СИСТЕМА ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПАЦИЕНТА ПУТЕМ МОДУЛЯЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО ФИЗИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Область применения
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].
Уровень техники
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.
Техническим результатом полезной модели является система, позволяющая воздействовать на биообъект с терапевтической целью без применения медикаментозных средств и других дорогостоящих способов лечения.
Сущность устройства
Заданный технический результат достигается за счет того, что в состав системы включены: 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, компьютерная программа звукозаписи, функцией которой является создание и запись спектральной мощности акустических ритмов, частотно модулированных в диапазонах ритмов ЭЭГ, и выполненная 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.
На Фиг.1 показана блок-схема устройства системы, где 1 - компьютерный
электроэнцефалограф, 2 - компьютер, 3 - пациент, 4 - стереонаушники, 5 - энцефалографические датчики, 6 - блок модуляции.
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.
Затем 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. 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.
Полученная акустическая запись воспроизводится на компьютере (2) и прослушивается пациентом (3) через стереонаушники (4).
Каждое тестовое звуковое воздействие длится 5 минут, 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 блоке модуляции (6) 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.
Блок модуляции (6) может быть реализован на примере звуковой карты, имеющей стереофонический выход, либо синтезатора, либо портастудии.
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 (Пригожий 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.
Пример.
Больной страдает полицитемией (заболевание крови). Последовательное предъявление синтезированного набора звуков, модулированных в рамках диапазонов ЭЭГ (дельта, тета, альфа, бета1), показало, что только при предъявлении звукового раздражителя модулированного в диапазоне 13-21 Гц (бета 1) паттерн ЭЭГ значимо менялся в сторону нормализации. Прослушивание предложенного музыкального фрагмента, модулированного в
рамках бета 1 диапазона в течение 21 дня способствовало стойкой нормализации паттерна ЭЭГ и нормализации нарушенной в результате болезни формулы крови.
Результаты проводились на аппаратном комплексе «Энцефалан 131-03».
Графики частотной плотности спектральной амплитуды показаны на Фиг.2
На Фиг.2(а) показан график до нелинейной фоностимуляции - полиморфная активность, выделить доминирующий диапазон не представляется возможным.
На Фиг.2(б) показан график после нелинейной фоностимуляции - отмечается возрастание амплитуды в альфа диапазоне и снижение амплитуды в дельта, тета и бета диапазонах.
Спектральная мощность ритмов показана на Фиг.2.
На Фиг.3(а) показан график до нелинейной фоностимуляции - нарушение соотношения спектральной мощности диапазонов ЭЭГ.
На Фиг.3(а) показан график после нелинейной фоностимуляции - отмечается возрастание мощности в альфа диапазоне и снижение мощности в дельта, тета и бета диапазонах, то есть нормализация соотношения спектральной мощности диапазонов ЭЭГ.
Эти исследования показывают, что для каждого пациента существует свой индивидуальный акустический диапазон или сочетание диапазонов, который оказывает нормализацию паттерна ЭЭГ пациента.
Предъявление звукового воздействия, модулируемого в рамках этого диапазона, позволяет наиболее быстро и целенаправленно модифицировать нарушенный в результате заболевания паттерн ЭЭГ. В рамках данного диапазона в соответствии с расчетными коэффициентами нелинейно менялись как длительность отдельных волн, так и интервал между ними. Тем самым навязывалась не частота акустических колебаний, а алгоритм изменения частоты, присущий здоровому организму. По мере воздействия в результате усвоения предлагаемого алгоритма нелинейной частотной модуляции отмечалось изменение биоэлектрической активности головного мозга в сторону нормализации: увеличение мощности альфа активности с одновременным уменьшением тета и (или) бета составляющих вне зависимости от диапазона, в рамках которого осуществлялась модуляция звукового воздействия. Направленная регуляция параметров ЭЭГ, отражающих состояние центрального звена регуляции - центральной нервной системы, способствовало восстановлению согласованного взаимодействия регуляторных процессов разного уровня посредством усвоения динамического алгоритма взаимоотношения биоритмов в разных масштабных диапазонах. Нормализация параметров ЭЭГ сопровождалась нормализацией других показателей жизнедеятельности организма: артериального давления, электрокардиограммы, формулы крови.
Достижение заявленного технического результата подтверждаются проведенными на
добровольцах клиническими испытаниями.
Пример 1.
В Таблице 1 приведен сравнительный анализ показателей вариабельности сердечного ритма пациентки Г. 76 лет, до и после воздействия индивидуально подобранным акустическим сигналом, модулированным в диапазоне бета 1 биоритмов мозга.
Пример 2.
