Актуальность управления теплообразующими процессами в акупунктурных точках для автоматизации лазерного физиотерапевтического воздействия

УДК 615.841-027.43

М. С. Бочков, А. С. Качалин, В. Н. Баранов

Актуальность управления теплообразующими процессами в акупунктурных точках для автоматизации лазерного физиотерапевтического воздействия

Ключевые слова: низкоэнергетические лазеры, точки акупунктуры, термометрия, биотехнический комплекс, физиотерапия, автоматизация, управление.

Keywords: low-energy lasers, acupuncture points, thermometry, biotechnical complex, physical therapy, automation, management.

Статья посвящена вопросам оптимизации процедур лазерной физиотерапии. На основе проведенных экспериментальных исследований на биообъектах предложена для практического здравоохранения методика биологического управления теплообразующими процессами в точках акупунктуры человека. Рассмотрены особенности автоматизации разработанного авторами биотехнического комплекса для лазерной пунктуры и алгоритм управления им при проведении терапевтических процедур.

В настоящее время возрастают требования к аппаратам для лазерной терапии [1, 2]. С помощью лазерных физиотерапевтических систем и комплексов, обеспечивающих определенный уровень био-тропности излучения, можно получить необходимый терапевтический эффект, удовлетворяющий требованиям практического здравоохранения [5, 6]. Однако в настоящее время еще не до конца разработаны лазерные медицинские изделия для высокоэффективного лазерного воздействия на точки акупунктуры, что актуально для практического здравоохранения.

Цель исследования — разработать новый автоматизированный биотехнический комплекс для лазерной пунктуры. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: провести сравнительный анализ влияния нескольких режимов низкоинтенсивного лазерного воздействия на ряд биообъектов (мицеллярный гриб рода Миеог и кожные покровы добровольцев в области точек акупунктуры); выявить наиболее эффективный режим воздействия; обосновать механизм действия лазерного излучения на акупунктурные точки; разработать новый лазерный автоматизированный биотехнический

комплекс для реализации наиболее эффективного режима терапевтического лазерного воздействия.

В экспериментах для изучения влияния лазерного излучения на биообъекты была использована опытная установка производства НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха (Москва), включающая два полупроводниковых лазера, излучающие на длинах волн 0,67 и 0,85 мкм, с мощностью на выходном (излучающем) конце гибкого световода 1,0 мВт. Мощность излучения на выходе гибкого кварцевого световода во время экспериментов контролировалась с помощью измерителя мощности лазерного излучения «Мустанг-стандарт». Диапазон измеряемой мощности — 1-250 мВт.

Объектом первого исследования стали низшие плесневые грибы рода Миеог, так как они имеют широкое практическое значение при производстве сыра и сброженных продуктов питания из сои и злаков, а также для получения этанола из картофеля [3].

В процессе исследования смыв культуры гриба наносили на стерильный фрагмент хлебобулочного изделия (рис. 1), который помещали в термостат

Рис. 1

Воздушный мицеллий плесневого гриба рода Mucor

№ 1С43)/201Б~|

биотехносфера

с температурой 22 °С. Опытный материал был разделен на две группы. Пробы облучали каждые 24 ч с экспозицией 300 с в течение 5 дней.

Первую группу облучали низкоинтенсивным лазерным излучением с длиной волны 0,67 мкм, а вторую — с длиной волны 0,85 мкм. Каждую группу разделили на три подгруппы. В первой подгруппе облучение производилось при неподвижном положении излучателя в непрерывном режиме. Во второй подгруппе модулированный режим создавался прерыванием лазерного луча бумажным листом темно-синего цвета с частотой 1—2 Гц. В третьей подгруппе материал облучали в режиме объемного сканирования: излучающий конец световода динамично и ритмично приближали к объекту облучения и отдаляли от него на расстояние 2—3 см с частотой 1—2 Гц.

