 2003: підсумки і перспективи" (Київ, 2003), IХ Міжнародній конференції "Інформотерапія: теоретичні аспекти та практичне застосування" (Київ, 2003), V симпозіумі з біоінформатики (Київ, 2003), VI міжнародній молодіжній науково-практичній конференції "Людина та космос" (Дніпропетровськ, 2004), науково-технічній конференції "Приладобудування 2004: підсумки і перспективи" (Київ, 2004), науково-технічних конференції "Приладобудування: підсумки і перспективи" (Київ, 2005, 2006).
Науковий проект на тему "Автоматизована комплексна лікувально-діагностична система" за основними положеннями дисертації отримав першу премію на третьому конкурсі науково-технічних проектів молодих вчених "Інтелектуальний потенціал молодих вчених – місту Києву" (Київ, 2003).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 18 наукових праць, у тому числі 5 статей у фахових наукових виданнях внесених до переліку ВАК України та 5 патентів України.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та 6 додатків. Загальний обсяг дисертації 152 сторінок, з яких основний зміст викладено на 130 сторінках, містить 36 рисунків, 3 таблиці. Список використаних джерел складається з 62 найменувань.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність проблеми досліджень, вказано зв’язок роботи з науковими програмами. Зазначено мету та задачі досліджень. Наведено характеристику наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, а також їх впровадження та апробації.
У першому розділі зазначена структура та оптичні властивості біологічної тканини, описані механізми взаємодії лазерного випромінювання (ЛВ) з біологічною тканиною. Проаналізовані існуючі моделі поширення оптичного випромінювання в біологічних тканинах. На основі розгляду теоретичних та експериментальних методів розв’язання рівняння переносу випромінювання показана необхідність дослідження оптичних характеристик біологічних тканин для точної дозованої дії ЛВ. Розглянуті сучасні реалізації апаратів лазерної терапії, їх основні технічні характеристики, визначені їх недоліки та сформульований загальний підхід до розробки вдосконалених засобів ЛТ.
Розглянуто основні параметри, які описують оптичні властивості БТ: коефіцієнти поглинання, розсіяння, затухання, середня довжина вільного пробігу, альбедо, фазова функція розсіяння. Показано, що пошук зазначених параметрів лежить в площині розв’язання рівняння переносу випромінювання (РПВ), розв’язок якого можливий двома групами методів: теоретичними (метод усереднення інтенсивності за напрямками; метод послідовних наближень; метод заміни РПВ системою диференціальних рівнянь; асимптотичний метод; методи статистичного моделювання; числові методи) та експериментальними (метод інтегруючої сфери (МІС) способом Тейлора або способом Рвачова-Сахновського; метод дифузного відбиття; метод визначення параметрів Стокса; спектроскопія з високою часовою роздільною здатністю; модуляційний метод; стаціонарний метод із просторовою роздільною здатністю).
Показано, що теоретичні методи є надскладними у розв’язанні та виборі граничних умов. Тому найбільше поширення віднайшли експериментальні методи дослідження основних параметрів, котрі характеризують оптичні властивості БТ, на підставі реєстрації дифузного відбиття БТ з використанням інтегруючих порожнин.
Проаналізовано переважний спектр засобів для ЛТ, які застосовуються, і виділено за головний недолік відсутність біологічного зворотного зв’язку, що не дозволяє відстежувати функціональний стан організмі пацієнта під впливом ЛТ, а відтак здійснювати адаптивний механізм корегування режимами опромінювання.
Оскільки при ЛТ вплив здійснюється на живий об’єкт, то окрім фізико-хімічних проявів світлового випромінювання необхідно враховувати вплив світла на функціонування живої матерії, що визначається ступенем гомеостазу живого об’єкта. Випромінювання малої інтенсивності не запускає адаптаційні механізми біологічної системи, тобто не порушується її гомеостаз. При невеликому збільшенні інтенсивності відбуваються лише збурення локального гомеостазу, і не у кожних дослідженнях вони виявляються. Ріст інтенсивності вмикає загальні адаптаційні і регуляційні механізми живого об’єкта, які цілком відновлюють систему. При подальшому збільшенні інтенсивності відбуваються частково необоротні процеси. Це дозволяє визначити перспективний напрямок досліджень впливу низькоінтенсивного ЛВ на біологічну тканину, а також спостереженні реакції БТ на такий вплив за декількома параметрами.
У другому розділі запропонований метод лазерної терапії, розглянуті аналітичні та математичні моделі чутників власних та стимульованих електромагнітних полів, а також запропонована модель поширення лазерного випромінювання в біологічній тканинні та схема функціонування системи адаптивної ЛТ.
