Система терапевтического воздействия на пациента путем модуляции биологически активного физического сигнала

 

Полезная модель относится к медицине и медицинской технике, в частности, к автоматизированным системам анализа электрофизиологических сигналов биообъектов и корректировки функционального состояния организма и может быть использована в клинической и поликлинической практике для диагностики и коррекции функционального состояния биообъекта и воздействия на него модулированным физическим сигналом в терапевтических целях [А61В 5/02, А61В 5/04]. Техническим результатом данной полезной модели является сокращение времени проведения обследования и принятия решения о характере терапевтического воздействия до 10-15 мин. Кроме того, существенно повышается надежность и эффективность терапевтического воздействия с учетом реальной клинической картины состояния пациента, обеспечивается индивидуализация терапевтического воздействия в режиме on-line. Заданный технический результат достигается за счет того, что система терапевтического воздействия на пациента путем модуляции биологически активного физического сигнала, содержащая компьютерный электроэнцефалограф с соответствующим программным обеспечением, позволяющий проводить запись, регистрацию, амплитудный, спектральный анализы и сохранение результатов через компьютер и визуально наблюдать все результаты на мониторе, стереонаушники с регулятором громкости для воспроизведения звуковых ритмов в различных известных форматах через разъем звуковой карты компьютера, компьютерную программу звукозаписи, функцией которой является создание и запись спектральной мощности акустических ритмов, частотно модулированных в диапазонах ритмов ЭЭГ, и выполненную с возможностью определения фонового паттерна ЭЭГ пациента, также система содержит блок модуляции, выполненный с возможностью осуществления частотной модуляции музыкального фрагмента или синтезированного набора звуков в диапазонах ЭЭГ дельта, тета, альфа, бета-1 и бета-2 ритмов биоэлектрической активности головного мозга по отдельности или в различных сочетаниях между собой, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно входит анализатор кодовых комбинаций с функцией выдачи в автоматизированном режиме управляющего сигнала биологической обратной связи и данных ЭКГ, также система содержит многоканальный полиграф и датчики для регистрации биосигналов вегетативных процессов организма человека (частота сердечных сокращений, артериальное давление, частота дыхания), функцией которых является формирование и передача сигналов биологической обратной связи.

Полезная модель относится к медицине и медицинской технике, в частности, к автоматизированным системам анализа электрофизиологических сигналов биообъектов и корректировки функционального состояния организма и может быть использована в клинической и поликлинической практике для диагностики и коррекции функционального состояния биообъекта и воздействия на него модулированным физическим сигналом в терапевтических целях [А61В 5/02, А61В 5/04].

Способом существования и важнейшей характеристикой биологических систем являются колебательные процессы (биоритмы) с периодами колебаний от миллисекунд до десятков лет. Они отражают динамику процессов, состояний, структурно-функционального взаимодействия и т.д. за квазипериодические промежутки времени. Квазипериодичность проявляется в том, что повторяемость биологического процесса в ритме относительна, каждый цикл по своему содержанию отличается от предыдущего, будущее значение измеряемой величины не может быть предсказано с достаточной точностью. В организме нет застывших раз и навсегда заданных ритмов, частота любого из них меняется во времени. Циклические колебания физиологических процессов разных уровней наиболее целесообразны с энергетической точки зрения, а изменчивость длительности этих колебаний позволяет осуществить настройку и перенастройку активных функциональных связей в зависимости от потребностей какого-либо органа или системы в целом. Утрата способности к динамическому балансированию приводит к нарушению согласованного взаимодействия регуляторных систем организма, с соответствующими клиническими проявлениями в виде разнообразных симптомов и синдромов. Иными словами, динамика здоровой физиологической системы должна продуцировать нерегулярные и комплексные типы вариативности, в то время как заболевание и старение связаны с потерей комплексности и большей регулярностью (Ehlers C.L. Chaos and complexity: can it help us to understand mood and behavior. Arhives of General Psychiatry. 1995. vol.52., p.960-964). При этом изменения функционального характера возникают уже при минимальных нарушениях динамической структуры ритмического паттерна. Восстановление структурно-динамических взаимоотношений биоритмов организма позволяет справиться с патологическим процессом и откорректировать нарушенные функции (см. Василевский Н.Н., 1979; Сороко С.И. и др., 1990; Романов С.М., 1991; Бекшаев С.С.и др., 1998; Суворов Н.Б., Фролова, 2002; Святогор И.А. и др., 2004).

