Принципы построения и аппаратурная реализация многофункциональных фототерапевтических устройств

УДК 621.382.2+615.8-7

М. А. Хлынов, В. Н. Баранов, Р. Р. Рашев

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ФОТОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Аннотация. Разработаны принципы построения многоцветного фототерапев-тического аппарата широкого спектра лечебного действия, обеспечивающего возможность проведения светодиодного облучения по методикам фототерапии и фоторефлексотерапии. Многоцветность и широкий терапевтический спектр аппарата обеспечены техническими решениями авторов: применением трехцветных RGB-светодиодов, генерирующих красный, зеленый, синий цвета, и модулятора светодиодного излучения, генерирующего пространственно-модулированное светодиодное излучение, обладающее новыми биотропными характеристиками. Предложен вариант лечебно-диагностического комплекса, включающего фототерапевтический аппарат, для реализации принципа обратной связи с пациентом.

Ключевые слова: RGB-светодиоды, пространственная модуляция излучения, аппарат для фототерапии, лечебно-диагностический комплекс.

Abstract. The article is devoted to the multi-color phototherapeutic device with a wide range of medical effects and the principles of its construction. This device provides the possibility of carrying out light-emitting diode irradiation, using phototherapy and photoreflexotherapy. Polychromy and wide therapeutic application of the device under consideration are provided by the following technical decisions of the authors: the use of three-colored RGB-light-emitting diodes, together with a modulator of light-emitting diode radiation, which generates spatially modulated light-emitting diode radiation and possesses new biotropic characteristics. A variant of the medical-diagnostic complex is offered, including the phototherapeutic device to provide the feedback with patients.

Key words: RGB-light-emitting diodes, spatial modulation, device for phototherapy, medical-diagnostic complex.

Введение

В современной фототерапевтической практике наряду с лазерной терапией все чаще используются методы лечения с использованием некогерентных источников излучения, среди которых перспективным является применение излучающих светодиодов. Теоретическим обоснованием возможности замены излучения лазеров на излучение светодиодов явились работы [1-3] отечественных и зарубежных исследователей, где показана схожесть эффектов данных видов фотовоздействия на человеческий организм . Практическим обоснованием для использования светодиодов для терапии различных патологических состояний стал прорыв в производстве нитридных многокомпонентных гетероструктур и приборов на их основе. Это позволило решить и проблему низкого светового выхода, ограниченного диапазона цветов, что ранее препятствовало применению светодиодов для хромотерапии.

При разработке светодиодных терапевтических аппаратов основной проблемой является выбор вида светодиода для получения наибольшего терапевтического эффекта. Можно выделить несколько видов излучающих свето-

диодов: моргающие светодиоды, содержащие интегрированный кругооборот мультивибратора внутри, который заставляет светодиод вспыхивать с типичным периодом одной секунды; цветные мигающие светодиоды, состоящие из двух работающих навстречу светодиодов (электрический ток в одном направлении производит один цвет, ток в противоположном направлении производит другой цвет); трехцветные светодиоды (два светодиода в одном, имеющие общий анод или катод). В свою очередь среди трехцветных выделяют ЯОБ-светодиоды, содержащие красный, зеленый и синий эмитенты. При соответствующем управлении ЯОБ-светодиодом биологический объект можно облучать как красным, зеленым, синим лучами, обладающими наиболее выраженными биотропными свойствами, так и, при необходимости, лучами нескольких цветов, используя их смешивание.

Для повышения эффективности фототерапии необходимо генерировать светодиодное излучение с более выраженными биотропными параметрами. Кроме того, от качества и надежности модулятора излучения очень сильно зависят стабильность и долговечность работы фототерапевтического аппарата. Поэтому первоочередной задачей при разработке аппаратуры для светоте-рапии является поиск нового вида модуляции светодиодного облучения, разработка оптимальной конструкции модулятора излучения и блока управления цветовым спектром, разработка системы обратной связи с пациентом, оптимальный выбор точек и зон приложения лучей при различных заболеваниях.

Целью данной статьи является рассмотрение проблем, возникающих при разработке и построении фототерапевтических аппаратов на основе ЯОБ-светодиодов, путей решения этих проблем и нахождения оптимальной конструкции модулятора излучения, блока управления цветовым спектром светодиодного аппарата и подключение аппарата к диагностической системе.