Сутність запропонованого методу полягає у визначенні оптичних характеристик БТ обраної ділянки біологічного об’єкту (БО) з одночасним запам’ятовуванням для подальшого плинного порівняння з наступними значеннями сигналів в реальному масштабі часу. Це дає можливість визначати характер впливу ЛВ на БТ, при цьому можна визначати небажаний стан та запобігти продовженню опромінювання. По-друге, оскільки БО властива наявність біологічно активних точок, що в основному реагують на зміни електричних і магнітних властивостей навколишнього середовища, то меридіани, які з’єднують активні точки, можна розглядати як систему електричних провідників, що прокладені в БТ, існуючої поблизу м’язів, судин, нервів, по яким рухомі електричні заряди (електроліти, молекули) можуть мігрувати від одної області до іншої. Ця система залучена до електромагнітних взаємодій в організмі і до рецепції зовнішніх електромагнітних полів. Тому окремі порушення в функціонуванні системи можна усунути електромагнітною стимуляцією активних зон, специфічних до регуляції цього процесу. Стимуляція БТ супроводжується змінами електричних потенціалів (зміною напруженості електромагнітного поля) вздовж шляхів, що описують як меридіани, причому поширення такої різниці потенціалів між меридіанами потребує більшого часу, ніж зміна фізіологічної активності органа, який має на увазі поширення по шляхам, котрі мають меншу швидкість проведення, ніж поширення збудження по чутливим волокнам.
Отже, метод адаптивної лазерної терапії полягає у виконанні наступної послідовності заходів:
1) вибір ділянки БТ, яку будуть опромінювати. При здійсненні акупунктурної лазерної терапії вибір біологічно активних точок здійснюють у відповідності до атласу біологічно активних точок (БАТ) людини;
2) підготовка обраної поверхні БТ до процедури лазерної терапії, що полягає у звільненні поверхні від волосяного покрову для нівелювання явищ світлорозсіювання на волоссі, та очищенні від вологи, забруднень тощо;
3) визначення значення напруженості електромагнітного поля на ділянці БТ, яку будуть опромінювати;
4) опромінення лазерним пучком БТ; спостереження та аналіз параметрів дифузно розсіяного оптичного випромінювання та/або напруженості електромагнітного поля в БТ;
5) Прийняття рішення про продовження, закінчення або зміну режиму лазерної терапії. Визначення оптичних характеристик БТ та значень напруженості електромагнітного поля в БТ з одночасним запам’ятовуванням для подальшого плинного порівняння з наступними значеннями сигналів в реальному масштабі часу. Це дає можливість відслідковувати режими ЛТ, визначати небажаний стан та запобігти продовженню опромінювання. Таким чином визначають дотримання вірних режимів відповідно до заданої дози опромінювання.

Для з’ясування механізму функціонування системи ЛТ розглянуто аналітичні моделі чутників електромагнітного випромінювання, комплексна дія яких лежить в основі запропонованого методу.
Для визначення параметрів випромінювання БТ використовується чутник на засадах закону електромагнітної індукції, тобто наведеної електрорушійної сили (ЕРС) в обмотці за рахунок змінного магнітного поля, утвореного електричним струмом. Первинний електромагнітний чутник конструктивно являє собою кільцеве або прямокутне замкнуте осереддя з феромагнітного матеріалу з обмоткою з мідного провідника.
Передатна функція чутника має такий вигляд:
(1)
деk - коефіцієнт трансформації чутника;
L - індуктивність обмотки у Гн;
T1, T2 - сталі часу чутника;
S - площа перетину осердя з феромагнітного матеріалу;
r - радіус осердя;
w - кількість витків провідника в обмотці;
Rн - активна частина опору навантаги;
Cн - ємність навантаги;
R0 - активна частина опору обмотки;
мм - магнітна проникність матеріалу осердя.
Проведено аналіз існуючих моделей поширення оптичного випромінювання в біологічній тканині: проста експоненціальна, міграційна та інтегральна. До основного недоліку таких моделей відносять неможливість аналізу оптичних характеристик багатошарових біологічної тканини. Тому запропонована і розроблена експоненціальна модель, котра моделює поширення оптичного випромінювання в біологічній тканині - багатошаровому середовищі, яке містить чотири складові: роговий шар (шар 1), епідерміс (шар 2), дерму (шар 3) та жирову тканину (шар 4). Світло падає на шар 1 біологічної тканини в точці x0 і після декількох розсіювань на поглинаючих частках частина падаючого світла виходить з тканини, як дифузно відбита в точці x1., інша частина на межі шарів 1 та 2 заломлюється і переходить в шар 2. Аналогічна ситуація спостерігається і надалі при поширені випромінювання в чотирьох шарах. Зауважимо, що жирова тканина моделюється як гомогенне напівнескінчене мутне середовище. Лінія описує "класичний шлях" або "най вірогідніший шлях" світла.
