СПОСОБ ТЕР-АСАТУРОВА УПРАВЛЕНИЯ ТОНУСОМ СОСУДОВ МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО РУСЛА Российский патент 2010 года по МПК A61N2/04 

Изобретение относится к области медицины, а именно к средствам функциональной диагностики и управления состоянием периферической гемодинамики.

Заявляемые способ и устройство предназначены для определения спонтанных колебаний сосудов микроциркуляторного русла и управления показателем их тонуса путем воздействия переменным магнитным полем с выбранной частотой.

Из уровня техники (патент РФ №2069572) известен способ лечения сосудистых заболеваний конечностей путем регулирования центральной и периферической гемодинамики и устройство для проведения магнитотерапии.

Известное устройство состоит из источника питания, генератора импульсов регулируемой частоты импульсов, включающего блок кратности частоты импульсов и регулятор фона.

При осуществлении известного способа пациента помещают в магнитное поле, формируемое с помощью известного устройства, и в течение 20 минут проводят воздействие полем с величиной магнитной индукции от 0,5 до 5 мТл, с индивидуально выбранной частотой, синхронизированной с частотой сердечных сокращений пациента, и с вектором магнитной индукции, равнонаправленным с вектором магистрального кровотока.

Такое воздействие производят в течение 10 сеансов. В последующие 10 сеансов с целью предотвращения перехода реакции адаптации в привыкание при сохранении всех вышеизложенных параметров поля добавляют еще одно воздействие постоянного магнитного поля с величиной магнитной индукции до 100 от величины бегущего импульсного магнитного поля, т.е. бегущую волну формируют на постоянном «магнитном фоне», вектор которого равнонаправлен с вектором бегущего импульсного магнитного поля.

Необходимо отметить, что эффект улучшения кровотока под воздействием вибрационных воздействий отмечали многие исследователи (см., в частности, кн. И.К. Разумова «Основы теории энергетического воздействия вибраций на человека», М.: Медицина, 1975). В случае применения известных средств эффект улучшения кровотока достигается за счет моделирования автоколебаний пульсовой волны, вызывающих увеличение градиента давления в направлении кровотока. Однако по мере распространения пульсовой волны от центральной области к градиент давления существенно меняется в сторону уменьшения вплоть до мелких (менее 1 мм в диаметре) сосудов, где давление резко падает.

Таким образом, в случае использования известных средств ожидаемый эффект улучшения периферийного кровотока может быть не достигнут в связи с тем, что скорость кровотока и корреллируемое с ней давление будут минимальными в этой области.

Исследователями также установлено, что процессам гемодинамики сопутствуют иные колебательные явления, частотные характеристики которых существенно превышают частоту сердечных сокращений. Такие явления обусловлены собственными колебаниями сосудов, частота которых строго индивидуальна. При этом было отмечено, что вибрационное воздействие с частотой собственных колебаний сосудов приводит к экстремальному ускорению кровотока.

При разработке предлагаемых изобретений решалась задача моделирования физиологических механизмов регуляции периферийного кровотока на уровне спонтанных высокочастотных осцилляций пульсирующих сосудов.

Заявляемое устройство и способ предназначены для усиления или подавления естественных механизмов гемодинамики за счет регулирования тонуса сосудов микроциркуляторного русла воздействием переменным магнитным полем с индивидуальной частотой собственных колебаний сосудов и диагностики собственной частоты сосудов микроциркуляторного русла путем Фурье-спектрирования фотоплетизмограммы.

В случае необходимости нормализовать показатель тонуса сосудов микроциркуляторного русла применяется вибрационное воздействие на участок тела пациента на доминирующей частоте спектра спонтанных колебаний сосудов в диапазоне 10-30 Гц. При необходимости увеличить показатель тонуса сосудов применяется локальная вибрация на частоте, отличающейся от зарегистрированных частот спектра спонтанных колебаний сосудов не менее чем на 1 Гц.

Следует отметить, что в отличие от известных средств такое воздействие носит локальный, кратковременный характер. Учитывая показатель магнитотропности пациента (индивидуальная реактивность к магнитному полю), локальный принцип воздействия, применяемый в заявленном изобретении, минимизирует отрицательные последствия для пациента по сравнению с известным средством.

