міністерство освіти і науки україни

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Гемба Володимир Миколайович

УДК 615.84

Прилади комплексного впливу електромагнітними полями для фізіотерапії
ран м’яких тканин.

05.11.17 – Біологічні та медичні прилади і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ХАРКІВ – 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національному технічному університеті України “КПІ” та
Харківському національному університеті радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Мустецов Микола Петрович

Харківський національний університет радіоелектроніки

професор кафедри біомедичних електронних пристроїв і систем

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Манойлов В’ячеслав Пилипович

Житомирський технічний університет

Міністерства освіти і науки України

завідувач кафедри медичних приладів та систем

Кандидат технічних наук, доцент Волков Володимир Михайлович

Харківський національний університет радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України

доцент кафедри метрології та вимірювальної техніки

Провідна організація:

ВАТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань, м. Харків

Національне космічне агентство України

секція “Медичні прилади та вимірювальні системи. Космічна медицина”

Захист відбудеться “30” червня 2006 року о 15 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради К.64.052.05 Харківського національного
університету радіоелектроніки (ХНУРЕ) за адресою:

61166 Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ХНУРЕ за адресою:

61166, Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “___” _____________2006г.

Вчений секретар

М.М Рожицький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Галузь досліджень впливу різноманітних
електромагнітних хвиль на процес загоєння ран м’яких тканин залишається
недостатньо розробленою і технічно забезпеченою, незважаючи на
важливість даної проблеми для прикладної медицини. В існуючих
фізіотерапевтичних приладах (ФТП) на основі опромінювання
низькоінтенсивними неіонізуючими електромагнітними полями (ННЕМП)
застосовують лише окремі типи хвиль і не забезпечують необхідну
ефективність лікування. Також на даний час відсутні математичні моделі
процесів, що відбуваються в біологічних тканинах при дії на них
електромагнітних полів (ЕМП), що є перешкодою для проведення
широкомасштабних теоретичних досліджень та створення нових, більш
ефективних приладів. Залишається відкритим питання про склад ефективних
параметрів (ЕФП) ЕМП та відсутність методик їх добору. На практиці
керуються довільним, технічно доступним добором ЕФП з подальшою їх
мінімізацією шляхом клінічних досліджень. При зростанні кількості
параметрів (типовий випадок – комплексний вплив) такий підхід потребує
занадто значних організаційних, економічних та технологічних витрат. У
зв’язку з цим проведення модельних досліджень буде сприяти створенню
нових приладів та обґрунтуванню медико-технічних вимог до них.

Таким чином, розробка нових фізіотерапевтичних методів та приладів для
лікування ран м’яких тканин на основі використання більш складних
комплексних ЕМП, оптимізація параметрів цих полів, аналіз їх впливу на
тканини та обґрунтування медико-технічних вимог до нових приладів є,
безумовно, актуальною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати
досліджень були використані в ряді наукових тем, які проводились в НТУУ
“Київський політехнічний інститут”, зокрема: НДР №2168 “Дослідження
електромагнітних полів у терапії та діагностиці людини”; НДР №2892
“Неінвазивний аналізатор крові” ДКР д/б №2048 “Дослідження та розробка
методів та засобів НЧ-фізиотерапії електромагнітними полями”; ДКР №2269
“Дослідження та теоретичне обґрунтування методів та засобів адаптивної
магнітолазеротерапії”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка та дослідження
апаратно-методичного забезпечення процесу лікування ран м’яких тканин
людини на основі комплексного застосування низькоінтенсивних
електромагнітних полів.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі основні задачі.

— розробка математичної моделі процесів, що відбуваються в ранах м’яких
тканин при опроміненні їх постійними, змінними та стохастичними
електромагнітними полями, а також комбінацією полів різних типів, та
сформулювати на їх основі вимоги що до комбінації типів полів.

— розробка методології, способів та відповідних приладів для вимірювання
окремих складових електромагнітних полів;

— розробка нових підходів до проблеми добору модельних експериментальних
об’єктів;

— розробка принципів побудови приладів комплексної дії на біологічні
об’єкти, створення та випробовування дослідних взірців приладу;

— розробка рекомендації щодо структури та параметрів приладів
комплексної дії електромагнітними полями на біотканини.

Об’єктом дослідження є процес впливу комплексу низькоінтенсивних
неіонізуючих ЕМП на рани м’яких тканин.

Предметом дослідження є математичні та фізичні моделі біологічного
об’єкту, на який впливає ННЕМП, пристрій для створення комплексного
поля, та спеціалізовані щодо предметної області первинні перетворювачі
електромагнітного поля.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених у роботі задач використано
методи математичного моделювання, апарат теорії електродинаміки,
фрактальних множин, хаотичної динаміки, випадкових процесів. При
розробці первинного перетворювача використано основні положення теорії
електромагнітних випромінювань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в даній роботі
було запропоновано, теоретично обґрунтовано та апробовано принципово
новій підхід до створення ефективних методів і приладів для лікування
ран м’яких тканин людини ННЕМП, а саме:

— отримала подальший розвиток нелінійна динамічна математична модель,
атрактори та фрактали, яка описує вплив ННЕМП на біоорганізми, що
дозволило підтвердити ефективність дії електромагнітних полів на
патологічні процеси в м’яких тканинах;

— розроблено новий підхід до вибору адекватних модельних об’єктів, на
основі аналізу впливу ЕМП на процеси в біооб’єктах, що дозволило
визначати ефективні параметри ЕМП при лікуванні ран м’яких тканин до
клінічних випробовувань;

— розроблено спосіб вимірювання окремих складових ЕМП в ближній зоні
випромінювача при наявності об’єкта, що дало змогу підтвердити більшу
ефективність комплексного впливу полів щодо лікування ран;

Практичне значення одержаних результатів. Вперше запропоновано для
практичної медицини метод лікування ран м’яких тканин людини на основі
використання комплексів ННЕМП, до складу яких входить стохастичне
низькочастотне електричне поле з обмеженим спектром.

