Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 83 УДК 615.83 ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ ФИЗИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Осипов А.Н.1, Зайцева Е.Г 2, Мельниченко Д.А.1, Давыдов М.В1., Грабцевич Е.В.2 1 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Республика Беларусь 2 Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь Проанализирована концепция физиотерапевтических комплексов нового поколения. Сформулированы требования к базе данных для них. Обоснован перечень задач, которые необходимо решить для создания таких комплексов. (E-mail: zaytseva3@yandex.ru) Ключевые слова: физиотерапевтические комплексы, база данных, электростимуляция. Введение Сформировавшиеся и ставшие классиче- скими принципы применения физических и иных факторов в физиотерапии в основном определя- лись соответствующим уровнем развития тех- ники. С появлением устройств, позволяющих генерировать различные виды токов и полей в медицине и физиологии, осуществлялось иссле- дование их влияния на биологические объекты и в конечном итоге на организм человека. В насто- ящее время известно множество методов физио- терапии, систематизация которых наряду с об- щими теоретическими аспектами механизмов воздействия приведена в [1–3]. По мере выявле- ния статистически верифицированных позитив- ных эффектов принималось решение о возмож- ности рекомендации данного воздействия для лечения пациентов. Такой процесс физиотерапев- тического воздействия можно представить сле- дующей схемой (рисунок 1). Формирование статистической базы данных происходило и происходит в настоящее время в рамках научных исследований и клинических наблюдений. Накопление данных является тру- доемким и занимающим длительное время про- цессом. Врач получает информацию об исполь- зовании физиотерапевтических приемов в виде методических рекомендаций и инструктивных писем, чаще всего в обобщенном виде формули- рующих условия применения физических факто- ров, на основании которых сложно учесть инди- видуальные особенности здоровья конкретного пациента. В настоящее время все шире в физиотерапии начинает применяться комплексное воздействие двумя и более факторами [1–5]. В естественных условиях здоровый или больной человек посто- янно испытывает действие множества физиче- ских и иных факторов, интенсивность которых значительно превышает пороговые значения (звуковые, температурные, световые, электро- магнитные, эмоциональные раздражители). Здесь, по мнению специалистов [6], практика далеко опережает научные исследования, и про- блема комплексного применения лечебных физи- ческих факторов заслуживает углубленного ис- следования. Изучение возможности параллель- ного применения нескольких факторов физиоте- рапии еще более усложняет как задачу создания базы данных, так и работу врача по назначению комплексной процедуры с конкретными парамет- рами для достижения полезного результата. В то же время совершенствование техниче- ской базы в области информационных техноло- гий, измерения и обработки сигналов, создания генераторов различных факторов физического воздействия с учетом тенденций развития техни- ческих систем позволяет обеспечить создание физиотерапевтических комплексов нового поко- ления, более эффективно воздействующих на пациента с учетом его индивидуальных особен- ностей, с возможностью обращения к глобаль- ным базам данных. Методы оценки качества объектов и процессов 84 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 врач блок визуализации воздействия и корректировки синтезатор факторов воздействия стандарт лечения результаты диагностики после терапии результаты начальной диагностики статистическая база данных амбулаторная карта врач назначенные параметры Рисунок 1 – Концептуальная схема традиционной физиотерапии Целью настоящей работы является анализ современного уровня физиотерапевтических комплексов и постановка задач по совершен- ствованию этой базы данных с учетом совре- менного состояния техники. Очевидно, что объем и скорость развития базы существенно возрастут при наличии межгосударственного сотрудничества специалистов в этой области. Совершенствование базы данных для реали- зации алгоритмов по выбору методов физио- терапии Для повышения результативности лечебно-диагностического процесса и об- легчения работы физиотерапевта целесо- образно создать и реализовать на практике алгоритмы компьютерной программы по выбору методов физиотерапии для кон- кретных пациентов. Схема такого алгоритма, предложенного Т.