Включение в схему заявляемого устройства цифрового фотоплетизмографа с функцией спекртирования решает комплексную задачу: диагностики состояния сосудов микроциркуляторного русла, формирования параметров электромагнитного поля индивидуально для каждого пациента, осуществления в режиме мониторинга информационного обмена с организмом пациента - отклика пациента на электромагнитное воздействие.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в регулировании периферийного кровотока путем корректировки показателя тонуса сосудов периферийной области.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При осуществлении заявляемого способа управление тонусом сосудов микроциркуляторного русла осуществляется путем локального воздействия на эту область в течение 15 мин электромагнитным излучателем с частотой, выбранной в диапазоне 10-30 Гц, из предварительно зафиксированного спектра частот спонтанных колебаний сосудов исследуемой области. Регистрация всех основных параметров кровотока пульсирующих сосудов микроциркуляторного русла производится в автоматизированном режиме в реальном масштабе времени с помощью фотоплетизмографа с функцией спектрирования, входящего в состав заявляемого устройства.

В медицине широко используются фотоплетизмографы, регистрирующие изменение яркости света, прошедшего сквозь исследуемую ткань, которое традиционно рассматривается как характеристика объема прошедшей крови во времени. Обычно на основании этой зависимости строят дифференциальную фотоплетизмограмму (dI/dt), которая отражает скорость движения крови в исследуемой ткани. Имеется ряд методик анализа этих кривых, основанных на нахождении характерных точек в каждом импульсе движения крови и расчету по ним определенных критериев, характеризующих состояние кровеносной системы, ее тонуса и т.п.

При осуществлении заявляемого способа устройство регистрирует непосредственно дифференциальный сигнал яркости света (dI/dt), прошедшего сквозь исследуемую ткань. После компьютерной обработки на монитор выводится три согласованных во времени гармонических кривых: график исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt), отражающий объем прошедшей крови во времени; второй график, полученный при интегрировании исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt), - прямая фотоплетизмограмма, отражающая скорость движения крови в исследуемой ткани (по горизонтальной оси графика отложены частоты полос сигнала (в герцах), а по вертикальной оси - соответствующие им коэффициенты к_i. При интегрировании исходного дифференциального сигнала (dI/dt) происходит автоматическая очистка фотоплетизмограммы от шумов.

Третий график представляет собой результат дифференцирования исходного дифференциального сигнала яркости, т.е. (dI²/dt²), отражающий изменение ускорения (а) пульсирующего потока крови во времени. Этот график можно также интерпретировать как изменение силы ударов пульса во времени.

Исследователями было выявлено свойство активации функций органа или системы органов в ответ на нейро-рефлекторные или гуморальные стимулы, вызывающие изменение метаболизма входящих в их состав тканей. Было установлено, что изменение химизма тканей приводит к изменению механических свойств тканей органов, в том числе к повышению трансмурального давления сосудов в определенной области. Эффект увеличения трансмурального давления сосудов сопровождается увеличением числа их схлопываний после пробегания по ним пульсовой волны. В результате схлопывания сосудов возникают автоколебания их стенок, что приводит к ускорению пульсового кровотока и увеличению объемного кровотока. По мере нормализации трофики и оксигенации тканей их механические параметры и зависящее от них трансмуральное давление постепенно возвращается к исходному показателю. Пропорционально снижению уровня трансмурального давления уменьшается количество сосудов микроциркуляторного русла, в которых имеют место процессы, приводящие к их автоколебательным осцилляциям, до тех пор, пока их интенсивность не приблизится к уровню, соответствующему кровотоку покоя.

При осуществлении заявляемого способа увеличение или снижение эффекта автоколебаний сосудов достигается за счет локального вибрационного воздействия электромагнитным излучателем с индивидуальной частотой собственных колебаний сосудов, автоматически выбранной по результатам компьютерной обработки трех полученных графиков.

При необходимости нормализовать повышенный показатель тонуса сосудов микроциркуляторного русла на отдельном участке тела применяют локальную вибрацию на доминирующей частоте, выбранной в диапазоне 10-30 Гц гармонического спектра спонтанных колебаний сосудов микроциркуляторного русла.