Розроблено прилад що формує комплекс з постійного та змінного магнітного
полів, квантового випромінювання та стохастичного електричного поля для
лікування ран м’яких тканин людини та методики його використання;

За запропонованими методиками реалізовано універсальний, для
застосування в спеціалізованих медичних центрах і проведення досліджень
та спеціалізований прилад, для лікування ран м’яких тканин людини шляхом
застосування комплексів ННЕМП. Проведені клінічні іспити
спеціалізованого приладу на базі Київської обласної клінічної лікарні №1
та клінічної лікарні “Феофанія” (акти впровадження).

Математичні моделі поведінки об’єктів при комплексній дії ЕМП, методики
створення фізіотерапевтичних приладів, способи вимірювання окремих
складових ЕМП в ближній зоні, впроваджено в навчальний процес кафедри
фізичної та біомедичної електроніки НТУУ “КПІ” та кафедри біомедичних
електронних пристроїв та систем ХНУРЕ (акти впровадження).

Особистий внесок здобувача. В роботах, що опубліковані у співавторстві,
здобувачу належить наступне. В [4] – розробка дослідного пристрою, ідея
та проведення досліджень, методика вимірювань, аналіз результатів. В [5]
– методика проведення досліджень, аналіз результатів, ідея дослідження.
В [6] – аналіз основних нелінійних реакцій БО на вплив ННЕМП. В [7] –
автором запропоноване комплексне використання ННЕМП в описаній
комбінації. В [8, 9] – методологія проведення досліджень, вибір та
підготовка об’єктів дослідження, проведення досліджень, аналіз отриманих
результатів. В [10] –вибір діапазону ефективних параметрів приладу,
аналіз механізмів взаємодії. В [11] – пропозиції щодо механізмів впливу
та висновки по принципам приладової реалізації. В [12] – модель
розподілу енергетичних процесів в організмі людини як сукупність
багатофазних атракторів. В [13, 14] – блок-схема приладу, вибір
діапазону параметрів, аналіз можливих механізмів взаємодії. В [15] –
принципи побудови електронної терапевтичної апаратури, аналіз актуальних
проблем цієї галузі.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених теоретичних і
експериментальних досліджень апробовані на Міжнародній науково-технічній
конференції “Проблеми фізичної і біомедичної електроніки”, Київ, 1996 —
1998 рр.; IX Міжнародній науково-практичній конференції “Застосування
лазерів у медицині і біології”, Ялта, 1997 р.; Українській конференції
“Організація системи якості медичної допомоги, медичних послуг населенню
із застосуванням інформаційних технологій”, Київ, 1999р.; 4-й
Міжнародній науково-практичній конференції “Творчість як предмет
міждисциплінарних досліджень і навчання”, Київ, 1997 р., XIV Міжнародній
науково-практичній конференції “ Інформаційні технології: наука,
техніка, технологія, освіта, здоров’я”, Харків, 2006р. Основні ідеї
роботи обговорювались та викладено в відповідних матеріалах на наукових
семінарів кафедри ФБМЕ НТУУ “КПІ” .

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 17 роботах, із
них: 12 – статті в наукових збірках, що входять до переліку ВАК, 2
патенти України, 3 доповіді в матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів,
висновків та додатків. Обсяг дисертації – 242 сторінки (додатки 66
сторінок), ілюстрована 41 рисунком та містить 133 літературних
посилання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність та стан наукової проблеми, показана її
значимість та актуальність для вирішення проблем медичного
приладобудування, а також представлено загальну характеристику роботи.

У першому розділі наводиться критичний огляд літературних даних щодо
сучасного стану фізіотерапевтичних приладів для впливу
низькоінтенсивними ЕМП на рани тканин людини. Відомі методи та прилади
засновані на формуванні магнітних полів (МП), квантового випромінювання,
ЕМП вкрай високих частот (ВВЧ). Менше досліджений вплив комплексів
низькоінтенсивних ЕМП на БО, відсутня єдина методика проведення
досліджень. Складність проблеми полягає в тому, що поняття “норми” з
точки зору метрології не формалізовано, реакція тканини на вплив ЕМП
інтегрована; процес загоєння ран багатостадійний. У зв’язку з цим
необхідно визначити: характеристики об’єкту, які слід корегувати чи
отримати в результаті впливу ЕМП; ефективні параметри ЕМП; особливості
структури приладів та їх застосування в лікувальному процесі.

На основі аналізу літературних даних проведено класифікацію впливу ННЕМП
на БО: за способом прояву дії поля; за параметрами поля; за впливом на
окремі складові БО; за способом впливу; за характером впливу.

Результати аналізу показали, що низькоінтенсивні МП ефективні для
лікування ран м’яких тканин людини, але більш перспективним виявляється
використання комплексів з постійного та змінного МП, при цьому
пропонується постійне поле розглядати як фактор, що вносить деяку
напруженість у біосистему, а змінне – як фактор, що модулює цю
напруженість (під напруженістю в даному випадку розуміємо відхилення
деякого процесу від стану, за яким він протікав за відсутності впливу).
Основні проблеми приладової реалізації пов’язані з значними
масогабаритними характеристиками випромінювача МП (особливо для ран
значної площі) та його значним тепловиділенням, з необхідністю
формування специфічного розподілу поля для ран різної форми та
локалізації. У випадку опіків, коли локалізація рани здебільшого
паралельна поверхні тіла, бажано мати рівномірний розподіл поля на
глибину від 0 до 7 мм з лініями рівної напруженості, паралельними
поверхні тіла.

Квантове випромінювання також ефективне для лікування ран. Однак
реалізація приладів з комплексним використанням квантового та іншого
випромінювання пов’язана з рядом проблем, особливо в частині
переключення діапазонів, регулювання параметрів, масогабаритних
характеристик та способу обробки значних за площею ран.