Объектом второго исследования стали кожные поверхности пальцев рук в проекции внемериди-альных точек акупунктуры Ши-сюань (РС86), находящихся в середине кончика пальцев. Известно, что области кожи, соответствующие локализации зоны акупунктуры, имеют более низкую теплопроводность и отличаются высокой чувствительностью к температурным раздражителям. В этой связи по температурным показателям на поверхности кожи в проекции точки акупунктуры, регистрируемым при облучении лазерами, предполагается судить и о силе лечебного раздражения, создаваемого на этой акупунктурной точке. Приступая к работе, мы исходили из данных ранее проведенных исследований, свидетельствующих о том, что точки акупунктуры, в том числе, по-видимому, и Ши-сюань (РС86), имеют большую плотность рецепторов, в частности и терморецепторов, нервных окончаний афферентных нейронов [7, 8].

Для измерения температуры на поверхности кожи пальцев рук в проекции точки акупунктуры применялся портативный тепловизор Fluke Ti32.

Исследуемая группа состояла из 5 мужчин в возрасте от 24 до 26 лет. Экспозиция облучения на облучаемую область — 180 с. Плотность мощности лазерного излучения, падающего на поверхность пальца при облучении в неподвижном режиме, —

а)

25,0 мВт/см2, при плоскостном сканировании за 1 с она изменялась от 0 до 25,0 мВт/см2, а при объемном сканировании также в течение 1 с менялась в зависимости от расстояния до кожи пальца от 1,0 до 25,0 мВт/см2. Термограммы на поверхности кожи пальца в проекции точки акупунктуры снимались четыре раза: один раз до облучения и три раза во время облучения, через каждые 60 с. Всего проведено 46 термографических исследований. В каждой группе половина измерений проводилась при воздействии низкоинтенсивным лазерным излучением с длиной волны 0,67 мкм, другая половина — с длиной волны 0,85 мкм.

В первом эксперименте на 4-й день облучения выявлено следующее. Так, в первой подгруппе первой группы объем воздушного мицелия гриба увеличился на 25 %, во второй подгруппе той же группы — на 35 %, в третьей также на 35 %. В первой подгруппе второй группы объем мицелия гриба возрос на 12 %, во второй подгруппе — на 16 %, в третьей — на 13 %. В контрольной группе — рост мицелия гриба не превысил 9 %. Микроскопическая картина в нативных препаратах, приготовленных из опытных проб, облученных в непрерывном и объемно-сканирующем режимах облучения (рис. 2, а), не выявила патологий и показала, что клетки мицелия нитевидные, не септи-рованные, в большем объеме бесцветные, что является признаком того, что гриб находится в периоде роста. Количество поврежденных и недоразвитых спорангиеносцев лежит в пределах нормы. В препаратах, изготовленных из опытных проб, наблюдаются в большем количестве, чем в препаратах из контрольной группы (рис. 2, б), окрашенные в коричневый цвет зрелые споры и спорангиенос-цы. Это показывает, что гриб находится в периоде интенсивного размножения, повышается вероятность успешного размножения, высока вероятность значительного увеличения территории, занимаемой грибом.

В результате второго исследования были получены термограммы, характеризующие динамику изменения температуры на поверхности кожи пальцев в процессе лазерного облучения точек акупун-

б)

Рис. 2 \ Микроскопическая картина препарата гриба опытной (а) и контрольной (б) проб

а)

О

б)

36,2 36 35,8 35,6 35,4 35,2 35 34,8 34,6 34,4 34,2 34

36 36,5 35

в неподвижный о режим облуче- 0°345

ей ' р

ния

ного сканирования

режим плоскостного сканирования

33 32,5 32 31,5

неподвижный режим облучения

— • режим объемного сканирования режим плоскостного сканирования

Время, с, р < 0,05

Время, с, р < 0,05

Рис. 3 Динамика температуры в области точек акупунктуры при воздействии лазерным излучением красного (а) и инфракрасного (б) спектра

ктуры при разных режимах и длинах волн излучения (рис. 3).