Из уровня техники известен способ и устройство способ коррекции функционального состояния биологического объекта и устройство для его осуществления (Патент РФ 2107425, 1997 г.) В известном способе на биологическую структуру осуществляют электрическое и/или магнитное, и/или электромагнитное воздействие. Для увеличения эффективности воздействия по крайней мере одно из воздействий модулируют музыкальным фрагментом. Устройство включает средство для создания упомянутого воздействия или совокупности таких воздействий, которое имеет узел для измерения, по крайней мере, одного из параметров, по крайней мере, одного из воздействий. Устройство также имеет блок для подачи музыкального фрагмента, в том числе и в акустическом диапазоне, выход которого подключен к соответствующему входу модуляции упомянутого средства. Модуляция амплитудная, частотная, фазовая или широтно-импульсная позволяет за более короткий срок и с высокой степенью достоверности осуществлять изменение заданных параметров функционального состояния биологического объекта.

Недостатками этого способа является отсутствие синхронизации информационных частот воздействующего фактора с нормальными ритмами жизнеобеспечения функциональных систем организма на всех уровнях организации.

Известен способ воздействия на организм человека с целью биоадаптивной коррекции функционального состояния человека (Патент РФ 2096990, 1997 г.), заключающийся в том, что внешнее звуковое воздействие осуществляют в виде генерирования музыкальных звуков путем параметрического изменения их высоты, громкости и длительности в критериальной зависимости от изменения дискретно-текущего значения характерного обобщенного параметра частотного спектра преобразованного биосигнала - биоэлектрического потенциала. При этом из зарегистрированной графической информации о биоэлектрической активности выделяют временные интервалы одинаковой длительности, преобразуют их по методу Фурье в частотный спектр, определяют для каждого спектрального интервала обобщенный безразмерный параметр, в числовом промежутке между минимальным и максимальным значениями этого параметра выстраивают пропорциональную шкалу параметров музыкального звука, определяют для каждого спектрального интервала по его численному значению обобщенного параметра соответствующие значения параметров музыкального звука и преобразуют их посредством звуковой карты в звуковые сигналы, генерируемые в последовательности, соответствующей первоначально зарегистрированному чередованию временных интервалов.

Известен также способ коррекции психофизиологического состояния человека (Патент РФ 2071361, 1997 г.), заключающийся в улучшении эффективности коррекции психофизиологического состояния человека за счет повышения степени однозначности преобразования электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в сигнале биологической обратной связи. Способ включает модуляцию звуковых сигналов сигналами пневмограммы человека и преобразование сигналов ЭЭГ в звуковые путем транспонирования спектра сигналов ЭЭГ в частотный диапазон звуковых сигналов, которыми затем воздействуют человека путем организации биологической акустической обратной связи, причем воздействие транспонированными сигналами начинают на стадии затухания модулированных пневмограммой звуковых сигналов биологической обратной связи (БОС). При этом транспонирование спектра сигналов ЭЭГ в частотный диапазон звуковых сигналов осуществляют разложением сигналов ЭЭГ в ряд квазипериодических сигналов и их слежения.

Общим недостатком приведенных выше способов и системы является попытка «навязать» организму (нелинейной, открытой, диссипативной системе) его собственные ритмы, которые отражают текущее (в том числе и патологическое) состояние всех структурно-функциональных систем биообъекта. Эволюция поведения (и развития) нелинейных систем сложна и неоднозначна. Поэтому изменение внешних или внутренних параметров могут вызвать отклонение такой системы от ее неустойчивого стационарного состояния в любом направлении. Оказывая регулирующее воздействие по такому принципу, без учета законов развития системы и возможных «сценариев» ее эволюции можно получить как положительный, так и отрицательный эффект.