При необходимости увеличить этот показатель применяют локальную вибрацию на частотах, отличных не менее чем на 1 Гц от частот спектра спонтанных колебаний сосудов данной области.

Эффект изменения показателя тонуса сосудов, постепенно уменьшаясь, сохраняется около 1 часа.

Устройство для управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла состоит из цифрового фотоплетизмографа с функцией спектрирования и электромагнитного излучателя с частотой магнитного поля от 8 до 200 Гц, с напряженностью не более 150 мТл. Фотоплетизмограф выполнен на базе сигнального микропроцессора, в состав которого входит аналого-цифровой преобразователь, с подсоединенным к нему фотодатчиком. Микропроцессор обеспечивает управление режимами работы фотодатчика, регистрацию изменения яркостного сигнала в диапазоне частот от 0 до 300 Гц, оцифровку и накопление данный в оперативной памяти, взаимодействие с управляющей программой персонального компьютера. К персональному компьютеру последовательно через генератор синусоидального сигнала, выполненный на базе сигнального микропроцессора, и через усилитель мощности подключен электромагнитный излучатель с катушкой индуктивности.

Параметры генерации сигнала генератором синусоидального сигнала управляются при помощи персонального компьютера по специально разработанной программе. Диапазон частот генератора лежит в пределах от 0,01 Гц до 50 кГц. Амплитуда генерируемого сигнала может регулироваться в пределах 2..600 мВ.

Для работы устройства выполняют коммутацию фотоплетизмографа и электромагнитного излучателя с компьютером и подключают источник питания.

Фотоэлемент, выполненный в виде опто-пары, закрепляют на исследуемом участке тела. Сквозь ткани исследуемого участка пропускают смодулированный (при неизменной яркости) красный свет с длинной волны 0,62 мкм. В отличие от других источников света такой свет не меняет состояния микроциркуляторного русла.

Регистрируют изменение во времени яркостного сигнала на пути между излучающим светодиодом и фотоприемником. Для обеспечения более высоких характеристик сигнал/шум фотоплетизмограф заявляемого устройства регистрирует не абсолютные колебания яркости прошедшего света, а скорость ее изменения (dI/dt), т.е. дифференциальную фотоплетизмограмму.

Быстродействующий микропроцессор обеспечивает управление режимами работы фотодатчика, регистрацию массива данных, их оцифровку и накопление в оперативной памяти с последующей передачей на персональный компьютер для обработки и вывода на экран трех графиков.

Дифференциальная фотоплетизмограмма несет в себе комплексную информацию о динамике движения крови в исследуемой ткани, а также, неизбежно, осложнена посторонними шумовыми сигналами из-за случайных колебаний фотодатчика, засветки исследуемой области от внешних источников света (осветительные приборы, экран монитора и т.п.), а также электрических наводок. Для подавления шумов и выделения полезного сигнала из оцифрованного массива первичных данных применяется прямое и обратное Фурье-преобразования сигнала.

Этот метод позволяет получить набор коэффициентов k_i, характеризующих интенсивность гармонических составляющих обрабатываемого массива данных. В графической форме зависимость амплитуды к; от соответствующих им частот (амплитудно-частотная характеристика) известна как Фурье-спектр и позволяет судить о структуре исследуемого сигнала. Для сигнала фотоплетизмограммы главной гармоникой должна быть частота сердечного ритма (около 1 Гц), а остальные проявляются как высоко- и низкочастотные «обертоны» этого ритма либо как техногенные шумы. Полосы частот 50 и 100 Гц, как правило, связаны с возможностью наводок от сетей переменного тока. Эти наводки могут включаться в сигнал по цепям питания комплекса устройство-компьютер, но, главным образом, за счет попадания света ламп, питаемых переменным током, и экрана компьютерного монитора. Последний фактор дает характерную узкую полосу в указанном интервале, частота которой зависит от модели и настройки монитора (например, 75 или 85 Гц). Собственные шумы электронного блока и фотодатчика могут проявиться во всем рабочем диапазоне частот от 0,1 Гц до 400 Гц. Они носят случайный характер белого шума и их уровень зависит, в основном, от яркости регистрируемого сигнала и выбранного коэффициента усиления К_у: чем слабее сигнал и выше К_у - тем заметнее шумы.