1. Основные проблемы, возникающие при модуляции светодиодного излучения

Модуляция излучения - это процесс изменения во времени мощности излучения (амплитудная модуляция), частоты (частотная) или фазы (фазовая). На практике используется только амплитудная модуляция. При этом режиме средняя мощность излучения меньше максимальной. В традиционных аппаратах частота модуляции излучения меняется обычно переключателем на панели блока управления и визуализируется цифровым индикатором. В некоторых случаях дискретный переключатель фиксируется в нужном положении с конкретным значением и размерностью параметра. Возможно управление длительностью импульсов в миллисекундах или микросекундах для модулированного режима.

При разработке узлов аппаратуры, обеспечивающих получение модулированного излучения в видимом диапазоне спектра, необходимо учитывать ряд особенностей, касающихся как особенностей функционирования организма при заболевании, так и характера взаимодействия излучения с биологическими тканями. В настоящее время многие производители фототерапев-тической аппаратуры выпускают установки с неоправданно высокой выходной мощностью излучения, недостаточно подтвержденной экспериментально, хотя многими исследователями показано преимущество в эффективности модулированного излучения перед непрерывным [1, 4].

Следующая проблема касается частотной модуляции излучения. Предпосылкой для этого послужил тот факт, что модуляции луча определенной частоты лучше усваиваются теми или иными тканями организма. Поэтому подбор необходимых частот при светодиодной терапии является важным компонентом в лечебном процессе. Однако до сих пор еще не найдены оптимальные частоты модуляции при той или иной патологии организма. Часто предлагаемые режимы модуляции при ряде заболеваний экспериментально до конца не обоснованы.

Среди физических факторов воздействия давление света является одним из эффективных [1-3, 5]. Разработанный нами метод модуляции света базируется на усилении его пондероматорного действия и реализуется при пространственном изменении плотности потока мощности излучения.

2. Особенности конструкции модулятора светодиодного аппарата

Модулятор светодиодного излучения должен обеспечивать: стабильные частоты пространственной модуляции излучения; варьирование частотного диапазона; оперативное управление величинами и диапазоном колебаний плотности падающей мощности излучения на объекте облучения.

В результате изучения литературы и существующих модуляторов излучения и сканирующих устройств авторы пришли к выводу, что для генерации пространственно модулированного луча наилучшим является модулятор лазерного излучения гинекологического аппарата «АГИН-01» (регистрационное удостоверение Росздравнадзора № ФСР 2009/04330), разработанного по патентам на изобретения и полезные модели профессора В. Н. Баранова [4, 6]. В аппарате «АГИН-01» световолокна, передающие излучение лазеров, под действием электродвигателя через сложную систему шестерен и направляющих стержней модулятора [4], совершают поступательные перемещения относительно объекта облучения. Перемещения световолокон происходят с частотой 1-3 Гц. Такое решение оказывается не очень удовлетворительным по следующим причинам: недостаточная частота модуляций; повышенный шум и вибрация при работе аппарата на частотах более 3 Гц; ненадежная фиксация световолокна в области направляющих стержней. Принимая во внимание эти недостатки, мы по согласованию с производителем аппарата «АГИН-01» световолокна прикрепили подвижно к периферии диска, который приводится в движение электродвигателем без использования шестерен. Диск при вращении перемещает световолокна в возвратно-поступательном направлении и не создает шума.

В результате модификации «АГИН-01» позволил получить частоты модуляции от 0,5 до 10,0 Гц. Расширившийся функциональный диапазон «АГИН-01» и высокая клиническая эффективность способствовали его распространению в клинических учреждениях г. Тюмени [4].

Следующим важным аспектом явилась разработка модулятора к светодиодному аппарату. В данном аппарате диск был закреплен непосредственно на оси электродвигателя, а на дистальном конце толкателя помещен ЯДВ-светодиод типа АКЬ-5213ЯОБС/4С. В данном модуляторе, так же как в «АГИН-01», используется механическое возвратно-поступательное перемещение излучателя. Такой подход открывает следующие возможности: регулирование диапазона перемещения светодиода относительно биологиче-

ского объекта; обеспечение высокой частоты модуляции излучения, так как источник излучения не связан с корпусом световолокном, связь между ними осуществляется только посредством тонкого сетевого провода; оптимального варьирования плотности падающей мощности излучения и спектра излучения светодиодов.