Найбільш широко застосовуються в медичній практиці прилади, що
використовують випромінювання ВВЧ. Відомі три групи гіпотез щодо
механізму впливу. Перша спирається на фізичну можливість виникнення в
клітинних мембранах трансформації енергії; друга пов’язує дію ВВЧ
випромінювання з поглинанням його біологічними речовинами, зміною
кластерної і гідратаційної структури води з наступним переходом через
гідратаційний механізм до змін поведінки мембранних рецепторних білків;
третю пов’язують з інформаційно-хвильовою природою впливу.
Низькоінтенсивне ВВЧ випромінювання ефективне для лікування ран, але
його використання, особливо в комплексі з іншими ННЕМП, потребує
вирішення цілого ряду наукових та технічних проблем, в тому числі
створення широкодіапазонного малогабаритного генератора та передача
випромінювання від генератора до робочої зони тощо.

Слід відзначити, що сучасні дослідження ефективних параметрів
проводилися, як правило, методом клінічних випробувань з наступною
оцінкою ефективності та визначенням оптимальних параметрів впливу. При
збільшенні числа параметрів (випадок комплексного поля) такий підхід не
може бути ефективним, бо потребує багато часу, значних фінансових та
організаційних витрат. Тому особливе значення мають: розробка
математичних моделей процесів, що відбуваються в БО в результаті впливу
ЕМП, в тому числі комплексного; оцінка на основі моделей ефективних
параметрів поля; розробка рекомендацій щодо структури і характеристик
приладів. Для цього процес загоєння ран будемо розглядати як складний
багатостадійний процес: утворення сукровиці (розчини іонів різної маси
та солі), загустіння (колоїдний розчин із значною кількістю великих
біомолекул); наростання нових клітин, грануляція рани.

Аналіз показав, що вплив ННЕМП не створює в організмі нових
фізико-хімічних реакцій, але вносить зміни в існуючі. Визначено, що
низька енергетика впливу не є принциповою перешкодою для внесення змін в
біологічні процеси. Можливість таких змін обумовлена сукупністю ефектів
та нелінійними процесами у БО. Внесені зміни в модельному представленні
відображаються зміною флуктуаційної складової природних біологічних
процесів. Для моделювання змін динаміки біологічних процесів
запропоновано використовувати модифіковану модель Лоренца (атрактори)
при варіації в ній коефіцієнтів на постійну величину (модель впливу
постійним полем), за періодичним законом (модель впливу змінним
періодичним полем) та за хаотичним законом (модель впливу хаотичним
полем). Для моделювання змін в структурі об’єкта запропоновано
використовувати модель Мандельброта (фрактали). Критерієм “норми”
вважається стан, коли атрактор переходить до квазістаціонарної орбіти, в
якій хаотична складова значно менша за основну, а критерієм ефективності
впливу вважається випадок, коли виникають переходи від однієї орбіти до
іншої.

Таким чином, з проведеного аналізу випливає, що найбільш значимими
об’єктами дослідження слід вважати вибір типу полів та їх комбінацій
(комплексів) з подальшим уточненням параметрів (частоти, амплітуди, часу
впливу), а вже на основі цього слід формулювати вимоги до приладів.
Запропонована методика спрямована на визначення ефективних параметрів
ЕМП шляхом математичних та фізичних модельних досліджень з подальшим
проведенням експериментальних досліджень на БО.

У другому розділі, на основі запропонованих моделей, обґрунтовано
принципи добору комплексів ефективних параметрів та проведено аналіз
розподілу поля Е-типу в робочій зоні випромінювача (ВП) малих розмірів.
Початкова модель Лоренца, що описує еволюцію біосистеми, має вигляд
системи рівнянь:

(1)

де ?, r, b – безрозмірні константи процесу;

x(t), y(t), z(t) – функції, що описують процес у координатах x, y, z.

Модель (1) була проаналізована для трьох випадків. В першому —
“класичному” випадку (? = 10, b = 8/3, r = 28), проаналізована
придатність моделі. Для опису біоорганізму на мікрорівні більш
характерний другий випадок – “дивний” атрактор (? = 10, b = 8/3, r =
56). Третій випадок — звичайний атрактор (? = 4, b = 16, r = 40),
характеризує поведінку біосистеми на макрорівні. Критерієм “норми”
вважали стан, коли атрактор переходив до деякої квазіперіодичної орбіти,
у якій хаотична складова була набагато менша за основну.

З метою урахування впливу зовнішнього ННЕМП, модель була модифіковано.
Додатково введені: періодична функція аcos(2?ft) – модель впливу
періодичним полем; додатковий постійний коефіцієнт с – модель впливу
постійним полем; випадкова функція Random[0\1] – модель впливу хаотичним
полем. Модифікована модель, яка досліджувалась для першого випадку має
вигляд:

(2)

де а та f – амплітуда і частота періодичного ННЕМП, відповідно;

d – амплітуда хаотичного ННЕМП;

За граничні умови моделі (2 ) прийнято: x(0)=0, y(0)=0, z(0)=0,
t=[0…26].

Для аналізу поведінки біосистеми на мікро — та макрорівнях модифікована
модель має вигляд:

(3)

Були проведені модельні дослідження еволюції біосистеми на мікро — та
макрорівнях по моделі (3). Для мікро рівня взято граничні умови: x(0) =
0, y(0) = 1, z(0) = 0, t = [0…18]. Для третього випадку — x(0) = 0, y(0)
= 1, z(0) = 0, t=[0…20].