Для очистки от техногенных шумов выполняется прямое Фурье-преобразование оцифрованного сигнала и обнуляются коэффициенты k_i, характеризующие интенсивность гармонических составляющих обрабатываемого массива данных для частот в окрестности 50 и 100 Гц. Затем со скорректированным массивом коэффициентов k_i проводится обратное Фурье-преобразование, результатом которого является восстановленный яркостной сигнал, освобожденный от сетевых наводок и выводимый на монитор. Ширина полосы фильтрации может корректироваться в зависимости от получаемого результата.

Для очистки фотоплетизмограммы от широкополосного белого шума используется принцип Долби-фильтрации.

Эффективность Долби-фильтра зависит от порога фильтрации, задаваемого либо вычисляемого автоматически как средней уровень сигнала на частотах выше 200 Гц (область регистрации белого шума). Все гармоники, амплитуда которых ниже заданного порога, обнуляются, что и обеспечивает очистку спектра от слабых сигналов, не затрагивая основной массив данных.

После 10-секундной экспозиции на монитор выводятся три согласованные во времени диаграммы:

- график исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt - в условных единицах);

- график Фурье-спектра (прямая фотоплетизмограмма), по горизонтальной оси которого отложены частоты полос сигнала (в герцах), а по вертикальной оси - соответствующие им коэффициенты к_i;

- график изменения ускорения (а) пульсирующего потока крови во времени.

На основании полученных данных выполняется автоматический поиск характерных точек кривых и их индикация цветом на диаграммах.

Доминирующая частота из спектра частот спонтанных колебаний исследуемых сосудов в диапазоне 10-30 Гц, представляющих собой четкие пики кривой графика, или частота, отличающаяся от зарегистрированных частот спектра не менее чем 1 Гц, используется для настройки частоты вибрации электромагнитного излучателя.

Выбранный сигнал компьютера через генератор синусоидального сигнала поступает на усилитель мощности, который обеспечивает усиление сигнала генератора до рабочего напряжения, согласованного с конструкцией катушки индуктивности так, чтобы при максимальном сигнале генератора на частоте 50 Гц обеспечивать индуктивность около 30 мГн. Рабочая индуктивность катушки будет зависеть от выбранной частоты сигнала. Но в диапазоне 10…100 Гц останется относительно постоянной.

Включение в схему устройства микропроцессора с фотодатчиком позволяет исследовать отклик (пациента) в процессе выполнения электромагнитного воздействия.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Пациент Т. 72 лет. Диагноз: Гипертоническая болезнь 2 стадии, стенокардия напряжения. АД 200 и 110 мм рт.ст.

Данные ФПГ-измерений в области ногтевой фаланги III пальца правой руки.

T f б Pulse Ad а в b   0,8 0,1 0,71 76,1 745,1 70,7 0,08 483,6 ПТС=90,2%, где Т - длительность цикла
f - время быстрого кровенаполнения
б - время подъема восходящей части
Pulse - частота пульса
Ad - амплитуда дифференциальной ФПГ
а - амплитуда быстрого кровенаполнения
в - время снижения нисходящей части
b - амплитуда максимального кровенаполнения
ПТС - показатель тонуса сосудов

Показатель тонуса сосудов пациента (ПТС) существенно превышает норму.

Фиг.1. Спонтанные колебания сосудов МЦР пациента Т. в диапазоне 10-30 Гц.

На графике (фиг.1) определяется множество узкополосных пиков, занимающих практически весь диапазон 10-30 Гц и имеющих интенсивность 180000-100000 у.е.

Из представленных на графике узкополосных пиков выбран имеющий максимальную амплитуду - 180000 ед. (доминирующий), отмеченный символом М (Мах) у верхней границы графика (15 Гц).