В Таблице 2 приведен сравнительный анализ показателей вариабельности сердечного ритма пациента Д. 50 лет, до и после последовательного воздействия индивидуально подобранными акустическими сигналами, модулированными в диапазонах тета/гамма биоритмов мозга.
Пример 3.
В Таблице 3 приведен сравнительный анализ показателей вариабельности сердечного ритма пациента Д. 25 лет, до и после последовательного воздействия индивидуально подобранными акустическими сигналами, модулированными в диапазонах бета 1/дельта биоритмов мозга.
Таблица 1
Показатели
Ед.изм.
Фон<sup>*1</sup>
Последействие (Бета 1)*<sup>2</sup>
ЧСС (Частота сердечных сокращений)
Уд./мин.
78
71
ИВР (Индекс вегетативного равновесия)
901,7
110,1
ВПР (Вегетативный показатель ритма)
0,1
0,27
ПАПР (Показатель адекватности процессов регуляции)
90,2
29,4
ИН (Индекс напряженности)
593,2
62,6
В1 (Уровень регуляции)
%
7
87
В2 (Резервы регуляции)
%
0
54
RRNN
768
841
SDNN
15,0
47,5
CV
2,0
5,6
RMSSD
12,8
49,3
NN50
1,0
25,0
pNN50
%
0
9
Мо
760,0
880,0
АМо
%
68,64
25,87
ВР
76
235
HRV-index
5
9
HF
3,21
24,17
LF
4,11
25,01
VLF
7,86
112,65
HFnu
43,87
49,14
LFnu
56,13
50,86
LF/HF
1,28
1,03
TP
15,18
161,83
1k
0,677
0,737
mO
48
44
Z
5,5
36,2
Пример 1. Пациентка Г. 76 лет
*<sup>1</sup> Заключение: Вегетативная регуляция нарушена. Функциональные резервы истощены.
*<sup>2</sup> Заключение: Вегетативная регуляция соответствует норме. Функциональные резервы организма высокие.
Таблица 2
Показатели
Ед.изм.
Фон*<sup>1</sup>
Последействие (Тета/гамма)*<sup>2</sup>
ЧСС (Частота сердечных сокращений)
уд./мин.
80
69
ИВР (Индекс вегетативного равновесия)
554,8
99,9
ВПР (Вегетативный показатель ритма)
0,14
0,32
ПАПР (Показатель адекватности процессов регуляции)
79,4
31,7
ИН (Индекс напряженности)
385,3
56,8
В1 (Уровень регуляции)
%
20
91
В2 (Резервы регуляции)
%
15
67
RRNN
742
867
SDNN
22,5
57,4
CV
3,0
6,6
RMSSD
10,1
34,5
NN50
0
16,0
pNN50
%
0
6
Мо
720
880
АМо
57,29
27,59
ВР
103
279
HRV-index
7
12
HF
1,96
14,66
LF
9,89
68,96
VLF
21,82
181,97
HFnu
16,53
17,54
LFnu
83,47
82,46
LF/HF
5,05
4,70
TP
33,67
265,59
1k
0,888
0,897
mO
47
57
Z
18,0
60,7
Пример 2. Пациент Д., возраст 50 лет
*<sup>1</sup> Заключение: Вегетативная регуляция нарушена. Функциональные резервы истощены.
*<sup>2</sup> Заключение: Вегетативная регуляция соответствует норме. Функциональные резервы организма высокие.
Таблица 3
Показатели
Ед.изм.
Фон<sup>*1</sup>
Последействие*<sup>2 </sup>(бета 1/дельта)
ЧСС (Частота сердечных сокращений)
90
78
ИВР (Индекс вегетативного равновесия)
781,3
274,0
ВПР (Вегетативный показатель ритма)
0,15
0,21
ПАПР (Показатель адекватности процессов регуляции)
117,2
56,3
ИН (Индекс напряженности)
610,4
190,3
В1 (Уровень регуляции)
5
41
В2 (Резервы регуляции)
8
27
RRNN
666
764
SDNN
17,0
29,6
CV
2,6
3,9
RMSSD
10,9
21,4
NN50
0
10
pNN50
0
3
Мо
640
720
АМо
75,09
40,55
ВР
96
148
HRV-index
4
8
HF
2,57
7,85
LF
5,52
20,64
VLF
9,47
29,1
HFnu
31,73
27,56
LFnu
68,27
72,44
LF/HF
2,15
2,62
TP
17,56
57,6
1k
0,8
0,75
mО
26
28
Z
12,8
54,7
Пример 3. Пациент Д., возраст 25 лет.
*<sup>1</sup> Заключение: Вегетативная регуляция нарушена. Функциональные резервы истощены.
*<sup>2</sup> Заключение: Вегетативная регуляция в пределах нормы. Функциональные резервы организма ниже нормы.