Аналіз результатів модельних досліджень показав, що реакція системи в
основному зводиться до переходу на нові квазіперіодичні орбіти, з іншим
співвідношенням між періодичною та хаотичною складовою, параметри нової
орбіти залежать від параметрів впливу та початкового стану об’єкта. При
використанні постійного та змінного полів також спостерігається реакція
системи на зміну параметрів полів, однак добір ефективних параметрів
дуже ускладнений (навіть на моделях). Хаотичне поле виявляється
ефективним тільки у випадку, якщо має обмежений амплітудно-частотний
діапазон, або діє одночасно з якимось іншим полем. При цьому хаотичне
поле виступає як фактор, що “автоматизує” добір вікон ефективних
параметрів за амплітудою та частотою. Якщо на параметри моделі додатково
накладено обмеження (наприклад, за діапазоном частот), добір
квазіперіодичних орбіт також буде обмеженим. В противному випадку ефект
взаємонівелюється.

Для моделювання змін в структурних параметрах об’єкту використовували
модель Мандельброта – типову фрактальну множину. Ця множина є прикладом
фрактальних меж областей тяжіння атракторів у фазовому просторі і
фрактальних меж у просторі параметрів. Вона базується на двомірному
відображенні комплексної змінної z = х+jy та будується з допомогою
рівняння: zn+1 = zn2 + c, де c = а + jb — комплексна стала.. У дійсних
змінних це відображення матиме вигляд: xn+1=хn2–уn+a; yn+1=2xn+yn+b.
Багаторазові ітерації цього відображення залишаються обмеженими при n??.
параметри xn та yn розглядаються як характеристики, що описують процес в
площині xy, a та b – як константи деякого біологічного процесу. Показано
принципову різницю між низкоінтенсивним та енергетичним впливом який
приводить до руйнування структур. В першому випадку зміна відбувається
через перебудову структури системи. Результати моделювання еволюції
біосистеми для трьох випадків, (відповідно моделям (2), (3)) приведені
на рис. 1.

а) a = 0, f = 0, c = 0, d = 0 б) a = 0,01, f = 0,001, c = 0,d = 0

класичний випадок (біосистема без зовнішнього впливу)

в) a = 1,0, f = 0,1, c = 0, d = 0 г) a = 1,0, f = 10, c = 0, d = 0

“дивний” атрактор (система на мікрорівні при впливі ННЕМП)

д) a = 0.0, f = 0, c = 0, d = 0 е) a = 1?10-7, f = 102,c = 0,d = 0

звичайний атрактор (система на макрорівні при впливі ННЕМП)

Рис.1.

При створенні приладів вказаного класу окремої уваги потребує проблема
картування розподілу ННЕМП, особливо поля Е-типу, оскільки розмір
робочої зони комплексного ВП малий (кілька сантиметрів), а для частот в
кілька десятків МГц (умова роздільного використання полів Е та Н-типу)
використовувати узгоджену антену неможливо, крім того, слід враховувати
наявність БО.

в ближню зону ВП вносять вимірювач електричного поля (ВЕП), до складу
якого входять давач, що складається з електрода і функціонального
перетворювача та пристрою реєстрації.

Для внесення мінімальної неоднорідності в поле, що вимірюється, розміри
функціонального перетворювача та електрода повинні бути мінімальними,
тому інші елементи ВЕП пов’язані з давачем за допомогою лінії передачі.
При цьому сигнал по лінії передачі буде передаватися з кращим
співвідношенням сигнал/шум, ніж при реєстрації сигналу безпосередньо з
електрода. Теоретична формула перетворення має вигляд:

,

– коефіцієнт перетворення ВЕП, в даному випадку нас цікавить;

– вектор поляризації ВЕП;

Ф0 –потенціал електричного поля;

– радіус-вектор, що визначає електричний центр ВЕП;

l – діючий розмір електрода;

( = Qi/Q1 — безрозмірний заряд.

Таким чином, у загальному випадку показання пристрою реєстрації залежать
не тільки від положення електрода функціонального перетворювача, а й від
просторового положення його основи. Має значення також різниця між
потенціалом ЕП в деякій точці на лінії передачі і потенціалом у місці
розташування функціонального перетворювача, різниця між потенціалом у
точці розташування пристрою реєстрації і потенціалом у точці
розташування давача. Наявність цих членів призводить до того, що при
зміні взаємного розташування елементів ВЕП змінюються показання
індикатора при незмінній напруженості ЕП в точці давача. Останній член у
наведеній формулі може бути виключений схемотехнічними методами.
Виходячи з викладеного, застосування ємнісного зондового функціонального
перетворювача в нашому випадку більш доцільне, оскільки він може бути
реалізований з меншими розмірами (плоский чутливий електрод).

Таким чином, проведені теоретичні дослідження дозволили одержати оцінку
ефективності впливу різних параметрів полів та сформулювати вимоги щодо
комбінації полів різних типів. За результатами досліджень рекомендується
використовувати для впливу комплекс ННЕМП з постійного, змінного
періодичного та хаотичного поля, причому стохастичне поле має обмежений
частотний та амплітудний спектр.

Крім того, запропоновано спосіб вимірювання електричної складової поля у
ближній (робочій) зоні малих розмірів та відповідний пристрій у вигляді
зондового ємнісного перетворювача без модуляції. Запропоновано
розрахункову формулу для коефіцієнта перетворення такого вимірювача,
вказано на принципові особливості конструктивної реалізації.

&

th

a$

&

u

ue

th

™U ae oeoeoeoeoeoeoeoeoeoeoeoeoeoeoeioeoeoeoeoeiaoeoeoe

» запропоновано набір експериментальних об’єктів, придатних для
обґрунтування ефективних параметрів приладу, принципи їх добору і
дослідження та методологію уточнення ефективних параметрів приладу до
етапу клінічних випробувань шляхом аналізу результатів впливу на такі
об’єкти. Параметри впливу добирали на таких засадах:

— комплекс ННЕМП має включати поля з різними первинними механізмами
взаємодії з БО;

— у запропонованому комплексі необхідно забезпечити наявність постійного
поля;

— поля, що змінюється за періодичним законом;

— поля, що змінюється за стохастичним законом;

— магнітне поле та квантові випромінювання оптичного діапазону при цьому
глибина проникнення магнітного поля в середовище типу м’якої тканини
людини повинна бути 5-10 мм і більше;

— поля мають бути різнорідні як за типом, так і за енергією кванту;

— максимальні значення поля мають відповідати умові низької
інтенсивності або методикам роздільного застосування таких полів у
фізіотерапії.