3. Особенности конструирования светодиодного аппарата

Сущность нового конструктивного решения светодиодного аппарата, обеспечивающего возможность воздействия на очаги поражения пространственно модулированным светодиодным излучением с длинами волн 0,62-

0,64; 0,52-0,53; 0,46-0,47 мкм, поясняет рис. 1.

4 3

Рис. 1. Схема устройства для фототерапии: 1 - ЯвБ-светодиод;

2 - ручка регулировки частоты модуляции излучения; 3 - включатель аппарата;

4 - тумблер переключения цвета излучения; 5 - корпус аппарата;

6 - одноразовый наконечник

Как следует из рис. 1, аппарат состоит из трех основных частей: корпуса, в котором размещены электронный блок и светодиодный излучатель; одноразовой насадки; источника постоянного тока.

Светодиод (СД) генерирует оптическое излучение с длинами волн в диапазоне 0,4-06 мкм, которое воздействует на биологический объект (рис. 2). Поддержание определенного спектра излучения обеспечивается блоком управления цветовым спектром (БУЦС). В качестве блока питания (БП) применяется источник постоянного тока (9 В, 300 мА). Плата стабилизатора напряжения (ПСН) позволяет мотору аппарата формировать соответствующие клинической ситуации режимы пространственной модуляции светодиодного излучения.

Излучатель состоит из одного ЯОБ-светодиода. Светодиод устанавливается на дистальном конце толкателя, который, в свою очередь, проксимальным концом на шарнире подвижно закреплен на периферии плоского диска, совершающего вращение вокруг своей вертикальной оси с регулируемой частотой. Светодиод с толкателем совершают поступательные движения в пластмассовой одноразовом наконечнике, который навинчивается основанием на резьбу корпуса.

\

Рис. 2. Структурная схема аппарата: М - мотор; БО - биологический объект

При разработке опытного образца аппарата учтены требования устойчивости к температурным воздействиям, влажности и механической прочности. Кроме того, аппарат малогабаритен, имеет малую массу, простую и технологическую конструкцию, отвечающую требованиям электробезопасности.

Проведенное исследование показало, что при проведении процедур фототерапии мощность излучения светодиода меняется от 0,1 до 2,0 мВт, диаметр светодиодного пятна на объекте облучения - от 1,0 до 5,0 см, соответственно плотность падающей мощности - в среднем от 1,0 до 2,5 мВт на см2, что не превышает рекомендуемые для фототерапии параметры воздействия. В результате аппаратурной реализации модулятора аппарата удалось получить частоты пространственной модуляции светодиодного излучения от 0,5 до 15,0 Гц.

4. Аппаратурная реализация лечебно-диагностического комплекса

В работе предусмотрено подключение аппарата для фототерапии к диагностическому комплексу, состоящему из компьютера с автоматическим рабочим местом врача и диагностического блока с определителем локализации и функции биологически активных точек на основе величины их электрического сопротивления.

На рис. 3 представлена схема лечебно-диагностической системы, в которую включен светодиодный аппарат.

В задачу диагностического комплекса входит обработка информации, поступающей с приемников электронного зонда с биологически активных точек. В компьютерном блоке сигнал подвергается аналоговой обработке, в частности согласованию, усилению и фильтрации с последующей передачей на микроконтроллер. Аналоговая часть электронного блока состоит из пяти идентичных измерительных каналов, каждый из которых включает в себя такие основные узлы, как повторитель, усилитель и фильтр низких частот.

Для формирования полезного сигнала и устранения помех отраженного сигнала устанавливается фильтр нижних частот. Далее преобразование осуществляется с помощью схемы выборки и хранения, мультиплексора и АЦП, которые преобразуют исходные данные от одного или нескольких измерительных датчиков в выходной сигнал, пригодный для хранения в компьютере и цифровой обработки. Поскольку информация, поступающая на вход системы, преобразуется в цифровую форму и в дальнейшем подвергается вычислительной обработке, то во главе всей структурной схемы ставится централь-

ный микропроцессор, управляющий работой отдельных узлов системы и всеми процедурами, касающимися сбора, хранения и обработки информации. Затем информация поступает на персональный компьютер и отображается в удобной для пользователя форме. Разработка программного обеспечения проводилась с помощью компилятора IAR Embedded Workbench и программного симулятора AVR Studio 3.51, для программирования микроконтроллеров использовалась утилита PonyProg 2000.

