Устройство управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла

Полезная модель - устройство для управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла относится к медицинской технике, а именно, к средствам для проведения магнитотерапии и предназначена для корректировки периферийного кровотока путем управления показателем тонуса сосудов микроциркуляторного русла путем локального воздействия переменным магнитным полем с выбранной частотой. Устройство для управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла состоит из цифрового фотоплетизмографа с функцией спектрирования и электромагнитного излучателя с изменяемой частотой магнитного поля от 8 до 200 Гц с напряженностью не более 150 мТл, которые сопряжены с компьютером, обеспечивающим регистрацию и обработку фотоплетизмограммы в режиме мониторинга и управление параметрами электромагнитного излучателя.

Предлагаемое устройство управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла заявляется в качестве полезной модели. Устройство относится к медицинской технике, а именно, к средствам для проведения магнитотерапии.

Предлагаемое устройство предназначено для корректировки периферийного кровотока путем управления показателем тонуса сосудов микроциркуляторного русла путем локального воздействия переменным магнитным полем с выбранной частотой.

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

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

Известное устройство применяется следующим образом: пациента помещают в магнитное поле 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 известного устройства 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 предлагаемого устройства решалась задача моделирования физиологических механизмов регуляции периферийного кровотока на уровне спонтанных высокочастотных осцилляции пульсирующих сосудов.

Заявляемое устройство предназначено для усиления или подавления естественных механизмов гемодинамики за счет регулирования тонуса сосудов микроциркуляторного русла воздействием переменным магнитным полем с частотой собственных колебаний сосудов.

В случае необходимости нормализовать показатель тонуса сосудов микроциркуляторного русла применяется вибрационное воздействие на участок тела пациента переменным магнитным полем на одной из частот спонтанных колебаний сосудов в диапазоне 10-30 Гц. При необходимости увеличить показатель тонуса сосудов - применяется локальная вибрация на частотах, отличающихся не менее чем на 1 Гц. от частоты собственных колебаний указанного диапазона.

Следует отметить, что в отличие от известного устройства такое воздействие носит локальный, кратковременный характер. Учитывая показатель магнитотропности пациента (индивидуальная реактивность к магнитному полю), локальный принцип воздействия, применяемый в заявляемом устройстве, 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 использовании заявляемого устройства, заключается в регулировании периферийного кровотока путем корректировки показателя тонуса сосудов периферийной области.

Сущность полезной модели заключается в следующем.

Управление тонусом сосудов микроциркуляторного русла осуществляется путем локального воздействия на эту область в течение 15 минут 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.

Фотоплетизмограф с функцией спектрирования обеспечивает регистрацию непосредственно дифференциального сигнала 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. (dl²/dt ²), 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.

Увеличение или снижение эффекта автоколебаний сосудов в случае использования заявляемого устройства 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 частотах, выбранных 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 и 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 немодулированный (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 k _i 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 проявляться, как высоко и низкочастотные «обертоны» этого ритма, либо, как техногенные шумы. Полосы частот 50 и 100 Гц, как правило, связаны с возможностью наводок о 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 экраном 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 к _i, характеризующих 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.

Одна из частот спонтанных колебаний исследуемых сосудов в диапазоне 10-30 Гц., представляющих собой четкие пики кривой графика, используется для настройки частоты вибраций электромагнитного излучателя.

Выбранный сигнал с 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, отражающие результаты применения устройства.

Пример 1.

Пациент Г. 68 лет. Диагноз: Гипертонический криз. АД 210 и 110 мм.рт.ст.

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

Т	f		Pulse	Ad	a		b
0,751	0,065	0,613	79,9	390,89	22,456	0,138	156,111

ПТС=81,6% Показатель тонуса сосудов (ПТС) существенно превышает норму.

где: f - время быстрого кровенаполнения, (с)

- время подъема восходящей части, (с)

Pulse - частота пульса, (ударов/мин)

Ad - амплитуда дифференциальной фотоплетизмограммы, (усл.ед.)

а - амплитуда быстрого кровенаполнения, (усл. ед)

- время снижения нисходящей части, (с)

b - амплитуда максимального кровенаполнения, (усл.ед).

На графике (Рис.1) определяется множество узкополосных пиков, занимающих практически весь диапазон 10-30 Гц и имеющих интенсивность 350000-100000 у.е.

После 15-иминутного вибрационного воздействия на одной из представленных на графике частот (16 Гц) на область правой ладони показатели кровотока и, в частности ПТС, резко изменились в сторону нормализации:

	Т	f		Pulse	Ad	a		b
Среднее	0,747	0,126	0,269	80,3	8,08	0,734	0,478	1,350

ПТС=36,0%

ПТС, как и другие показатели кровотока, нормализовался.

Пример 2.

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

Т

f

Puls

Ad

a

b

ПТС=31,5%

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

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

	Т	f		Puls	Ad	а		b
Среднее	0,842	0,128	0,25,9	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 3.

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

	Т	f		Puls	Ad	а		b
Среднее	0,895	0,128	0,284	67,1	7,57	0,706	0,611	1,283

ПТС=31,8%

Спонтанные колебания сосудов МЦР представлены низкоамплитудными пиками, расположенными в нижнем отделе спектра наблюдения (Рис.3). 15-и 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		Puls	Ad	a		b
Среднее	0,889	0,14	0,81	67,5	712,0	58,8	0,08	463,63

ПТС=91,0%

Устройство для управления тонусом сосудов микроциркуляторного русла, включающее цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования и электромагнитный излучатель с изменяемой частотой магнитного поля от 8 до 200 Гц с напряженностью не более 150 мТл, сопряженные с компьютером, который обеспечивает регистрацию и обработку фотоплетизмограммы в режиме мониторинга и управление параметрами электромагнитного излучателя.