Обчислення Rt від багатошарового мутного середовища ведеться при умові, згідно якої падаюче і розсіяне назад світло затухає експоненціально відповідно до суми коефіцієнтів поглинання і розсіяння відповідно, ( QUOTE 1 1 у конкретному шарі.
Рис.2 Фізична картина процесу дифузного відбиття для складної експоненціальної моделі.
Коефіцієнт дифузного відбиття і-го шару розраховується як:
 QUOTE 1 1
 QUOTE 1 1 . (2)
Повний коефіцієнт дифузного відбиття розраховується як:
 QUOTE 1 1 . (3)
У відповідності до рис.2 та (3) та з урахуванням, що  QUOTE 1 1 та  QUOTE 1 1 коефіцієнти відбиття і-их шарів визначаються як:
 QUOTE 1 1 ,(4)
1
 QUOTE 1 1 ,(5)
1
 QUOTE 1 1
 QUOTE 1 ,(6)
1
 QUOTE 1 1
 QUOTE 1 1
 QUOTE 1 1 . (7)
Порівняння зазначених моделей з розробленою графічно зображене на:
Повний коефіцієнт дифузного відбиття, як функція від  QUOTE  1, обчислені для складної експоненціальної ( QUOTE 1 1 ), експоненціальної ( QUOTE 1 1 ), міграційної ( QUOTE 1 1 ) та інтегральної ( QUOTE 1 1 ) моделей.
Запропонована наступна схема реалізації методу ЛТ:
Функціонування системи, побудованої на основі наведеної схеми, здійснюється наступним чином: кожному біологічному об’єкту, в тому числі й організму людини, властиві електромагнітні поля, що властиво будь-якому метаболічному процесу, тому для з’ясування стану організму доцільно виявляти зміни його електромагнітних полів за допомогою чутника власних електромагнітних полів. Дані, отримані на початку при реєстрації цих полів, передають в систему цифрової обробки та керування, де порівнюватимуться з наступними вимірами при здійсненні лазерного впливу. Потім здійснюється електромагнітне опромінення ділянок організму мінімальної паспортної тривалості та потужності. Разом з тим здійснюється плинне відстеження оптичних параметрів біологічної тканини. Подальша обробка цих параметрів дає змогу корегувати терапевтичний електромагнітний вплив на БТ з метою виявлення необхідної дози опромінення.
Запропоновано наступну модель побудови системи лазерної терапії:
Наведена система містить чутник власних електромагнітних полів 1, який підключено до каналу електронної системи формування електричного сигналу. Канал електронної системи містить канал підсилення 7, канал реєстрації умовних торкань 8, канал небажаної ситуації 9, виходи останніх двох підключені до системи цифрової обробки сигналу та управління 18. Канал реєстрації умовних торкань виконує функцію визначення методики здійснення лазерної терапії: контактну, коли випромінюючий зонд перебуває в безпосередньому контакті з опромінюваною поверхнею; контактно-дзеркальну, коли зонд перебуває в контакті з опромінюваною поверхнею, через дзеркальне пристосування; дистантну (неконтактну) методику, коли є зазор між випромінюючим зондом і опромінюваною поверхнею. Використання каналу 8 обумовлене необхідністю адекватного сприйняття системою 18 даних про інтенсивність розсіяного назад світла.
Далі до складу системи входять канали підведення випромінювання до біологічної тканини та до фотоприймача, наприклад волоконно-оптичні, на рисунку вони позначені як 2, 3, 4, 5. Для забезпечення максимальної компактності їх можна розміщати в єдиному зонді 6. Канал 2 дозиметру оптичного випромінювання, узгоджено з системою паралельної обробки сигналів, яка складається з фотоприймача 10, вихід якого поєднаний з входом блоку підсилення 11. Сигнал з каналу 3 дозиметру оптичного випромінювання з інформацією про відбиту БТ біологічного об’єкту компоненту оптичного випромінювання подається на блок підсилення 12, вихід якого поєднаний з входом блоку обробки сигналів 13. Сигнали з блоків 11 та 12 подаються на блок 18 і, в залежності від даних обробки, блок 18 подає керуючі сигнали на блоки живлення 14 або 16 лазерів 15 або 17, які за допомогою каналів 4 або 5 зонду здійснюють опромінювання БТ БО однією або іншою довжиною хвилі (0,6328 або 0,81 мкм). Зазначимо, що канали 2, 3 та блоки 10, 12 використовуються для визначення дози лазерного випромінювання.
