УДК 577.31: 615.849
СКАНИРУЮЩАЯ ЛАЗЕРОТЕРАПИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ И МЕХАТРОННЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕДИЦИНСКИХ УСТАНОВОК
Е.В. ШАЛОБАЕВ1, А.В. ДУНАЕВ2, О.Д. КОЗЫРЕВА1
1Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО)
2Орловский государственный технический университет
В статье рассмотрен метод сканирующей лазерной низкоинтенсивной терапии, как один из методов современного физиотерапевтического лечения. Приведены особенности низкоинтенсивного лазерного излучения и на их основании описан принцип работы биологической обратной связи (БОС), также приведены примеры. БОС позволяют разрабатывать методы, которые дают возможность оперативного контроля состояния пациента, например диагностики кровотока до, во время и после сеанса лазерной терапии. Такие методы обеспечивают возможность адаптивной индивидуальной коррекции и оптимизации параметров воздействия в ходе сеанса и курса лечения. Указаны мехатронные аспекты медицинских установок на основе сканирующей лазерной терапии, что позволяет применить мехатронный подход при их проектировании, позволяющий повысить их качество.
Ключевые слова: низкоинтенсивная лазерная терапия, биологическая обратная связь, сканирующая лазерная терапия, медицинские мехатронные комплексы.
Введение. В последнее время в различных областях медицины все больше применяется лазеротерапия как лечение [1]. Лазеротерапия может быть использована как основной метод лечения, или в комбинации с другими методами, повышая тем самым их эффективность. Низко-интенсивное лазерное излучение обладает такими свойствами, как монохроматичность, когерентность, высокая спектральная плотность мощности излучения, возможность простой фокусировки и т.д. Основными последствиями низкоинтенсивной лазерной терапии, которые определяют показания к лазеротерапии, являются: общий биостимулирующий эффект, повышение тонуса; усиление биоэнергетических процессов, нейтрализация катаболических сдвигов; нормализация иммунной, нервной и эндокринной систем; стимуляция репаративных процессов, заживления хронических язв. Эти и другие особенности низкоинтенсивного лазерного излучения делают лечебный прием универсальным и перспективным для большинства медицинских специальностей. Благодаря совершенствованию за последние годы аппаратуры для проведения лазеротерапии появилось большое количество приборов, обеспечивающих различные варианты трансмиссии лазерного излучения. Один из вариантов – транскутанный, различают контактное и бесконтактное облучение очага поражения.
Метод сканирующей лазеротерапии. В данной статье рассмотрен метод сканирующей лазеротерапии, который заключается в бесконтактном воздействии сфокусированным лазерным лучом диаметром 3 мм и интенсивностью 20 мВт без потери мощности излучения на поверхность кожи с различной частотой сканирования [2,3]. Облучение сфокусированным лучом дает возможность равномерно воздействовать дозированным излучением на каждую точку пораженной поверхности, но для этого луч должен перемещаться по всей поверхности, иными словами сканировать поверхность. Используя режим сканирования, можно обработать зону любой конфигурации. Воздействие на большие поверхности сфокусированным лучом обеспечивает передачу энергии излучения тканям за достаточно короткое время, так как за счет перемещения луча создаются условия для последовательного периодического воздействия и равномерного распределения энергии лазерного излучения в зоне обрабатываемой поверхности, что позволяет получить лечебный эффект.
При непрерывном излучении лазера создается импульсный режим облучения за счет пространственного перемещения луча для каждой отдельной точки поверхности. Это обеспечивает благоприятный режим лечения. Благодаря сканирующему устройству (рефлектору) можно подобрать соответствующую фигуру сканирования в соответствии с площадью и состоянием поверхности, подлежащей лечению, то есть проводить лечение пациентов по индивидуальной программе. Немаловажно также то, что использование метода сканирующей лазеротерапии позволяет уменьшить уровень облучения медицинского персонала, так как после начальной настройки управление стимулятором осуществляется автоматически [4]. Было доказано, что данный метод лечения на уровне тканей и органов проявляется в стимуляции изменений рецепторной чувствительности, укорочении фазы воспаления, увеличении потребления тканями кислорода, улучшении микроциркуляции крови, активации транспорта веществ через сосудистые стенки.
Результирующий фотобиологический эффект действия лазерного излучения на организм в целом выражается в противовоспалительной, регенеративной, иммунокорректирующей и бактериостатической реакциях, в улучшении региональной микроциркуляции в тканях и органах, нормализации липидного обмена [5].