Как показали исследования, температура на поверхности пальца при неподвижном режиме облучения и режиме плоскостного сканирования как в красном, так и в инфракрасном диапазонах снижалась к концу 3-й минуты лазерного воздействия, причем при инфракрасном облучении в неподвижном режиме даже опускалась на 0,2 °С к концу 1-й минуты облучения. Температура быстрее и интенсивнее росла к концу 3-й минуты при облучении в режиме объемного сканирования. Причем нагрев поверхности пальца наблюдался как при облучении на длине волны 0,67 мкм (на 1,2 °С), так и при облучении на длине волны 0,85 мкм (на 0,8 °С).

Проведенное исследование показало, что низкоинтенсивное лазерное излучение стимулирует увеличение биомассы гриба, созревание и размножение. Наибольший рост гриба был отмечен при его облучении в модулированном и объемно-сканирующем режимах, причем более высокий при воздействии с длиной волны 0,67 мкм, чем с 0,85 мкм. Можно предположить, что при таких «росто-стимулирующих» параметрах облучения в области мембран клеток создавалась циркуляция долго-живущих рассеянных фотонов в отличие от неподвижного непрерывного режима воздействия, где фотоны двигались преимущественно по баллистическим траекториям. Интенсивное и длительное поглощение рассеянного излучения мембранами клеток приводило к более сильной активизации их ионной проводимости, приводившей к стимуляции метаболических процессов в клетках и в итоге к выраженному росту гриба.

Во время второго эксперимента режимы облучения при неподвижном расположении световода и плоскостном лазерном сканировании генерировали меньше теплоты на поверхности кожи пальца в проекции точки акупунктуры Ши-сюань (РС86), причем к концу 3-й минуты отмечалось падение температуры, связанное, по-видимому, со спазматической реакцией артериол микроциркуляторного русла глубинных слоев кожи в ответ на плотный поток баллистических фотонов и соответственно

со снижением кровотока на ее поверхности. Излучение же лазеров по методике объемного сканирования из-за сильного рассеяния в поверхностных слоях ткани пальцев интенсивнее поглощалось мембранами клеток и вызывало более выраженный местный нагрев кожи и активацию микроциркуляции. По-видимому, излучение с длиной волны 0,67 мкм интенсивнее поглощалось меланином кожи и гемоглобином крови капилляров, чем излучение с длиной волны 0,85 мкм, чем и объясняется более выраженный нагрев поверхности кожи при облучении излучением с длиной волны 0,67 мкм. Излучение же с длиной волны 0,85 мкм попадало в так называемое медицинское спектральное окно, простирающееся от 0,7 до 0,9 мкм, где поглощение света было минимальным.

Мы считаем, что повышение температуры в точке акупунктуры, вызванное лазерным облучением, ведет к раздражению нервных рецепторов и активации проводимости афферентных нервных путей, запускающих кожно-висцеральные рефлекторные саногенетические реакции. Наши данные согласуются с мнением I. Kertesz и соавторов [8], которые утверждают, что при температуре около 37 °С липидный слой клеточной мембраны обычно вступает в неустойчивое фазовое состояние, приводящее к изменению ее ионной проводимости. Это, по-видимому, способствует деполяризации мембраны терморецептора или дендрита чувствительной нервной клетки. Когда мембранный потенциал после облучения лазерами достигает порогового значения, возникает нервный импульс, распространяющийся по афферентным нервным волокнам в центры вегетативной нервной системы [7]. Кроме того, лазерное излучение, вызывая локальный нагрев клеточных мембран, может инициировать золь-гельные переходы в цитоплазме, также влияя на ионную проводимость. Мы согласны с мнением С. Л. Загускина [4] о том, что деполяризации мембраны нервной клетки, в том числе и при облучении лазерами в режиме объемного сканирования, могут способствовать и автоколебания концентрации ионов кальция, распространение волн кальция в цитозоле.

№ 1(43)/2016 |

биотехносфера

Рис. 4

Алгоритм управления аппаратно-программным комплексом

Проведенное исследование позволило обосновать необходимость разработки и применения нового биотехнического комплекса, обеспечивающего объемное лазерное сканирование точек акупунктуры. Был разработан алгоритм управления аппаратно-программным комплексом для реализации нового метода лазерной терапии (рис. 4).