Зонд 6 призначений для комплексної лазерної терапії при опроміненні світловим випромінюванням двох довжин хвиль. Оцінку лазерного впливу здійснюють шляхом аналізу світлового сигналу, який характеризує оптичні параметри БТ. Канали 2, 3 зонду виконують функцію дозиметру оптичного випромінювання. Крім того, аналіз розподілу світлових полів на виході каналу 2, 3 дає можливість описувати зміну оптичних параметрів біологічної тканини для подальшого порівняння з даними, зареєстрованими під час проведення опромінювання.
Світлове монохроматичне випромінювання надходить на БТ від джерела випромінювання, оптично узгодженого з світловодами каналів 4, 5.
Оптичним зондом 6 проводиться спостереження за станом БТ, у даному випадку працюють магнітоіндукційний чутник 1 та канал 2. На основі отриманих результатів в блоці 18 здійснюється вмикання одного з каналів та проводиться опромінювання певної довжини хвилі та певної потужності. Одночасно з опромінюванням відбувається плинне спостереження каналами 2, 3 за зміною оптичних характеристик БТ, яка опромінюється. Канали 2, 3 в залежності від зареєстрованих сигналів, що характеризують повний або часткові коефіцієнти дифузного відбиття, здійснює за допомогою блока 18 керування потужності та черговості дії лазерного випромінювання. Таким чином провадиться адаптивний механізм роботи запропонованої системи.
У третьому розділі описано принципи вимірювання, аналізу та застосування властивостей лазерного випромінювання у медицині, що базується на використанні широкого кола явищ, пов’язаних із різноманітними проявами взаємодії цього випромінювання з БТ.
У відповідності до запропонованої моделі поширення оптичного випромінювання в багатошарових біологічних тканинах, відстеження розсіяного назад лазерного випромінювання проводиться на ділянці [х1; х4 QUOTE  QUOTE 1 1 ]. Тому для повного аналізу динаміки змін оптичних характеристик окремих шарів біологічної тканини, а відтак і загальних тенденцій в оцінці впливу лазерного випромінювання на БТ, розроблено принципи побудови чутника реєстрації розсіяного назад лазерного випромінювання, який забезпечить функціонування в зазначеній геометрії значень. Для цього у якості чутника оптичного випромінювання може використовуватись фотометрична головка у вигляді еліпсоїда обертання (Рис.6). Дана фотометрична головка розроблена для покращення енергетичних оптичних характеристик досліджуваного потоку випромінювання, відбитого від БТ. У фокальних площинах цього дзеркала розміщені відповідно досліджувана БТ та приймач випромінювання, що дозволяє ефективніше концентрувати відбите випромінювання на приймачі випромінювання. Така конструкція чутника оптичного випромінювання забезпечує реєстрацію всіх часткових коефіцієнтів дифузного відбиття, які характеризують оптичні властивості окремих шарів біологічної тканини.
Позаяк значна частина лазерного випромінювання, яку спрямували в БТ, розсіюється та поглинається в другому шарі (рис.2), розроблено конструкцію електромагнітної волоконно-оптично системи лазерної терапії, що дозволяє аналізувати динаміку зміни другого часткового коефіцієнту дифузного відбиття (5). Система терапії знаходиться в стані присутності умовного контакту між БТ і комплексним чутником, тобто щілині величиною z між чутливими елементами системи реєстрації торкання. Виникаючі при цьому електромагнітні поля реєструють індукційними чутниками 1 (рис.7) встановлені в опромінюючому зонді системи, яка пропонується.
Рис.7 Опромінюючий зонд: 1 – індукційний відчутник; 2, 3 - світловоди відведення випромінювання від червоного та інфрачервоного лазерів відповідно; 4, 5 – світловоди передачі розсіяного БТ ЛВ до ФП; 6 – зонд.
На базі функціональних та принципових схем побудовано та досліджено периферійні модулі системи ЛТ. Виконано дослідження експериментально зразка системи, який функціонально призначений для акупунктурної ЛТ на підставі апаратного аналізу біологічно активних точок.