После 15-минутного воздействия переменным магнитным полем частотой 15 Гц и интенсивностью 25 мТл на область правой кисти ПТС (был 90,2% - стал 28,3%) и другие показатели ФПГ резко изменились в сторону нормализации:

T f б Pulse Ad а в b   0,8 0,12 0,22 76,3 1,84 0,18 0,57 0,3 ПТС=28,3%.

Пример 2

Пациент Т. 47 лет. Практически здоров. ДифФПГ области ногтевой фаланги III пальца левой руки показала следующие результаты:

  Т f α Puis Ad a β b Среднее 0,831 0,129 0,262 72,2 14,02 1,252 0,569 2,351 ПТС=31,5%

Они свидетельствуют о нормальной функции МЦР, включая ПТС. При этом зафиксированы следующие частоты спонтанных колебаний сосудов МЦР (фиг.2).

Фиг.2. Спонтанные колебания сосудов МЦР пациента Т. в диапазоне 10-30 Гц.

На одной из частот (18 Гц) присутствующих на графике гармоник ДифФПГ сигнала (фиг.2) произведен 15-минутный сеанс вибрационного воздействия на область ладони левой руки. ДифФПГ исследуемого участка тканей зафиксировала следующие показатели:

  Т f а Puis Ad a β b Среднее 0,842 0,128 0,259 71,2 8,62 0,787 0,584 1,415 ПТС 30,7%

Их сравнение с фоновыми констатирует небольшое снижение ПТС при адекватных изменениях прочих параметров.

Пример демонстрирует отсутствие эффекта повышения изначально нормального тонуса сосудов (ПТС=31,5%) при несоблюдении условий (п.3) о необходимости для этой цели воздействовать частотой, отличающейся от любой из представленных в гистограмме не менее чем на 1 Гц. В данном примере воздействие осуществлялось на частоте, присутствующей в гистограмме - 18 Гц (фиг.2).

Пример 3.

Пациент Н. 34 лет. Практически здоров. Исследования МЦР описанным ранее способом констатировали результаты, свидетельствующие об отсутствии патологических сдвигов:

  Т f α Puis Ad a β b Среднее 0,895 0,128 0,284 67,1 7,57 0,706 0,611 1,283 ПТС=31,8%

Фиг.3. Спонтанные колебания сосудов МЦР пациента Н. в диапазоне 10-30 Гц.

Спонтанные колебания сосудов МЦР представлены низкоамплитудными пиками, расположенными в нижнем отделе спектра наблюдения (фиг.3). 15-минутная вибрация на частоте 18 Гц (отсутствующей в частотном спектре) привела к резкому увеличению ПТС и адекватному степени увеличения сопротивления кровотоку прочих показателей ДифФПГ.

  Т f α Puis Ad a β b Среднее 0,889 0,14 0,81 67,5 712,0 58,8 0,08 463,63 ПТС=91,0%

Пример иллюстрирует повышение изначально нормального тонуса сосудов (почти втрое) при воздействии ПеМП с частотой (18 Гц), отличающейся от представленных в гистограмме частот (10-11,5) не менее (более) чем на 1 Гц.

Изобретение относится к области медицины, а именно к средствам функциональной диагностики. Осуществляют локальное воздействие на исследуемую область переменным магнитным полем. При этом частоту воздействия выбирают из спектра частот спонтанных колебаний сосудов микроциркуляторного русла, ограниченного диапазоном 10-30 Гц. Для снижения повышенного тонуса воздействие осуществляют на доминирующей частоте, а для повышения тонуса воздействие осуществляют на частотах, отличающихся от частот зарегистрированного спектра спонтанных колебаний не менее чем на 1 Гц. Способ расширяет арсенал средств для управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла. 3 ил.

Способ управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла (МЦР), включающий локальное воздействие на исследуемую область переменным магнитным полем, отличающийся тем, что частоту воздействия магнитным полем выбирают из спектра частот спонтанных колебаний сосудов МЦР, ограниченного диапазоном 10-30 Гц; при этом для снижения повышенного тонуса воздействие осуществляют на доминирующей частоте, а для повышения тонуса воздействие осуществляют на частотах, отличающихся от частот зарегистрированного спектра спонтанных колебаний не менее чем на 1 Гц.