Дослідження проводили як для моновпливу при доборі ефективних параметрів
приладу на основі оцінки механізмів їх дії, так і для комплексного
впливу при оцінці ефективності. При дослідженні механізмів дії в режимі
моновпливу використовувались методи НКВІД-магнітометрії, кристалооптики,
механоемісії та аналізу провідності. Порівняльний аналіз результатів
моно — та комплексного впливу проводився на основі дослідження
небіологічних об’єктів з фазовим переходом, модельних БО з високою
гідратацією та на модельних БО з структурою тканин теплокровних.

Методами НКВІД-магнітотерапії достовірно зареєстроване утворення
довгоживучих (одиниці-десятки хвилин та більше) кластерів у вигляді
диполів з істотними магнітними характеристиками у водяних розчинах солей
(NaCl та CaCl2), органічних молекул (альбумін) та у м’яких тканинах
людини – на рівні сотень пТл після впливу МП в 150 мТл або
ВВЧ-випромінюванням, що свідчить про біофізичну природу впливу. Такий
вплив може позначатися на функціонуванні обмінних процесів нижнього
рівня – транспорті речовин крізь мембрани клітин та мітохондрій. На
основі наведених даних завдання добору ефективних параметрів приладу
може бути сформульоване як необхідність зміни хаотичної складової
обмінних процесів на мікрорівні за рахунок зміни орієнтаційних процесів
у молекул, що приймають участь у цих процесах. У приладі запропоновано
використовувати комплекс змінного та постійного МП, причому змінне поле
має бути значно меншим, ніж постійне (подвійна амплітуда змінного поля
має бути, принаймні, наполовину менша за величину постійного поля). При
верхній границі терапевтичного рівня сумарного поля 30 мТл, постійне МП
повинно бути біля 20 мТл, а змінне – не більше 10 мТл.

На основі аналізу провідності було визначено термін опромінення, при
яких спостерігається екстремальна (максимальна чи мінімальна)
ефективність впливу. Наявність часового вікна свідчить, що біосистема
при впливі ННЕМП змінює свою поведінку за деякими законами коливань – в
ній з’являються або зникають зони аномалій (в даному випадку – часові
вікна в провідності).

Методами механоемісії та кристалооптики показано, що застосування
хаотичного низькочастотного ННЕМП в якості моновпливу неефективне, разом
з тим його використання в комплексі з іншими ЕМП модифікує результати.
Найбільш ефективним, за результатами дослідження виявилось квантове
випромінювання, але розкид між максимумом та мінімумом амплітуди
великий, часові вікна змінюються досить часто і різко, що робить
практичне використання даного поля недоцільним. Комплексний вплив є
найбільш доцільним для практичного використання – він не тільки
ефективний, а й “нормалізуючий”. Тому для досягнення гіпер-ефекту за
певним параметром більш доцільно використовувати моновплив, а для
складних стадійних процесів з інтегрованою відповіддю на вплив –
комплекси полів.

Таким чином, запропоновано та апробовано добір експериментальних
об’єктів та методологію їх використання для уточнення діапазонів
параметрів приладу. На основі проведених досліджень запропоновано
комплексний добір ННЕМП, що складається з модульованого постійного МП,
квантового випромінювання та хаотичного ЕП (кількісні оцінки цих
параметрів для приладової реалізації наведені нижче) та час впливу на
зону рани 12(3 хв.

На основі проведених досліджень показано, що в запропонованому доборі
параметрів ННЕМП є як невідомі раніше складові (стосовно області
застосування), так і весь комплекс параметрів який, у вказаній
сукупності, раніше не використовувався. Таким чином, отримані результати
нові як за своїм складом, так і за результатами використання, оскільки
запропонований комплекс параметрів дозволяє отримати нову якісну
характеристику.

В четвертому розділі наведено варіанти приладової реалізації
запропонованого підходу.

Розроблено універсальний прилад для проведення досліджень, що
забезпечує: незалежну генерацію по трьох каналах (канали магнітного,
електричного та електромагнітного полів) у межах робочої зони постійних,
змінних, імпульсних та амплітудно-модульованих коливань від 0 до
100 МГц; зміну параметрів вихідного сигналу програмним шляхом;
управління спеціалізованими високочастотними генераторами в режимі
програмованого таймера; контроль вихідних параметрів приладу шляхом
зворотного зв’язку та програмного порівняння отриманих сигналів з
еталонними; організацію програмного біологічно-залежного зворотного
зв’язку для контролю ефективності впливу чи змінами в параметрах
досліджуваного об’єкту. Прилад дозволяє в автоматичному режимі проводити
комплексні дослідження з одночасною обробкою результатів та формуванням
відповідних протоколів.

Розроблено спеціалізований прилад для лікування поверхневих ран м’яких
тканин людини, в основному опіків (одержано патенти) в основу якого
покладено спосіб комплексного застосування ННЕМП. Завдяки добору
параметрів забезпечено “автоматизований” добір амплітудних та частотних
вікон ефективних параметрів. Прилад, структурна схема якого приведена на
рис 2, забезпечує формування:

— модульованого МП, що складається з колінеарних змінного та постійного
МП, спільна амплітуда індукції МП не перевищує 10 мТл, змінна складова
не перевищує постійну складову МП і в конкретному випадку складає не
більше 20% (подвійна амплітуда) від амплітуди постійного;

— шумового ННЕМП радіочастотного діапазону з частотою від 1 МГц до
80 МГц, максимальна подвійна пікова амплітуда шумового сигналу не більше
3 В, при вимірах селективним вольтметром (смуга фільтра 10 кГц) значення
вхідного сигналу не перевищує 10 мВ, спектр сигналу близький до білого
шуму по частоті, реалізовано підйом характеристики по амплітуді в районі
10-14 МГц, у робочій зоні хвиля Е-типу;

— некогерентного немоночастотного оптичного випромінювання з максимумами
в діапазонах червоного, зеленого, або синього кольору потужністю не
більше 10 мВт кожний.