Як досліджувальну ділянку тіла використано першу фалангу мізинця пацієнту. Біологічно активні зони (акупунктурні точки) належать меридіану, який характеризує серцево-судинну систему організму людини. Пошук точок здійснювався за допомогою методу Фоля. Було досліджено 63 пацієнта віком від 18 до 30 років. Дванадцять пацієнтів скаржилися на певні болі в серці, з медично встановленими діагнозами захворювання серцево-судинної системи N = (1 - 12) (Таблиця 1). Після опромінювання точки C(V) 9 на протязі 30 с виміряні значення напруженості електромагнітного поля довели, що стимульоване електромагнітне поле організму для практично здорових людей збільшується помітно, в той час як для хворих значення напруженості електромагнітного поля навіть зменшено, тобто потрібно підбирати інші інтервали часу для стимуляції. Проте зареєстровані результати характеристик полів доводять помітний вплив лазерного випромінювання на БТ, що дозволяє ввести показник адекватності у вигляді знаку зміни параметрів організму людини. Збільшення величини напруженості електромагнітного поля після короткотривалого лазерного впливу свідчить про збудження середовища акупунктурної точки, що дозволяє припустити, що таким чином "вмикаються" захисні редути організму, або певного органу чи системи, яка до цього впливу знаходилася у стані рівноваги.
Окрім вищезазначених, були отримані характеристичні залежності параметрів лазерної терапії від ряду фізичних характеристик організму людини та її антропологічних даних. Опрацювання та аналіз цих експериментальних досліджень дозволяють припустити відсутність жодних закономірностей в характері процесів зміни електромагнітних полів організму людини за та без присутності стимульованого лазерного впливу. Це доводить гіпотезу про виняткову залежність величин електромагнітних полів організму людини від стану, в якому, власне, і знаходиться організм (окремий орган або система).
Таблиця 1 Виміри напруженості БТ до та після процедури акупунктурної ЛТ, ф=30 с. ЕРС 11 – значення до ЛТ в першій парній точці,
ЕРС 12 – значення після ЛТ в першій парній точці,
ЕРС 21 – значення до ЛТ в другій парній точці,
ЕРС 22 – значення після ЛТ в другій парній точці.
У четвертому розділі запропоновано та обґрунтовано загальний алгоритм роботи та методику функціонування системи в цілому. При цьому деякі фрагменти цього алгоритму призначені для використання при здійсненні окремих функцій модулів загальної системи, тобто досягається багатофункціональність запропонованої системи. Зазначено особливості функціонування системи лазерної терапії за системним підходом.
Спостереження за дійсним станом БТ є необхідним за певний проміжок часу до проведення процедури опромінювання та після неї для можливої корекції впливу електромагнітних полів. При цьому можуть спостерігатися як позитивні, так і негативні випадки стану, який досліджується. Таким чином, функціонування системи ЛТ обумовлене операціями здійснення спостереження за БАТ та на його основі визначення параметрів лазерного випромінювання, повторне спостереження та прийняття рішення на корекцію режимів опромінювання або на зупинку опромінювання внаслідок небажаної ситуації, що сталася.
Робота системи розпочинається з вводу даних про пацієнта, який, наприклад, підлеглий опромінюванню з метою лікування та моніторингу його плинного стану під час проведення лікувальної процедури. При цьому, як правило, необхідно врахувати відомості про стать, вік, загальний діагноз для визначення необхідних для опромінювання ділянок організму. Згідно відповідних відомостей, атласів тощо визначають потрібний біологічно активний меридіан та номери двох точок, за якими проводитиметься спостереження та вплив, тобто виконання активних та пасивних функцій чутників електромагнітних полів.
Надалі опрератору необхідно внести наступні комплексні дані, з використанням яких можливе плинне спостереження для висновку про стан даної БТ: межове значення коефіцієнту відбиття світлового lЧ випромінювання Кмеж; межове значення коефіцієнту відбиття світлового lІЧ випромінювання Кмеж для визначення відстані від поверхні об’єкту; межове значення параметру DUЕМмеж напруженості електромагнітного поля; час Т експозиції процедури lЧ опромінювання; потужність UN пасп lN випромінювання.
Наведений алгоритм передумовлює, що проводиться спостереження при здійсненні лікувальної процедури опромінювання відповідної діагнозу БАТ1 або БАТ2 лазерним випромінюванням низької інтенсивності з довжиною хвилі, наприклад, lЧ=0,6328 мкм. При цьому БАТ1 та\або БАТ2 меридіану спостерігається плинно під час всєї процедури для висновку про стан БТ.
Сприятливість біологічних структур до низько енергетичного випромінювання всього оптичного діапазону обумовлена наявністю сукупності специфічних і неспецифічних фото акцепторів, котрі поглинають енергію цього випромінювання та забезпечують її трансформацію при біофізичних і біохімічних процесах. Це випромінювання призводить до виникнення в тканинах та органах БО ефектів, пов’язаних з безпосередньою і опосередкованою дією електромагнітних полів оптичного діапазону.