Рис. 3. Блок-схема аппарата с узлом поиска биологически активных точек:

1 - светодиодный аппарат; БУРС - блок управления режимом сканирования; ПРМИ - плата регулировки мощности излучения; узел поиска БАТ - узел поиска биологических активных точек; ПК - персональный компьютер

В результате мы пришли к схеме лечебно-диагностической системы, которая показана на рис. 4. Благодаря графической системе программирования на уровне функциональных блок-диаграмм LabView, данные визуализируются на мониторе ПК в более удобной форме для пользователя.

Заключение

Из проведенных теоретических, экспериментальных и клинических исследований можно заключить, что при построении аппаратов для фототерапии необходимо предусмотреть разработку эффективного модулятора излучения, обеспечивающего изменение интенсивности излучения во времени и пространстве для получения колебаний плотности мощности в биологических тканях ударного типа. Подобные колебания являются в определенной степени механостимулом, ведущим к активации механизмов саногенеза. Включение в конструкцию аппаратов светодиодов, излучающих на разных длинах волн, расширит функциональные возможности фототерапевтической аппаратуры.

Рис. 4. Схема электрическая принципиальная разработанной лечебно-диагностической системы

Данному требованию отвечает пространственно модулированное излучение светодиодного аппарата, разработанного на основе RGB-светодиодов. Экспериментальные исследования макетного образца аппарата показали, что он обеспечивает широкий диапазон длин волн излучения: 0,62-0,64;

0.52.0,53; 0,46-0,47 мкм и управляемую пространственную модуляцию светодиодного излучения от 0,5 до 15,0 Гц. Подключение аппаратуры для фототерапии к диагностическому комплексу ускорит работу врача.

Список литературы

1. Москвин, С. В. Лазерная хромо- и светотерапия / С. В. Москвин, В. Г. Купеев. -М. ; Тверь : Триада, 2007. - 95 с.

2. Romberg, H. A. Properties of real phototherapy LED devices / H. A. Romberg,

I. M. Heidelberg // Laser Helsinki 2010 : 15th International Congress of EMLA. - Helsinki, Finland, 2010. - S. 28-29.

3. Makela, A. M. Use of blue light and laser in the treatment of Alzheimer's dementia and Parkinson's disease / A. M. Makela // Laser Helsinki 2010 : 15 th International Congress of EMLA. - Helsinki, Finland, 2010. - S. 26.

4. Баранов, В. Н. Повышение эффективности применения лазерного гинекологического аппарата «АГИН-01» в гинекологии с использованием метода пальце-

вой фотоплетизмографии / В. Н. Баранов, Е. Л. Малиновский, В. А. Новиков, Т. В. Баимова, Р. Н. Хизбуллин // Казанский медицинский журнал. - 2010. - № 4. -С.555-560.

5. Горис, А. П. Исследование деформируемости мембран эритроцитов методом «Лазерный пинцет» в условиях лактоацидоза / А. П. Горис, С. В. Москвин, Е. Г. Зарубина // Инновационные технологии в лазерной медицине : материалы научно-практической конференции. - М., 2011. - С. 116-117.

6. Серов, В. Н. Лазеротерапия в ранней реабилитации родильниц / В. Н. Серов, Ю. В. Кубицкая // Материалы IV съезда акушеров-гинекологов России. - М., 2008. - С. 237.

Хлынов Михаил Анатольевич аспирант, Тюменский государственный Нефтегазовый университет

E-mail: khlinov@mail.ru

Баранов Владимир Николаевич

доктор медицинских наук, профессор, кафедра кибернетических систем, Институт кибернетики, информатики и связи, Тюменский государственный Нефтегазовый университет

E-mail: kafedra-bmt@mail.ru

Рашев Ренат Рамазанович

аспирант, Тюменский государственный Нефтегазовый университет

E-mail: renatik_72@mail.ru

Khlynov Mikhail Anatolyevich Postgraduate student,

Tyumen State Oil and Gas University

Baranov Vladimir Nikolaevich Doctor of medical sciences, professor, sub-department of cybernetic systems, Institute of cybernetics, informatics and communication, Tyumen State Oil and Gas University

Rashev Renat Ramazanovich

Postgraduate student,

Tyumen State Oil and Gas University

УДК 621.382.2+615.8-7 Хлынов, М. А.

Принципы построения и аппаратурная реализация многофункциональных фототерапевтических устройств / М. А. Хлынов, В. Н. Баранов, Р. Р. Рашев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 4 (20). - С. 159-166.