Известен способ и устройство для выявления и анализа информативных специфических признаков функционального состояния (Патент РФ 2128004, 1999 г.), в частности онкологических заболеваний и патологических состояний, вызванных воздействием токсических (наркотических) средств, по кардиоритмограмме. В данном способе исследуемым сигналом служит кардиосигнал, а в качестве информативных специфических признаков функционального состояния используют последовательности равноинтервальных волн. Устройство для анализа электрофизиологических сигналов состоит из блока выделения переключений и вычислительного блока, между ними введен блок выделения информативных специфических признаков, подсчитывающий количество интервалов от локального минимума до следующего локального минимума, выделяющий последовательности из двух-, трех- и более интервальных волн, длину последовательностей и их массив, при этом вычислительный блок связан с дисплеем и клавиатурой.

Недостатком описанного способа и устройства являются невозможность их использования для воздействия на биообъект с терапевтическими целями, поскольку они являются диагностическим средством.

Наиболее близким аналогом является система для восстановления эмоционально-аффективных состояний человека (патент на полезную модель РФ 63201 от 26.07.2006), состоящая из компьютера, компьютерной программы звукозаписи, датчиков снятия данных ЭЭГ энцефалографа, стереонаушников с регулятором громкости, отличающаяся тем, что содержит компьютерный энцефалограф, функцией которого является проведение записи, регистрации, амплитудного, спектрального анализов и сохранение результатов на компьютере, а стереонаушники подключены через разъем звуковой карты компьютера, причем функцией компьютера является генерирование сигналов синусоидальной формы, отдельно в правый канал звукозаписи несущей частоты, и в левый канал по частоте больше, чем в правый на величину, соответствующую установленным индивидуальным средним частотам альфа или бета-диапазона, с точностью до десятых или сотых долей Гц; функцией компьютерной программы звукозаписи является создание и запись бинауральных ритмов. Недостатками этой системы является отсутствие синхронизации информационных частот воздействующего фактора с нормальными ритмами жизнеобеспечения функциональных систем организма на всех уровнях организации. Наиболее близким решением является полезная модель РФ 72632 (опублик. от 27.08.2008). Описана система терапевтического воздействия на пациента путем модуляции биологически активного физического сигнала, содержащая компьютерный электроэнцефалограф с соответствующим программным обеспечением, позволяющий проводить запись, регистрацию, амплитудный, спектральный анализы и сохранение результатов через компьютер и визуально наблюдать все результаты на мониторе, стереонаушники с регулятором громкости для воспроизведения звуковых ритмов в различных известных форматах через разъем звуковой карты компьютера, отличающаяся тем, что содержит компьютерную программу звукозаписи, функцией которой является создание и запись спектральной мощности акустических ритмов, частотно модулированных в диапазонах ритмов ЭЭГ, и выполненную с возможностью определения фонового паттерна ЭЭГ пациента, также система содержит блок модуляции, выполненный с возможностью осуществления частотной модуляции музыкального фрагмента или синтезированного набора звуков в диапазонах ЭЭГ дельта, тета, альфа, бета-1 и бета-2 ритмов биоэлектрической активности головного мозга по отдельности или в различных сочетаниях между собой.

Недостатки прототипа: отсутствие БОС, отсутствие блока анализатора кодовых комбинаций, что существенно увеличивает время обследования (до 45÷60 мин.) и не гарантирует принятие оптимального решения.

Техническим результатом данной полезной модели является сокращение времени проведения обследования и принятия решения о характере терапевтического воздействия до 10÷15 мин. Кроме того, существенно повышается надежность и эффективность терапевтического воздействия с учетом реальной клинической картины состояния пациента, обеспечивается индивидуализация терапевтического воздействия в режиме on-line.

Заданный технический результат достигается за счет того, что система терапевтического воздействия на пациента путем модуляции биологически активного физического сигнала, содержащая компьютерный электроэнцефалограф с соответствующим программным обеспечением, позволяющий проводить запись, регистрацию, амплитудный, спектральный анализы и сохранение результатов через компьютер и визуально наблюдать все результаты на мониторе, стереонаушники с регулятором громкости для воспроизведения звуковых ритмов в различных известных форматах через разъем звуковой карты компьютера, компьютерную программу звукозаписи, функцией которой является создание и запись спектральной мощности акустических ритмов, частотно модулированных в диапазонах ритмов ЭЭГ, и выполненную с возможностью определения фонового паттерна ЭЭГ пациента, также система содержит блок модуляции, выполненный с возможностью осуществления частотной модуляции музыкального фрагмента или синтезированного набора звуков в диапазонах ЭЭГ дельта, тета, альфа, бета-1 и бета-2 ритмов биоэлектрической активности головного мозга по отдельности или в различных сочетаниях между собой, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно входит анализатор кодовых комбинаций с функцией выдачи в автоматизированном режиме управляющего сигнала биологической обратной связи и данных ЭКГ, также система содержит многоканальный полиграф и датчики для регистрации биосигналов вегетативных процессов организма человека (частота сердечных сокращений, артериальное давление, частота дыхания), функцией которых является формирование и передача сигналов биологической обратной связи.