У висновках викладено основні результати дисертаційної роботи, розкрито їх наукову та практичну цінність. Підтверджено досягнення поставленої мети, розкрита практична цінність вирішених задач.
У додатках наведено технічні характеристики сучасних приладів лазерної терапії, джерел та приймачів лазерного випромінювання, графіки характеристичних залежностей параметрів лазерної терапії від ряду фізичних характеристик організму людини та її антропологічних даних, фотографії електромагнітної волоконно-оптичної системи лазерної терапії, алгоритми роботи системи ЛТ та окремих її модулів, а також протоколи клінічної апробації експериментального зразка системи адаптивної лазерної терапії.

Основні результати роботи

У дисертаційній роботі обґрунтовано, теоретично проаналізовано і експериментально доведено важливість реалізації методу та системи лазерної терапії. При цьому отримані такі наукові та практичні результати:
Розроблено новий метод лазерної терапії на основі принципу адаптивного здійснення терапевтичних процедур, що дозволяє створити високоефективні пристрої ЛТ з функціями аналізу оптичних та електромагнітних характеристик БТ.
Створено експоненціальну модель поширення оптичного випромінювання в багатошаровій БТ, що дозволяє визначити поверхневі координати точок реєстрації часткових коефіцієнтів дифузного відбиття від окремих шарів БТ.
На основі розроблених нових принципів побудови чутників власних електромагнітних полів та оптичного випромінювання реалізовано електромагнітну волоконно-оптичну адаптивну систему лазерної терапії, яка дозволяє підвищити ефективність здійснення ЛТ за рахунок аналізу зміни напруженості електромагнітного поля БТ та коефіцієнту дифузного відбиття епідермісу в зоні опромінення. Клінічними випробуваннями показано, що у хворих на серцево-судинні захворювання при проведенні акупунктурної ЛТ напруженість електромагнітного поля зменшується на 8-40% на протязі часу процедури, в той час як у умовно здорових людей цей параметр або не змінюється, або збільшується.
Запропоновано схемотехнічне рішення електромагнітної адаптивної системи лазерної терапії, реалізація якої дозволить здійснити аналіз оптичних характеристик окремих шарів багатошарової біологічної тканини під час проведення процедур ЛТ.

список опублікованих наукових праць за темою дисертації

1.           Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Скицюк В.І. Моделювання автоматизованої системи реєстрації та моніторингу біотехнічних об’єктів // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2003. – Т.1. №4/2003 (21). – С.116-121.
2.           Здобувачу належить розробка схемотехнічної моделі автоматизованої системи реєстрації та моніторингу біотехнічних об’єктів.
3.           Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С. Розробка класифікатора засобів моніторингу біотехнічних об’єктів // Вісник НТУУ “КПІ” серія приладобудування. – 2003. – №26. – С.131-138.
4.           Здобувачу належить систематизація та створення класифікації засобів моніторингу біотехнічних об’єктів.
5.           Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С. Метод комплексної діагностики плинного стану біотехнічних об’єктів (Частина 1) // Вісник НТУУ “КПІ” серія приладобудування. – 2004. – №28. – С.145-150.
6.           Здобувачу належить розробка методу комплексної діагностики плинного стану біотехнічних об’єктів.
7.           Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Метод комплексної діагностики плинного стану біотехнічних об’єктів (Частина 2) // Вісник НТУУ “КПІ” серія приладобудування. – 2004. – №29. – С.150-157.
8.           Здобувачу належить розробка методу комплексної діагностики плинного стану біотехнічних об’єктів.
9.           Безуглый М.А., Клочко Т.Р., Тымчик Г.С. Исследование системы параметров мониторинга биотехнических объектов // Вісник Черкаського ДТУ. – 2005. – №3. – С.88-91.
10.      Здобувачу належать теоретичні та експериментальні дослідження системи спостереження за станом біотехнічних об’єктів.
11.      Пат.58107 України, МКІ7 А61В5/00. Спосіб та обладнання комплексної діагностики та лікування. Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Скицюк В.І., Тимчик Г.С. - №2002107876, Заявл.03.10. 2002. Опубл.15.07. 2003, Бюл. №7.
12.      Здобувачу належить розробка функціональної схеми та принципу функціонування системи комплексної діагностики та лікування.
13.      Пат.61635 України, МКІ7 G01N21/47. Дозиметр оптичного випромінювання. Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Циганков А.Т. - №203032423, Заявл. 20.0302003. Опубл.17.11. 2003, Бюл. №11.
14.      Здобувачу належить розробка дозиметра оптичного випромінювання та теоретичних засад його функціонування.