В. Илларионовой [7], пред- ставлена на рисунке 2. В работе [7] также сформулирована задача по созданию не- обходимого банка данных для реализации ал- горитма. Очевидно, что база данных должна быть универсальной и создана для применения всех известных и вновь разрабатываемых ме- тодов физиотерапии по всем заболеваниям, где может быть рекомендовано применение физиотерапии. Основой базы данных могут служить материалы, приведенные в [1]. Рисунок 2 – Общие данные и алгоритм программы выбора метода физиотерапии [7] Создание физиотерапевтических комплексов многофакторного воздействия с обратной связью Дальнейшее развитие исследований в об- ласти медицины и техники позволило создать аппараты, например Endomed 682V, Myomed 932, позволяющие проводить диагностику для конкретного пациента перед началом или в те- чение процедуры. Для корректного опреде- ления параметров стимуляции мышц в Myomed 932 встроена расширенная электродиагностика Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 85 с автоматическим определением наиболее важных параметров состояния мышцы. Появление аппаратов такого типа стало начальным этапом перехода системы «физио- терапевтический аппарат» в надсистему «фи- зиотерапевтический комплекс» в качестве со- ставного элемента. На следующем этапе появи- лись физиотерапевтические комплексы, позво- ляющие в зависимости от состояния пациента синтезировать изменяющуюся во времени про- странственную конфигурацию воздействую- щего фактора. В таком магнитотерапевтическом ком- плексе «Мультимаг» производится общее воз- действие на заданные участки тела магнитным полем с дискретно управляемой структурой и возможностью установки параметров про- цедуры в соответствии с текущим состоянием пациента. Современную концепцию физиотера- певтических комплексов графически можно изобразить в виде схемы, представленной на рисунке 3. врач блок визуализации воздействия и корректировки система принятия решений синтезатор факторов воздействия база данных блок измерения пациент Рисунок 3 – Современная концептуальная схема физиотерапевтических комплексов В этих комплексах должна быть преду- смотрена возможность параллельного или по- следовательного воздействия несколькими факторами, должны быть введены блоки об- ратной связи, позволяющие вносить коррек- тивы с учетом эффективности процедур. По- мимо этого, целесообразно предусмотреть анализ не только интенсивности и продолжи- тельности действия факторов, но и их после- довательность и/или параллельность воздей- ствия при сопряженных способах их предъяв- ления. Необходимо учитывать индивидуаль- ные особенности каждого пациента и его функциональное состояние в конкретный мо- мент сеанса, создавать и поддерживать в тече- ние процедуры соответствующее эмоциональ- ное состояние. Кроме подобранных с учетом пожеланий пациента визуальных, звуковых и, возможно, других раздражителей (если их воздействие не оказывает отрицательного вли- яния на организм), необходимо обеспечить максимально возможный комфорт в помеще- нии, где осуществляется воздействие комплек- сом факторов. Целесообразно использовать эффект плацебо, основанный на доверии паци- ентов опытным специалистам, причем контакт врача и пациента в этом случае может быть не только личным, но и виртуальным. Очевидно, что для создания и эффектив- ного применения физиотерапевтических ком- плексов такого типа содержание традиционной базы данных недостаточно. Помимо статисти- ческих данных результатов воздействия, она должна быть дополнена следующими компо- нентами: методикой выбора комплекса «опера- тивных», определяемых в процессе сеанса па- раметров для оценки восприимчивости паци- ента к выбранным методам физиотерапии, дан- ными по корреляции между результатами воз- действия и значениями «оперативных» пара- метров, данными по совместимости факторов воздействия, по их индивидуальному и «доле- вому» влиянию на «оперативные» параметры и на результаты воздействия. Для повышения эффективности физиотера- пии предложено дополнить данную концепцию введением психофизического воздействия, тре- нинга для активных пациентов и контролем утомляемости от процедуры. В качестве актив- ных здесь рассматриваются пациенты, имеющие возможность выполнять в процессе сеанса фи- зиотерапии задания, связанные с напряжением и расслаблением мышц, а также проходить тесты на утомляемость. Содержание тестов определя- ется индивидуальными особенностями пациента. Схема ввода этих дополнительных факторов и воздействий при физиотерапии представлена на рисунке 4. Если пациент не является активным, Методы оценки качества объектов и процессов 86 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 т.