На Фиг.1 показана блок-схема устройства системы, где 1 - компьютерный электроэнцефалограф, 2 - компьютер (блок кодового терапевтического воздействия), 3 - пациент, 4 - стереонаушники, 5 - энцефалографические датчики, 6 - плеер, 7 - датчики регистрации биосигналов (частота сердечных сокращений, артериальное давление, частота дыхания), 8 - блок регистрации и записи ЭКГ, 9 - многоканальный полиграф (анализатор кодовых комбинаций с функцией выдачи в автоматизированном режиме управляющего сигнала биологической обратной связи).

Зависимость модулирующей частоты от времени представляет собой кривую с максимумом, растущая и ниспадающая ветви которой описываются экспоненциальными зависимостями с различными показателями степени.

Частотный диапазон и временной интервал, в течение которого осуществляется модуляция определяются с помощью математической модели открытой, нелинейной саморегулирующейся системы. Физические сигналы (например, акустические) стандартным способом через стандартные передающие устройства подаются на органы слуха биообъекта.

Принцип работы устройства состоит в следующем. По команде компьютера (2) на прибор ЭЭГ (1) поступает сигнал о снятии данных ЭЭГ с пациента (3) через датчики (5).

Результатом чего является запись ЭЭГ в состоянии покоя (фоновая) пациента, а также запись ЭЭГ изменений на открывание-закрывание глаз пациента. Далее на компьютере (2) с помощью программы, например, Энцефалан-131-03 или НЕЙРОН-СПЕКТР-2, производят анализ спектральной мощности ритмов, результатом чего является определение фонового паттерна ЭЭГ.

Отличительной особенностью системы является то, что в ее состав дополнительно входит анализатор кодовых комбинаций (9) для выдачи в автоматизированном режиме управляющего сигнала биологической обратной связи, в том числе по каналу ЭКГ от блока регистрации и записи ЭКГ (8), для идентификации спектральной мощности акустических ритмов, частотно модулированных ритмами ЭЭГ, что обеспечивается на основе специализированной экспертной системы, содержащей базу знаний, актуализирующей коррелятивные связи формализованных моделей «воздействие», и применения средств мониторинга проявления вегетативных процессов организма человека (частота сердечных сокращений, артериальное давление, частота дыхания), контроль за которыми осуществляется методами биологической обратной связи (БОС). БОС реализуется с помощью многоканального полиграфа (9) и соответствующих датчиков (7) для регистрации биосигналов, что обеспечивает обоснованный выбор окончательной кодовой комбинации данного терапевтического воздействия.

В качестве анализатора кодовых комбинаций (многоканального полиграфа) (9) может быть использовано устройство сопряжения с персональным компьютером в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для обработки биосигналов в системе "аналог - код".

Кроме того, этот блок может быть выполнен в виде модульной конструкции, элементы которой размещаются на отдельной стойке.

Под специализированной экспертной системой надо понимать прикладную программу, содержащую базу данных и базу знаний.

База данных содержит совокупность сведений, которые используются врачами-специалистами в своей предметной области. Например, паттерны ЭЭГ, характерные для того или иного физиологического состояния, паттерны ЭКГ, отражающие нарушения электрической активности сердца (инфаркт миокарда, аритмии и т.д.).

База знаний содержит модели принятия решения на основе клинико-диагностических данных в рамках существующей теории медицины. Этими моделями должны руководствоваться врачи в своей повседневной практике.