15.      Пат.66202 України, МКІ7 А61B 5/00. Обладнання комплексної діагностики та лікування. Безуглий М.А., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Скицюк В.І. - №2003087668, Заявл.13.08. 2003. Опубл.15.04. 2004, Бюл. №4.
16.      Здобувачу належить розробка схемотехнічної моделі автоматизованої системи реєстрації та моніторингу біотехнічних об’єктів.
17.      Пат.6597 України, МКІ7 А61B 5/00. Обладнання комплексної діагностики та лікування. Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Скицюк В.І. - №20041008308, Заявл.13.10. 2004. Опубл.16.05. 2005, Бюл. №5.
18.      Здобувачу належить розробка схемотехнічної моделі автоматизованої системи реєстрації та моніторингу біотехнічних об’єктів.
19.      Пат.10194 України, МКІ7 А61B 5/00. Спосіб неінвазивної комплексної діагностики. Клочко Т.Р., Безугла Н.В., Безуглий М.О., Тимчик Г.С. - №u200501981, Заявл.03.03. 2005. Опубл.15.11. 2005, Бюл. №11.
20.      Здобувачу належить розробка способу неінвазивного аналізу біологічних тканин.
21.      Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С. Оптичний метод та пристрій інформодіагностики стану біотехнічного об’єкту // Інформаційна та негентропійна терапії. – 2003. – №1. – С.12-13.
22.      Здобувачу належить розробка схемотехнічної моделі автоматизованої системи реєстрації та моніторингу біотехнічних об’єктів.
23.      Безуглый М.А. Системы мониторинга биологических объектов // V міжнародна молодіжна науково-практична конференція "Людина та космос" 16-18 квітня 2003 р. – Дніпропетровськ; Дніпропетровськ; НЦАОМУ, 2003. – С.188
24.      Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Циганков А.Т. Д.озиметр оптичного випромінювання // Науково-технічна конференція "Приладобудування 2003: підсумки і перспективи" 2003 р. – Київ; К.; Політехніка, 2003. - С.142.
25.      Здобувачу належить розробка дозиметра оптичного випромінювання та теоретичних засад його функціонування.
26.      Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Засоби моніторингу біологічних об’єктів // Науково-технічна конференція "Приладобудування 2003: підсумки і перспективи" 2003 р. – Київ; К.; Політехніка, 2003. - С.144.
27.      Здобувачу належить систематизація та створення класифікації засобів моніторингу біотехнічних об’єктів.
28.      Безуглий М.О. Математичне моделювання функціонування системи моніторингу біологічного об’єкту VІ міжнародна молодіжна науково-практична конференція "Людина та космос" 14-16 квітня 2004 р. – Дніпропетровськ; Дніпропетровськ; НЦАОМУ, 2004. – С.122.
29.      Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С., Дослідження ефектів розсіювання автоматизованим комплексом моніторингу біотехнічних об’єктів // Науково-технічна конференція "Приладобудування: підсумки і перспективи" 2004 р. – Київ; К.; Політехніка, 2004. - С.144.
30.      Здобувачу належить розробка математичної моделі світлорозсіяння лазерного випромінювання в біологічних тканинах.
31.      Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Тимчик Г.С. Особливості функціонування системи моніторингу стану біотехнічного об’єкту за системним підходом // Науково-технічна конференція "Приладобудування: підсумки і перспективи" 2005 р. – Київ; К.; Політехніка, 2005. - С.217-219.
32.      Здобувачу належать теоретичні та експериментальні дослідження системи спостереження за станом біотехнічних об’єктів.
33.      Безуглий М.О., Клочко Т.Р., Шиша Т.О. Пристрій сканування для системи діагностики // Науково-технічна конференція "Приладобудування: підсумки і перспективи" 2005 р. – Київ; К.; Політехніка, 2005. - С.220-221.
34.      Здобувачу належить розробка алгоритму функціонування модулів системи діагностики.

Анотація

Безуглий М.О. Метод та система адаптивної лазерної терапії. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 – Біологічні та медичні прилади і системи. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ, 2008 р.
Дисертація розглядає питання розробки методів та засобів лазерної терапії із застосуванням біологічного зворотного зв’язку за двома групами параметрів. У роботі виконано медико-експериментальне дослідження впливу лазерного випромінювання на зміну інформативних показників власних та оптичних характеристик біологічної тканини та доведено доцільність використання як сигналів зворотного зв’язку напруженості електромагнітного поля та коефіцієнтів (повного та часткових) дифузного відбиття біологічної тканини. На основі досліджень параметрів електромагнітного випромінювання біологічної тканини в різних діапазонах запропоновано нові принципи побудови чутників власних та оптичних полів, а також системи адаптивної лазерної терапії. Cтворено алгоритм функціонування електромагнітної волоконно-оптичної системи адаптивної лазерної терапії, її периферійних модулів, що передбачає механізм настройки параметрів дози лазерного випромінювання в залежності від функціонального стану пацієнта в даний проміжок часу.