е. по ряду причин не может выполнять выше- упомянутые задания и тесты, для него можно, кроме физиотерапевтического воздействия, со- хранить психофизическое. устройство для тренировочного инструктажа активный пациент тесты на утомляемость дополнительное психофизическое воздействие тесты на утомляемость воздействие факторами физиотерапии и контроль оперативных параметров Рисунок 4 – Схема дополнительных факторов, пред- лагаемых для включения в концепцию Успешное создание такой базы данных возможно при разработке дополнительных нор- мативных документов, в которых необходимо предусмотреть регламентирование сотрудни- чества медицинских и инженерных специа- листов, что даст возможность решить ниже- приведенные задачи. 1. Создание базы данных применения про- токольно утвержденных методов физиотерапии для данного заболевания. 2. Создание базы данных по противопока- заниям применения известных методов физио- терапии. 3. Создание методик объективной оценки восприимчивости пациента к выбранному ме- тоду или методам физиотерапии и соответ- ствующему выбору начальных параметров процедуры. 4. Создание эффективных методик кон- троля функционального состояния пациента в процессе сеанса физиотерапии. 5. Создание методик оперативной коррек- тировки параметров процедуры в зависимости от состояния пациента и эффективности прово- димого лечения. 6. Создание на основе разработанных методик и баз данных соответствующих алго- ритмов и компьютерных программ, позволяю- щих увеличить эффективность деятельности врачей-физиотерапевтов. Задачи 1 и 2 могут быть решены только медицинскими специалистами, для решения задач 3, 4, 5 понадобятся совместные усилия медиков и инженеров, задачу 6 смогут решить инженеры. Поэтому необходима разработка нормативных документов, которые регламен- тируют сотрудничество медицинских и инже- нерных специалистов для повышения его эф- фективности. Инженерами уже разработаны отдельные методики и устройства, позволяющие частично решать задачу 3. К ним относятся, например, разработанная методика оценки эффективности сигналов электростимуляции для проявления сократительной способности [8]. Оценка про- исходит в три этапа: 1) этап задания парамет- ров стимулирующего воздействия; 2) этап мо- делирования сигнала и расчета его спектраль- ных параметров; 3) этап определения эффек- тивности сигнала электростимуляции для про- явления сократительной способности. На первом этапе пользователь задает пара- метры стимулирующего воздействия: форму импульса, его длительность, частоту следова- ния, несущую частоту. На втором этапе проис- ходит моделирование сигнала и расчет его спектральных параметров: эффективной поло- сы спектра Fэфф и взвешенного коэффициента вариации VВ (методики расчета приведены в [9]). На третьем этапе выполняется оценка ши- рины эффективной полосы спектра. Если зна- чение Fэфф меньше 10 4, то сигнал имеет мио- стимулирующие свойства. Далее анализируется значение взвешенного коэффициента вариации. Если значение взвешенного коэффициента вариации находится в пределах VВ = 0,1–0,001, то сигнал имеет сильную потенциальную со- ставляющую для проявления сократительной способности. Если значение взвешенного коэффициента вариации находится в пределах VВ = 1–0,1, то сигнал имеет слабую потенци- альную составляющую для проявления сокра- тительной способности. Если значение взве- шенного коэффициента вариации больше 1, сигнал обладает крайне низкой потенциальной составляющей для проявления сократительной способности и неэффективен при проведении процедур электромиостимуляции. Если значе- ние Fэфф больше 10 4 и значение VВ находится в пределах 10-5–10-3, сигнал может использо Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 87 ваться при проведении процедур электроанал- гезии. Существуют также отдельные устройства, позволяющие частично решать задачу 5. В ка- честве примера можно указать адаптивный электростимулятор с биотехнической обратной связью на основе фазочастотной