Достоинством лазерной медицинской аппаратуры является возможность оперативного изменения параметров лазерного излучения для получения желаемого результата его воз-действия, что достигается с помощью цепей биологической обратной связи [6]. С их помощью осуществляется оптимизация лазерного воздействия на биоткань, при котором физиотерапевтическое воздействие на ткани и органы является наиболее эффективным и атравматичным [2, 7, 8].
В последнее десятилетие в связи с интенсивным развитием оптических диагностических методов, таких как фотоплетизмография (ФПГ), пульсоксиметрия (SaO2), оптическая тканевая оксиметрия (ОТО), лазерная доплеровская флоуметрия (ЛДФ), оптическая когерентная томография (ОКТ) и др., всё более актуальным становится вопрос о возможности их применения в качестве методов контроля эффективности лазеротерапии в режиме реального времени [9]. Связано это прежде всего с тем, что современные приборы оптической неинвазивной диагностики (ОНД) достаточно достоверно и легко могут регистрировать изменения в микроциркуляции и оксигенации крови, что в свою очередь является одним из ключевых моментов при оценке лечебного эффекта лазерного излучения, так как в медицинской литературе вопрос о стимуляции периферического кровообращения в тканях при лазеротерапии практически уже не вызывает споров [10, 11].
Одним из наиболее чувствительных методов регистрации динамики процессов микроциркуляции крови (МЦК) в биотканях по технологии ОНД является сегодня метод ЛДФ. Он позволяет определять среднюю перфузию тканей кровью, измеряемую в относительных перфузионных единицах (пф. ед.), на уровне микроциркуляторного русла биоткани, а также частотные ритмы процессов микрогемодинамики. Так, в ряде тестовых экспериментов для регистрации параметров МЦК использовался многофункциональный лазерный неинвазивный диагностический комплекс «ЛАКК-М» (ООО НПП «ЛАЗМА», г. Москва), обеспечивающий одновременные измерения как перфузии ткани кровью, так и сатурации оксигемоглобина в смешанной крови микроциркуляторного русла (StO2) и объёма фракции гемоглобина в зондируемой области по методу ОТО [12, 13]. На рисунке 1 представлены фрагменты зарегистрированных типичных ЛДФ-грамм до и после процедуры лазерной терапии на у словно здоровом добровольце при облучении в области внутренней стороны предплечья со стороны локтевого сгиба. Таким образом, метод ЛДФ, как и другие технологии ОНД, являются перспективными для использования их в качестве биологической обратной связи по критерию отклика в системе микроциркуляции крови при низкоинтенсивной лазерной терапии.
Исследования механизмов взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с внутренней средой организма человека показали возможность наблюдения за изменением параметров крови, например, степенью насыщения крови кислородом, то есть степенью оксигенации крови. Измерение степени оксигенации крови необходимо при оценке работы сердечно-сосудистой системы и легких пациента*. Измерение оксигенации можно проводить во время лазеротерапии при помощи оксиметров. Оксиметры могут работать в двух режимах: режим поглощения и режим отражения излучения. В случае отражения измеряется сигнал обратного рассеяния крови.
Рисунок 1 – Примеры фрагментов типичных ЛДФ-грамм до (а) и после (б) процедуры лазеротерапии импульсная мощность – 7 Вт, частота – 30 кГц, длительность импульса – 200 нс, площадь облучения – 2 см2, энергетическая экспозиция – 6,3 Дж/см2
Доказано, что в области длин волн 650-750 нм возможно проводить достаточно точные измерения степени оксигенации крови при помощи измерения интенсивности диффузно рассеянного излучения [14]. Также на основе исследования механизмов взаимодействия лазерного излучения с тканями человека при изучении схем поглощения, отражения и преломления можно сделать вывод о возможности построения систем биологических обратных связей на основе учета пульса, артериального давления и других параметров [15, 16]. В режиме биоуправления по сигналам с датчиков пульса и дыхания пациента интенсивность лазерного воздействия автоматически синхронизована с биоритмами кровенаполнения ткани, открытием капилляров над ансамблем клеток с повышенной в данный момент чувствительностью и энергообеспечением ответных реакций. Благодаря такому режиму резко расширяется диапазон положительных реакций клеток, увеличивается их чувствительность, уменьшается вероятность передозировки. Такой режим лазерной терапии гарантирует лечебный эффект для всех пациентов при условии его грамотной технической реализации [17].