Рис. 2.

При цьому синхронно з амплітудною модуляцією МП здійснюється імпульсна
модуляція оптичного випромінювання. Частота модуляції МП й оптичного
випромінювання від 0,01 до 200 Гц, точність установки 0,01 Гц.

Крім того, при реалізації вказаних приладів було вирішено ряд
специфічних задач: розроблено генератор шуму в мікроелектронному
варіанті, спеціалізований малогабаритний випромінювач комплексів ННЕМП,
методологію модельного дослідження розподілу МП в робочій зоні,
визначено похибки вимірювача електричного поля, запропоновано
еквівалентний фантом тканини та методику його використання при
картуванні поля та ін.

Таким чином, універсальний прилад для проведення досліджень дозволив
розробити та апробувати методологічний підхід щодо проведення
експериментальних досліджень та експериментально підтвердити параметри і
кількісні оцінки, наведені в розд. 3. Спеціалізований прилад для
лікування поверхневих ран м’яких тканин людини (рис. 3) дозволив
апробувати запропонований підхід до створення приладів, розробити
методологічні рекомендації щодо його застосування та провести відповідну
клінічну апробацію.

Рис.3

Результати клінічних випробувань на опікових ранах площею до 180 см2
показали, що запропонований комплекс ННЕМП та реалізований на його
основі прилад надає стабільної позитивної дії на плин процесу загоєння
опіків. Відбувається ефективний вплив на прискорення дозрівання
грануляцій, готовність до аутопластичного закриття, прискорення
епітелізації ран з країв, поліпшується мікробна флора рани та чутливість
до антибіотиків, поліпшується косметичний ефект. Прилад може ефективно
використовуватися при лікуванні малих та середніх за площею опіків,
обморожувань, хірургічних ран тощо, тобто неглибоких пошкоджень
поверхневих м’яких тканин людини різного походження. Вказане дозволяє
рекомендувати запропоновану методологію та конкретну реалізацію приладу
до подальшого використання.

У Додатках наведено додаткову інформацію про використання ННЕМП у
фізіотерапевтичних приладах, результати експериментів, а також документи
про впровадження і використання результатів роботи.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено математичні моделі процесів, що відбуваються у ранах
м’яких тканин під час дії на них постійних, змінних та хаотичних
електромагнітних полів, а також комбінацій полів різних типів, що
дозволило одержати оцінку ефективності впливу різних параметрів полів,
сформулювати на їх основі вимоги щодо комбінації типів полів, та
запропонувати хаотичне поле з обмеженим спектральним діапазоном як
фактор “автоматизації” добору ефективних амплітудних та частотних
параметрів.

2. Запропоновано методику визначення ефективних параметрів
електромагнітних полів і обґрунтування на їх основі технічних
характеристик приладів, що застосовуються для впливу низькоінтенсивними
електромагнітними полями на рани м’яких тканин людини, що дозволило
визначити комплекс ефективних параметрів з одночасним зниженням в 3-6
раз вартості розробки приладу в порівнянні з аналогічними приладами для
моновпливу.

3. Розроблено спосіб вимірювання електричної складової електромагнітного
поля, який базується на використанні фантома тканини, еквівалентного
біологічній, що дозволило забезпечити роздільне дослідження кожної
складової сукупності полів у ближній (від 0,5 до 4см) зоні при наявності
біологічного об’єкту.

4. Розроблено та впроваджено в практику дослідний зразок універсального
приладу призначений для незалежної генерації по трьох каналах
(магнітного, електричного та електромагнітного полів) у межах робочої
зони постійних, змінних, імпульсних та амплітудно-модульованих коливань
від 0 до 100 МГц, з програмною зміною та контролем параметрів;
організації програмного біологічно-залежного зворотного зв’язку для
контролю за ефективністю впливу чи змінами в параметрах досліджуваного

5. Розроблено генератор шуму з вихідним робочим діапазоном від 1 до
80 МГц і нерівномірністю амплітудно-частотної характеристики не більше
1,5 дБ у вигляді герметизованого мікроелектронного модуля розмірами
35х65х12 мм, що дозволяє розмістити його у блоці керування, а з’єднання
з випромінювачем виконати коаксіальним кабелем, що розширило
функціональні можливості приладу, спростило його конструкцію (порівняно
з використанням ВВЧ-генераторів), зменшило масогабаритні характеристики
приладу.

6. Розроблено та реалізовано спеціалізований прилад з широкодіапазонним
випромінювачем для лікування поверхневих ран м’яких тканин людини площею
до 18 см2. Прилад формує: модульоване магнітне поле, що складається з
колінеарних змінного та постійного магнітних полів; шумове
низькоінтенсивне електромагнітне поле з частотою від 1 МГц до 80 МГц;
некогерентне немоночастотне оптичне випромінювання з максимумами в
діапазонах червоного, зеленого, або синього кольору потужністю не більш
10 мВт кожний, причому імпульсна модуляція оптичного випромінювання
(частота від 0,01 до 200 Гц) здійснюється синхронно з модуляцією
магнітного поля. У цьому приладі за рахунок одночасного використання
різних механізмів впливу вдається реалізувати як відомі клінічні ефекти,
так і забезпечити нові, що надає стабільної позитивної дії на плин
процесу загоєння ран, призводить до зменшення термінів лікування та
поліпшує косметичний ефект.