характери- стики (ФЧХ) стимулируемой ткани, с помощью которой осуществляется выбор несущей ча- стоты стимулирующего сигнала [9]. Процедура электростимуляции проходит в три этапа: 1) этап диагностики, 2) этап расчета и задания параметров стимулирующего сигнала и процедуры стимуляции в целом, 3) этап элек- тростимуляции биологических тканей. На этапе диагностики проводится измерение фазоча- стотной характеристики биологической ткани. Для этого генерируется тестовый сигнал, кото- рый представляет собой импульс белого шума с частотой дискретизации 40 кГц. Данный им- пульс позволяет рассчитать ФЧХ в следующем частотном диапазоне: 20 Гц – 20 кГц. Исходя из заданной длительности тестового сигнала, точ- ность составляет ±10 Гц. Максимальная сила тестового сигнала равна 1 мА. Ток и напряже- ние, возникшие в биологической ткани реги- стрируются с помощью АЦП. Далее методом комплексных передаточных функций рассчи- тывается ФЧХ биологического объекта. Опре- деляется частота, соответствующая минимуму ФЧХ ),( min *f и вычисляется оптимальная частота стимулирующего сигнала. После этого начинается электростимуляция подэлектрод- ных тканей. Таким образом, рассмотренный адаптивный электро-стимулятор позволяет в диапазоне 20Гц – 20кГц с точностью ±10 Гц находить оптимальную частоту стимуляции и сохранять адекватность воздействия в усло- виях изменения свойств биологических тка- ней. Известны устройства, позволяющие от- слеживать тепловое поле пациента в трехмер- ном пространстве в активном режиме [10, 11]. Эти устройства в сочетании с устройством (ри- сунок 5) для инфракрасного нагрева, где можно оперативно менять параметры процедуры во времени и пространстве, позволяют осуществ- лять оценку восприимчивости пациента к теп- ловым процедурам. Устройство для инфракрасного нагрева объекта 1 содержит множество блоков, состоя- щих из объектива 2, плоскопараллельной пла- стинки 3, цифровой матрицы 4, чувствительной к видимой части спектрального диапазона, и излучающей в инфракрасном диапазоне мат- рицы 5, а также процессорный блок 6, дисплей 7, блок управления 8. Количество блоков должно выбираться из условия, чтобы, как минимум, на двух соседних светочувствительных матри- цах 4 изображались общие точки объекта 1. Такие точки содержатся в областях 9, 10. Рисунок 5 – Устройство для инфракрасного нагрева Объективы 2 на цифровых матрицах 4, чувствительных к видимой части спектраль- ного диапазона, формируют видимые оптиче- ские изображения объекта 1, причем видимое излучение от объекта 1 свободно проходит че- рез плоскопараллельные пластинки 3, пропус- кающие оптическое излучение в видимом диа- пазоне и отражающие инфракрасное излучение. Процессорный блок 6 производит преобразова- ние оптических изображений на матрицах 4 в совокупности электрических сигналов. В ре- зультате обработки этих сигналов на дисплее 7 воспроизводится множество изображений объ- екта 1. На этих изображениях посредством блока управления 8 и процессорного блока 6 осуществляется компьютерная маркировка подлежащих облучению пространственных областей, если объект 1 неподвижен. Если объ- ект 1 подвижен, то осуществляется идентифи Методы оценки качества объектов и процессов 88 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 кация множества его изображений относи- тельно неподвижных объектов с помощью компьютерной программы. Дальнейшая обработка сигналов в процес- сорном блоке 6 предусматривает вычитание в изображениях на дисплее 7 элементов, не отно- сящихся к выделенным областям. С использо- ванием блока управления 8, процессорного блока 6 и программного обеспечения произво- дится такое изменение совокупности электри- ческих сигналов, которое изменяет во времени и пространстве распределение яркости в плос- кости выделенных областей в изображениях на дисплее 7 по задаваемому алгоритму пропор- ционально необходимой мощности облучения этих областей. Каждое из плоских распределе- ний инфракрасного излучения, соответствую- щее своему откорректированному видимому изображению, посредством процессорного блока 6 формируется на соответствующей мат- рице 5, излучающей в инфракрасном диапа- зоне. Потоки инфракрасного излучения от мат- риц 5 отражаются от плоскопараллельных пла- стинок 3 и с помощью объективов 2 форми- руют на объекте 1 пространственное, имеющее возможность изменяться во времени распреде- ление инфракрасного излучения для нагрева заданных областей объекта 1 в заданном ре- жиме. Вышеописанные методы и устройства ре- шают задачу 3 для отдельных физиотерапевти- ческих факторов. В настоящий момент назрела необходимость создания комплексов много- факторного воздействия для повышения эф- фективности физиотерапевтических процедур. Заключение 1. Для успешного и оперативного проекти- рования физиотерапевтических комплексов нового поколения необходима разработка до- полнительных нормативных документов, в ко- торых должен быть предусмотрен регламент сотрудничества медицинских и инженерных специалистов. 