В настоящее время разрабатывается методика автоматизированной коррекции гемодинамических расстройств, которая заключается в формировании управляющего сигнала (отвечающего за мощность и позиционирование лазера) для лазерной установки на основе разницы между эталонной реограммой и реограммой пациента (участка тела) в режиме ре-ального времени [18]. Предлагаемая методика должна позволить более эффективно использовать методы лазерной терапии при лечении нарушений кровотока. Методика рассчитана на основе численного эксперимента с помощью методов математического моделирования. В качестве эталонного сигнала использовалась типовая реограмма, соответствующая пульсу с частотой 75 ударов в минуту. Метод дает возможность оперативного контроля состояния па-циента и диагностики кровотока до, во время и после сеанса лазерной терапии. Разработка обеспечивает возможность адаптивной индивидуальной коррекции и оптимизации параметров воздействия в ходе сеанса и курса лечения.
Мехатронные аспекты проектирования медицинских установок на основе сканирующей лазеротерапии. В соответствии с действующим в России определением мехатроники, это область науки и техники, основанная на системном объединении узлов точной механики, датчиков состояния внешней среды и самого объекта, источников энергии, исполнительных механизмов, усилителей, вычислительных устройств (ЭВМ и микропроцессоры).
Мехатронная система – единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, обладающей элементами искусственного интеллекта.
Участие в разработке рассматриваемой в публикации медицинской установки позволило авторам наполнить содержанием предлагаемый в работе [19] термин «мехатронные комплексы».
С точки зрения идеологии мехатроники рассматриваемая в работе медицинская установка представляет собой распределенную систему, не имеющую единого корпуса (рис. 2).
Ранее такие системы, не только в медицине, но и в других отраслях рассматривались как системы лишь с элементами мехатроники, как например, в работе [20]. Даже был введен в научный оборот термин «мехатронизированный объект» [21], а позднее – термин «объект с элементами мехатроники» [22] или квазамехатронный объект [**].
Однако в данном рассматриваемом случае имеет место именно «мехатронный комплекс», определяемый как совокупность элементов, связанных конкретной общей целью.
В соответствии с развитием мехатроники как науки, в работах (например, [23, 24]) показано, что такие установки относятся к мехатронным комплексам по определению. Указание на подобный вывод очень важно потому, что при проектировании таких установок необходимо вести разработку всех составляющих ее частей параллельно, то есть, иначе говоря, используя мехатронный подход при проектировании, чтобы получить максимальный качественный эффект.
Здесь необходимо сделать ряд замечаний.
Первое: мехатронный и системный подходы не являются синонимами. Мехатронный подход – частный случай системного подхода, поскольку в определении мехатроники есть такая обязательная характеристика как синергетическое единство.
Второе необходимое замечание: в мехатронных комплексах могут использоваться мехатронные модули, то есть унифицированные узлы. Именно они представляют собой синергетически нерасторжимые без потери качества элементы. Иначе говоря, они неремонтопригодные. Комплексы же отличаются от модулей их составляющих, тем, что модули могут быть заменены, то есть налицо ремонтопригодность. Именно в этом принципиальное различие мехатронных систем разных уровней сложности, которыми и являются комплекс и модуль.
Указанный в публикации мехатронный подход при проектировании рассматриваемых медицинских установок должен будет учитывать именно этот аспект. И дело здесь не просто в применении тех или иных терминов, а в совершенно разных подходах при проектировании, именно с этой целью и написана данная статья.
Рисунок 2 – Структурная схема лазерных сканирующих стимуляторов
Заключение. Подчеркнутые в работе мехатронные аспекты медицинских лазерных установок, использующих биологические обратные связи, требуют применения мехатронного подхода при проектировании. Указанный подход, как уже указывалось выше, позволяет вести параллельное проектирование, которое позволяет повысить качество получаемой продукции с учетом особенности применения мехатронного подхода в случае комплекса. Таким образом, новое поколение программно-аппаратных лечебно-диагностических устройств, обладающее качественно новым свойствами и заявленное в работе [25], будет реализовано на практике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дунаев, А.В. Лазерные терапевтические устройства: учеб. пособие / А.В. Дунаев, А.Р. Евстигнеев, Е.В. Шалобаев / под ред. К.В. Подмастерьева. – Орел-Калуга-СПб.: ОрелГТУ. – 2005. – 173 с.
2. Сканирующие лазерные датчики в системе диагностики и лечения заболеваний // В.Т. Ефименко, Е.В. Шалобаев, А.В. Ефименко, Г.Н. Юркова / Датчики и системы. – 2001. – № 11. – C. 47-49.
3. Лазерные стимуляторы / Е.В. Шалобаев, Г.Н. Юркова, В.Т. Ефименко, А.В. Ефименко // Датчики и системы. – 2001. – № 8. – С. 53-54.
4.
5.
6\
*) применение пульсоксоксиметрии