Таким образом, помимо собранных фоновых паттерн ЭЭГ пациента, также аккумулируют данные ЭКГ, частоту сердечных сокращений, артериальное давление, частоту дыхания и передают все эти данные на анализатор кодовых комбинаций (многоканальный полиграф) (9), после чего данные обрабатывают на компьютере (2), который являясь блоком кодового терапевтического воздействия, формирует акустическую запись и передает на плеер (6) и далее пациенту (3) через наушники (4) путем последовательного перебора тестовых акустических сигналов, частотно модулированных в диапазонах ритмов ЭЭГ, производят подбор таких акустических диапазонов или сочетания диапазонов, которые способствуют нормализации паттерна ЭЭГ пациента, ЭКГ и иных параметров биосигналов, полученных методом БОС. На фоне каждого предъявляемого воздействия осуществляют анализ спектральной мощности ритмов ЭЭГ и оценку изменения соотношения диапазонов ЭЭГ в сторону нормализации: тенденция к увеличению мощности альфа - активности с одновременным уменьшения тета и/или бета-составляющих.

Благодаря использованию метода БОС удается сократить время процедуры посредством уменьшения числа тестовых звуковых воздействий, которое в прототипе достигает 5 минут, а перерыв между воздействиями не менее 5 мин. После каждого воздействия проводится контрольная запись и анализ ЭЭГ. Данная запись необходима для оценки устойчивости навязанных звуковым воздействием изменений паттерна биоэлектрической активности головного мозга - центрального звена регуляции. Нормализация соотношения диапазонов ЭЭГ отражает вертикаль естественных взаимовлияний между регуляторными структурами центральной нервной системы, сопровождающихся улучшением общесоматического и психоэмоционального состояния.

В компьютере (2) проводится сравнение результатов вычислений с рассчитанными по математической модели внешними и внутренними параметрами-аналогами положительных и отрицательных обратных связей в организме, производится подбор переменных величин (диапазон/диапазоны и продолжительность модуляции, показатели степени экспоненциальных зависимостей) и осуществляется модуляция физического (например, акустического) сигнала. Модуляция сигнала может быть реализована через звуковую карту компьютера (2), имеющей стереофонический выход, либо через синтезатора или портастудию.

Терапевтическое лечение пациента проводят воздействием на него выявленными акустическими сигналами или их диапазонами, которые способствовали нормализации паттерна ЭЭГ пациента.

Работа системы основана на следующей теории.

Восстановление динамической структуры биоритмов возможно при воздействии на организм нелинейно модулированными колебаниями любой природы (механическими, электромагнитными и т.д.). Параметрические колебания быстро теряют свою «новизну» и становятся биологически не значимыми. В заявленном устройстве используется звуковое воздействие как наиболее просто осуществимое.

Системный анализ рассматривает саморегуляцию и самоорганизацию как процесс установления внутрисистемного взаимодействия через резонанс (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986.). В нелинейной системе, каковой является организм (Николис Г., Пригожин И. Познание сложного: Введение. М.: Мир, 1990. Карнаухов А.В., Пономарев В.О. «Диссипативный резонанс - новый класс физических явлений. Некоторые подходы к аналитическому описанию». Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2001, 8, с.23-31.), резонанс имеет сложный параметрический характер, подчиняющийся определенным законам, которые доступны анализу путем исследований. Использование этих закономерностей позволяет производить целенаправленную коррекцию динамической структуры биоритмов и, как следствие, восстановление взаимодействия регуляторных систем организма и его функционального состояния.

Электроэнцефалографические исследования показали, что для каждого пациента существует свой индивидуальный акустический диапазон или сочетание диапазонов, который оказывает нормализацию паттерна ЭЭГ пациента.

Посредством учета реальной клинической картины состояния пациента существенно повышается надежность и эффективность терапевтического воздействия, а индивидуализация терапевтического воздействия в режиме on-line достигается благодаря применению БОС.

Клинические примеры.

Пример 1.

Больной А. находился на стационарном лечении по поводу гипертонической болезни II стадии, ишемической болезни сердца, стенокардии напряжении, атеросклероза аорты, атеросклеротического кардиосклероза, дисциркуляторной энцефалопатии I стадии в форме псевдоневрогенного синдрома. При использовании полезной модели курс терапевтического воздействия состоял из пяти ежедневных сеансов (по пять минут каждый) слушания музыки (фрагментов из оперы Верди), модулированной бэта-1-ритмом ЭЭГ. Продолжительность полного курса-6 дней и больного А. до и после воздействия биологически активным физическим сигналом методом компьютерной полиметрии регистрировались показатели функционального состояния (таблица 1).