2. Для повышения эффективности физио- терапевтических процедур необходимо созда- ние принципиально новой по содержанию и организации доступа базы данных, которая должна быть апробирована и официально утверждена в соответствии с существующими и/или адаптированными к новым реалиям нор- мативными документами. 3. Перспективы проектирования физиоте- рапевтической аппаратуры включают создание физиотерапевтических комплексов многофак- торного воздействия с обратной связью, причем для повышения эффективности физиотерапии предложено дополнить данную концепцию введением психофизического воздействия, тре- нинга для активных пациентов и контролем утомляемости от процедуры. 4. Отдельные разработанные инженерами методики измерения состояния пациента и воз- действия на него будут более эффективными как составная часть физиотерапевтических комплексов. Список использованных источников 1. Улащик, В.С. Физиотерапия. Универсальная медицинская энциклопедия / В.С. Улащик. – Минск : Книжный дом, 2008. – 640 с. 2. Улащик, В.С. Большой справочник физиотера- певта / В.С. Улащик. – Минск : Интерпрессервис, Книжный Дом, 2012. – 640 с. 3. Попечителев, Е.П. Электрофизиологичес- кая и фотометрическая медицинская техника: теория и проектирование : учеб. пособие по специальностям «Биомед. Техника» / Е.П. Попечителев, Н.А. Кореневский ; под ред. Е.П. Попечителева. – М. : Высш. шк., 2002. – 470 с. 4. Улащик, В.С. Гидромагнитотерапия. Приме- нение аппарата АкваСПОК для лечения и профилактики заболеваний / В.С. Улащик, С.В. Плетнев, А.Н. Разумов. – Минск : Ин-т физиологии НАН Беларуси, ОДО «Магномед», Росс. научн. центр восстановит. медицины и курортолог., 2010. – 36 с. 5. Плетнев, А.С. Магнитофотобаротерапия: применение аппарата «АндроСПОК» / А.С. Плетнев [и др.]. – Минск : Аврора притн, 2011. – 48 с. 6. Улащик, В.С. Возможности, проблемы и перспективы развития современной физиотерапии Медицинские новости / В.С. Улащик. – 1995. – № 1. – С. 11–20. 7. Илларионова, Т.В. Содержание и алгоритм программ аппаратной физиотерапии на госпитальном этапе реабилитации больных стабильной стенокардией напряжения / Т.В. Илларионова // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. – 2009. – № 3. – С. 12–16. 8. Осипов, А.Н. Спектральный анализ сигналов элетростимуляции нервно-мышечной ткани / Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 89 А.Н. Осипов, М.В. Давыдов // Доклады БГУИР. – 2005. – № 3(11) – С. 53–58. 9. Давыдов, М.В. Метод синтеза систем электростимуляции с биотехнической обратной связью / М.В. Давыдов [и др.] // Медэлектроника 2008. Средства медицинской электроники и новые медицинские технологии. Сборник научных статей. – Минск : БГУИР, 2008. – С. 362–366. 10. Патент РБ BY 14668 С1, МПК G 01N 21/35. Способ преобразования инфракрасного изображения объекта в видимое объемное и устройство для его осуществления / Е.Г. Зайцева, С.А. Саракач. – № 14668; заявл. 18.03.2009; опубл. 30.08.2011; приоритет 18.03.2009. 11. Патент РБ BY 14540 С1, МПК G 01N 21/ 35. Способ формирования в пространстве комбинированного видимого объемного изображения объекта, излучающего в видимом и инфракрасном диапазонах, и устройство для его осуществления / Е.Г. Зайцева, С.А. Саракач, С.В. Апитенок. – № 14540; заявл. 13.02.2009; опубл. 30.06.2011; приоритет 13.02.2009. Osipov A.N., Zaytseva E.G., Melnichenko D.A., Davidov M.V., Grabtsevich E.V. The substantiation of the concept of a new generation of physiotherapeutic complexes Concept of a new generation of physiotherapeutic complexes is analyzed. The requirements for the database for them are formulated. List of problems that should be addressed to create such complexes is given. (E-mail: zaytseva3@yandex.ru) Keywords: physiotherapeutic complexes, database, electrostimulation. Поступила в редакцию 24.09.12.