Ключові слова: лазерна терапія, біологічний зворотний зв’язок, лазеротерапевтична апаратура, біологічна тканина, коефіцієнт дифузного відбиття, напруженість електромагнітного поля.

the summary

Bezuglyy M. O. Method and system of adaptive laser therapy. - Manuscript.
The dissertation for a scientific degree of the candidate of engineering sciences by speciality 05.11.17 - Biological and medical devices and systems. - National technical university of Ukraine "Kiev polytechnic institute", Kiev, 2008.
Dissertation is devoted by the question of development of methods and facilities of laser therapy with application of biological feedback after two groups of parameters. The medical-experimental research about influencing of laser radiation is executed on changing of informing indexes own and optical descriptions of biological tissue and expedience of the use is well-proven at quality of signals of feed-back of tension of the electromagnetic field and coefficients (complete and partial) of diffuse reflection of biological tissue. On the basis of researches of parameters of electromagnetic radiation of biological tissue in different ranges new principles of construction of sensors are offered own and the optical fields, and also system of adaptive laser therapy. Developed algorithm of functioning of the electromagnetic fibres system of adaptive laser therapy, its peripheral modules, that foresees the mechanism of tuning of parameters of dose of laser radiation depending on the functional state of patient in the interval of time is given.
Keywords: laser therapy, biological feedback, laser therapy devices, biological tissue, coefficient of diffuse reflection, strain of the electromagnetic field.

аннотация

Безуглый М.А. Метод и система адаптивной лазерной терапии. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 – Биологические и медицинские приборы и системы. – Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2008 г.
Диссертация посвящена вопросам разработки методов и средств лазерной терапии с использованием биологической обратной связи по двум группам параметров. Анализ существующих аппаратов лазерной терапии показывает, что большинство из них работает по принципу однонаправленного управления. Подобное управление дозой лазерного облучения не учитывает индивидуальные физиологические параметры пациента и его функциональное состояние во время терапевтической процедуры. Следствием этого является снижение лечебного влияния лазерного излучения и потому возникает необходимость создания аппаратов лазерной терапии с обратной связью от пациента.
Обратная связь в виде совокупности сигналов, которые поступают от пациента до и во время проведения процедуры лазерной терапии, дает возможность изменять режимы в процессе сеанса для достижения максимального лечебного эффекта. В работе выполнено медико-экспериментальное исследование влияния лазерного излучения на изменение информативных показателей собственных и оптических характеристик биологической ткани и доказана целесообразность использования в качестве сигналов обратной связи напряженности электромагнитного поля и коэффициентов (полного и частных) диффузного отражения биологической ткани. На основе исследований параметров электромагнитного излучения биологической ткани в разных диапазонах предложено новые принципы построения датчиков собственных и оптических полей, а также системы адаптивной лазерной терапии.
Предложен новый метод проведения процедур лазерной терпи, сущность которого состоит прежде всего в соответствующей подготовке участка биологической ткани к облучению, последовательном определении параметров электромагнитного поля до облучения и во время него, а также в принятии решения о продолжении, окончании или изменении режима лазерной терапии. Изменение режима подразумевает коррекцию параметрами дозы лазерного излучения.
Разработана экспоненциальная модель распространения оптического излучения в многослойной биологической ткани, которая позволяет прогнозировать область регистрации частных коэффициентов диффузного отражения. Значения этих коэффициентов несут в себе информацию об измененных под действием лазерного излучения оптических свойствах отдельных слоев биологической ткани.
Создан алгоритм функционирования электромагнитной волоконно-оптической системы лазерной терапии, ее периферийных модулей, который предусматривает механизм настройки параметров дозы лазерного облучения в зависимости от функционального состояния пациента в конкретный отрезок времени.
Разработана и экспериментально апробирована система лазерной терапии, которая содержит лазеротерапевтическое устройство с волоконно-оптическим и электромагнитным периферийными модулями.
Клинические исследования показали эффективность разработанного метода и системы при проведении терапии у пациентов с заболеваниями сердечнососудистой системы. Тенденциозность изменения отдельных групп параметров задействованной обратной связи свидетельствует о возможности использования разработанной системы в диагностических целях.
Ключевые слова: лазерная терапия, биологическая обратная связь, лазеротерапевтическая аппаратура, биологическая ткань, коэффициент диффузного отражения, напряженность электромагнитного поля.