Содержательный анализ полученных данных свидетельствует о том, что после терапевтического воздействия биологически активным сигналом у больного А. возросла активность регуляторных гомеостатических механизмов. Высокий уровень сигнала в структуре аффертной импульсации, исходящей из соответствующих органов и систем, указывает на незавершенность процесса формирования функциональных систем организмов. В этих условиях регулирования функций осуществляется с помощью положительных и отрицательных обратных связей. Неотъемлемым компонентом такого регулирования является эмоциональное возбуждение, которое было предусмотрено стандартизованным тестовым заданием.

Пример 2.

Больной Б. находился на стационарном лечении по поводу язвенной болезни двенадцатиперстной кишки, множественных острых язв луковицы двенадцатиперстной кишки. Курс терапевтического воздействия с применением данной полезной модели включал пять ежедневных сеансов (по пять минут каждый) в течении шести дней слушания музыки (хиты в исполнении группы «АББА»), модулированной тета-ритмом ЭЭГ. Результаты компьютерной полиметрии функционального состояния больного Б. представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что у данного пациента после курсового терапевтического воздействия показатель «биологический возраст», который характеризует темп преждевременного старения организма, уменьшился и практически приблизился к его календарному возрасту. В этой связи обращает на себя внимание особенности гомеостатической реактивности. Так, у данного пациента показатель высокой активности регуляторных механизмов гомеостаза составил 74,2% (прежнее значение показателя 60,3%).

Пример 3.

Больной В. страдает хроническим простатитом и папилломатозом предстательного отдела уретры. Полный курс терапевтического воздействия на организм с использованием данной полезной модели предусматривал пять ежедневных сеансов по пять минут слушания музыки (фортепианные сонаты Бетховена), моделированной альфа- и тэта-ритмами ЭЭГ. Результаты компьютерной полиметрии функциональных показателей у больного В. до и после воздействия модулированным физическим сигналом представлено в таблице 3.

Из таблицы 3 следует вывод о том, что данный тип воздействия повышает активность регуляторных гомеостатических механизмов. Это в конечном итоге обеспечивает (в определенных границах) устойчивость основных физиологических функций организмов. Следовательно, предложенный подход может быть принят за «стандарт» при обосновании клинического прогноза в отношении больных хроническими заболевании и выборе методов их лечения и реабилитации.

Система терапевтического воздействия на пациента путем модуляции биологически активного физического сигнала, содержащая компьютерный электроэнцефалограф с соответствующим программным обеспечением, позволяющий проводить запись, регистрацию, амплитудный, спектральный анализы и сохранение результатов через компьютер и визуально наблюдать все результаты на мониторе, стереонаушники с регулятором громкости для воспроизведения звуковых ритмов в различных известных форматах через разъем звуковой карты компьютера, компьютерную программу звукозаписи, функцией которой является создание и запись спектральной мощности акустических ритмов, частотно модулированных в диапазонах ритмов ЭЭГ, и выполненную с возможностью определения фонового паттерна ЭЭГ пациента, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно входит блок регистрации и записи ЭКГ, анализатор кодовых комбинаций с функцией выдачи в автоматизированном режиме управляющего сигнала биологической обратной связи и данных ЭКГ, также система содержит датчики для регистрации биосигналов вегетативных процессов организма человека (частота сердечных сокращений, артериальное давление, частота дыхания), функцией которых является формирование и передача сигналов биологической обратной связи.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полимерным упаковкам для пастообразных продуктов и рассмотрено в качестве прототипа

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике и может быть использована при проведении атомно-эмиссионного спектрального анализа металлов и сплавов в спектрометрах с электрическими детекторами излучения

Настоящая полезная модель относится к области генетического анализа с использованием метода капиллярного электрофореза и найдет применение при секвенировании и фрагментном анализе ДНК в медицине и медико-биологических научных исследованиях, а также для санитарного, экологического и криминалистического контроля.
Наверх