7. Розроблене апаратно-методичне забезпечення процесу лікування ран
м’яких тканин людини на основі комплексного застосування низько
інтенсивних електромагнітних полів та отримані нові знання про вплив цих
полів на біологічні об’єкти можуть бути використані як для удосконалення
ряду існуючих методів дослідження і методик лікування, так і для
створення нових, наприклад: оцінки впливу комплексних електромагнітних
полів сумісно з медичними препаратами, створення банку даних для
удосконалення методик лікування контрольованої терапії м’яких тканин,
оцінки ефективності моновпливу тощо.

ПЕРЕЛІК ПРАЦЬ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гемба В.Н. Воздействие электромагнитных полей на биологические
объекты и организмы – общая концепция для различных спектров //
Электроника и связь.- 1997. – № 2, ч.1.– С. 59-63.

2. Гемба В.Н. Выбор параметров магнитных полей и квантовых излучений для
регенерации тканей // Эл — ка и связь.- 1998. – № 4, ч.1. – С.105-109.

3. Гемба В.Н. Теория информации и физические механизмы взаимодействия
низкоинтенсивных электромагнитных полей с биологическими объектами // Эл
— ка и связь.- 1999. – № 6, ч. 1 – С 202-206.

4. Гемба В.Н., Коростинская О.С., Лошицкий П.П., Николов Н.А. Выбор
оптимальных параметров воздействия низкоинтенсивными электрическими
полями на биологические объекты // Эл — ка и связь.- 1998. – №4, ч.1. –
С. 110-112.

5. Антоненко Л.И., Гемба В.Н., Яценко В.П. Влияние магнитных и
электрических полей терапевтических уровней на проницаемость
эритроцитарных мембран // Эл — ка и связь.- 1997. – № 2, ч.2. – С.
343-344.

6. Гемба В.Н. Лошицкий П.П. Влияние электромагнитных полей на
физиологическое состояние биологических объектов // Электроника и
связь.- 1997. – № 2, ч.1. – С. 64-66.

7. Синекоп Ю.С., Гемба В.Н., Зубчук В.И., Корогод В.А. Повышение
эффективности комплексной терапии в пульманологии // Эл — ка и связь.-
1998. – № 4, ч.2. – С. 367-368.

8. Гемба В.Н., Будник Н.Н., Лошицкий П.П. Исследование первичных
механизмов воздействия электромагнитных полей на биологические объекты.
// Эл — ка и связь.- 1998. – №5. – С. 41-45.

9. Гемба В.Н., Дзятковская Н.Н., Лошицкий П.П., Орел В.Э. Исследование
процессов кристаллизации при воздействии низкоинтенсивных
электромагнитных полей // Эл — ка и связь.- 1999. – № 6, т. 1 – С.
199-201.

10. Гемба В.Н., Лошицкий П.П., Синекоп Ю.С. Прибор для лечения
повреждений мягких тканей человека с использованием низкоинтенсивных
электромагнитных полей // Эл — ка и связь.- 1999. – № 6, т. 2 – С.
128-131.

11. Гемба В.Н., Синекоп Ю.С., Кузовик В.Д. Перспективы применения
низкоинтенсивных электромагнитных полей и формирующих их приборов в
медицине: выводы по результатам моделирования. // Эл — ка и связь.-
2001. – № 10, – с. 64-68.

12. Гемба В.Н., Мустецов Н.П., Оржельский И.В., Модель, способ и прибор
для автоматического определения целевого низкоинтенсивного
электромагнитного воздействия на конкретное заболевание // Прикладная
радиоэлектроника.- 2005.- Т.4, № 3.- С.361-364.

13. Пат. 24698А. Україна, МКИ 6 А 61 N 1/00, МКИ 6 А 61 N 2/00. Пристрій
для фізіотерапії /В.М. Гемба, Ю.С. Синєкоп (Україна). Заявл. 17.03.98;
Опубл. 04.08.98. Бюл. № 5.

14. Пат. 31716А, Україна, МКИ 6 А 61 N 2/00, МКИ 6 А 61 N 5/06. Спосіб
коректування паталогічного стану біооб’єкту /В.М. Гемба, Ю.С. Синєкоп,
П.П. Лошицький (Україна). Заявл. 26.10.98; Опубл. 15.12.00. Бюл. № 7.

15. Синекоп Ю.С., Гемба В.Н. Общие проблемы биомедицинской электроники
// Проблемы физической и биомедицинской электроники. Сб. докладов
Международной научно-технической конференции 27-30 мая 1996г. – Киев,
1996. – С. 314-317.

16. Гемба В.Н. Приборы НЧ-терапии индивидуального пользования //
Проблемы физической и биомедицинской электроники. Сб. докладов
Международной научно-технической конф. 27-30 мая 1996г. – Киев, 1996. –
С. 312-313.

17. Гемба В.Н. Сочетание лазерного излучения с другими видами
электромагнитных полей. // Материалы IX международной
научно-практической конференции “Применение лазеров в медицине и
биологии”, Ялта. – Харьков: АОЗТ “Центр лазерных и микроволновых
технологий”, 1997. – С. 42-43.

АНОТАЦІЯ

Гемба В.М. Прилади комплексного впливу електромагнітними полями для
фізіотерапії ран м’яких тканин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за
спеціальністю 05.11.17 – біологічні та медичні прилади і системи –
Харківський національний університет радіоелектроніки, 2006 р.

Роботу присвячено розробці нових методів проектування та моделювання
приладів для комплексного безпосереднього впливу низькоінтенсивними
електромагнітними полями. Запропоновано методику добору ефективних
параметрів приладу на основі досліджень математичних модельних і
експериментальних об’єктів та методологію добору таких об’єктів, що
дозволяє значно зменшити вартість проектування приладу. Методику
апробовано на розробці схеми приладу, комплексу його ефективних
параметрів, конструкції комплексного випромінювача, способі вимірювання
метрологічних характеристик полів в ближній зоні малих розмірів при
наявності біологічного об’єкта. Прилад надає стабільної позитивної дії
на плин процесу загоєння ран та має підвищений косметичний ефект.

Ключові слова: фізіотерапевтична апаратура, низькоінтенсивні
електромагнітні поля, комплексне застосування полів.

АНОТАЦИЯ

Гемба В.Н. Приборы комплексного воздействия электромагнитными полями для
физиотерапии ран мягких тканей. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по
специальности 05.11.17 – биологические и медицинские приборы и системы –
Харьковский национальный университет радиоэлектроники, 2006г.

Разработаны математические модели процессов, происходящих в ранах мягких
тканей при воздействии на них постоянных, переменных и хаотичных
электромагнитных полей (ЭМП), а также комбинаций полей различных типов.
Математические модели представлены в виде аттракторов, странных
аттракторов и фракталов. Теоретические исследования на математических
моделях позволили получить оценку эффективности влияния разных
параметров полей, сформулировать требования относительно комбинации
типов полей, предложить хаотичное поле с ограниченным спектральным
диапазоном как фактор “автоматизации” выбора эффективных амплитудных и
частотных параметров.

Разработан способ измерения электрической составляющей ЭМП, основанный
на использовании фантома ткани, эквивалентного биологической ткани по
проводимости и реализованного на желатиновой основе, и
специализированного первичного преобразователя. Это позволило обеспечить
раздельное исследование каждой составляющей совокупности полей в ближней
зоне при наличии биологического объекта.

Предложена методика определения эффективных параметров ЭМП и обоснование
на их основе технических характеристик приборов для лечения ран мягких
тканей человека. Методика состоит в оценке динамики изменения
характеристик объектов в результате влияния ЭМП и оценке конечного
эффекта влияния, базируется на исследовании модельных математических,
физических и биологических объектов. Методика позволила определить
комплекс эффективных параметров с одновременным снижением в 3-6 раз
стоимости разработки прибора в сравнении с комплектом аналогичных
приборов для моновоздействия.

Разработан и внедрен в практику исследовательский образец универсального
прибора на базе ЭВМ для проведения клинических исследований по
эффективности влияния низкоинтенсивных ЭМП на биологические объекты.
Прибор позволяет в автоматическом режиме проводить комплексные
исследования с параллельной обработкой результатов исследований и
формированием соответствующих протоколов.

Разработан генератор шума с исходным рабочим диапазоном от 1 до 80 МГц и
неравномерностью амплитудно-частотной характеристики не более 1,5 дБ в
виде герметизированного микроэлектронного модуля размерами 35х65х12 мм,
что позволяет разместить его в блоке управления. Указанное расширило
функциональные возможности прибора, упростило его конструкцию, уменьшило
его массогабаритные характеристики.

Разработан и реализован специализированный прибор с широкодиапазонным
излучателем для лечения поверхностных ран мягких тканей человека
площадью до 18 см2. Прибор формирует: модулированное магнитное поле,
состоящее из: коллинеарных переменного и постоянного магнитных полей;
шумовое низкоинтенсивное ЭМП с частотой от 1 МГц до 80 МГц;
некогерентное немоночастотное оптическое излучение с максимумами в
диапазонах красного, зеленого или синего цвета мощностью не более 10 мВт
каждый, причем импульсная модуляция оптического излучения (частота от
0,01 до 200 Гц) осуществляется синхронно с модуляцией магнитного поля.
Прибора апробирован в клинике, научно-исследовательской работе и учебном
процессе. В приборе за счет одновременного использования разных
механизмов влияния удается реализовать как известные клинические
эффекты, так и обеспечить новые, что обеспечивает стабильное
положительное действие на течение раневого процесса, приводит к
уменьшению сроков лечения и улучшает косметический эффект.

Разработанное аппаратно-методическое обеспечение процесса лечения ран
мягких тканей человека, на основе комплексного применения
низкоинтенсивных электромагнитных полей, и полученные новые знания о
влиянии этих полей на биологические объекты могут быть использованы, как
для усовершенствования ряда существующих исследовательских приемов и
методик лечения, так и для создания новых. Например: оценки влияния
комплексных электромагнитных полей совместно с медицинскими препаратами,
создание банка данных для усовершенствования методик лечения;
контролируемой терапии мягких тканей, оценки эффективности
моновоздействия и т.п.

По теме диссертации опубликовано 17 работ и патентов.

Ключевые слова: физиотерапевтическая аппаратура, низкоинтенсивные
неионизирующие электромагнитные поля, комплексное применение полей.

SUMMARY

Hemba V.N. The instruments of complex influence by electromagnetic
fields for physiotherapy wound of mans tissue. The manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of
engineering science on a speciality 05.11.17– Biological and medical
devices and systems – Kharkov National University of Radio Electronics,
Kharkov 2006.

The dissertation is devoted to developing of design and modeling methods
for physiotherapy devices based on low intense non-ionizing
electromagnetic fields complexes (LINEF). The method of effective
parameters selection based on mathematical model and experimental object
investigations and method of object selection are proposed and allowed
to decrease device design cost. Proposed methods are approved on device
structure chart design, effective parameters selection, integrated
oscillator construction, and fields metrological performance measuring
means in near-field region in the presence of biological object. The
developed device provides stable positive influence to wound process
flow and high cosmetic effect.

Key word: electronic medical therapeutic equipment, low intensive
non-ionizing electromagnetic fields, integrated application fields.

Автор глибоко вдячний науковому керівнику аспірантури професору Синекопу
Юрію Степановичу та співробітникам кафедри фізичної та біомедичної
електроніки Київського технічного університету “КПІ” за доброзичливість
та допомогу проведення експериментів.

Похожие записи