Структурная схема аппарата представлена на рис. 5.

Как видно из схемы, разработанный биотехнический комплекс состоит из следующих компо-

ПК

USB **

МК

ДТ

БУРИ

СМ и ШМ

СИ

БИ —i БО

БП

Рис. 5

Структурная схема аппаратно-программного комплекса:

ПК — персональный компьютер с необходимым для работы комплекса программным обеспечением (ПО); USB — компьютерный интерфейс;

МК — микроконтроллер; ДТ — датчик температуры; СИ — субмодуль индикации и периферийного управления; БУРИ — блок управления работой излучателя; СМ и ШМ — субмодуль механики с шаговым микродвигателем; БП — блок питания комплекса; БИ — блок излучателей с рассеивающей линзой; БО — биологический объект

нентов: ПК — рабочее место оператора комплекса; ПО — программное обеспечение для ПК; модуль микроконтроллера; блок (субмодуль) излучателей; субмодуль механики с шаговым микродвигателем; вспомогательные и контрольные субмодули (датчик температуры); субмодуль индикации и периферийного управления. Программное обеспечение комплекса рассчитано на работу на ПК Intel/AMD c архитектурой x86/x64 под управлением операционных систем семейства Windows NT (Microsoft Windows 2000 — Microsoft Windows 8.1). Физический интерфейс обмена данными между ПК и модулем МК реализован по стандарту USB версии 1.0 и выше.

Модуль МК реализует профиль CDC USB — виртуальный последовательный порт через USB. Со стороны модуля МК протокол реализуется на основе библиотеки AVR-USB. Модуль МК обеспечивает связь с ПК, периферийное управление и контроль исполнительными устройствами комплекса по циклограмме и параметрам, заданным в ПО рабочего места оператора. Основой модуля является микроконтроллер AVR ATMEGA8, реализующий следующие функции: двусторонний обмен данными с ПК; формирование сигналов управления для субмодуля излучателя; формирование сигналов управления для субмодуля механики; опрос датчиков вспомогательного и контрольного субмодулей; опрос датчиков субмодуля индикации и периферийного управления. На субмодуле излучателей располагаются источники лазерного излучения, обеспечивающие необходимые параметры излучения. В качестве источников светового излучения, которое воздействует на биообъект, использованы лазерные диоды красного и инфракрасного спектров излучения. Субмодуль механики обеспечивает заданное расстояние между биообъектом и излучателем, а также перемещение излучателя относительно препарата в режиме объемного облучения. Субмодуль излучателей легкосъемный, оборудован разъемом для быстрой замены. Питание логической части схемы осуществляется напряжением +5 В, получаемым от ПК через USB-подключение.

Рабочее место оператора обеспечивает общее управление всеми элементами комплекса, формирование циклограммы сеанса, сохранение и повторное использование циклограмм, ведение статистики, сохранение пользовательских режимов работы. Оператор устанавливает режим работы излучателей (непрерывный, модулированный, объемно-сканирующий), регулирует частоту импульсов излучателей (от 0,5 до 100 Гц), если выбран модулированный режим работы, устанавливает частоту движения модуля излучателей при клюющем режиме работы, время работы (от 30 с до 10 мин), мощность излучения. Субмодуль индикации и периферийного управления представляет собой набор кнопок для управления биотехническим комплексом и индикаторами.

Элементы субмодуля механики расположены на шасси, выполненном из пластика или металла. Подвижная каретка расположена на направляющих, обеспечивающих ее продольное движение. В движение каретка приводится при помощи винтовой передачи от шагового двигателя. На каретке закреплен магнит, от которого срабатывают герко-ны МКА-10110/КЭМ-2, когда каретка находится в крайних положениях. Это позволяет программному обеспечению микроконтроллера автоматически рассчитывать количество шагов между крайними положениями каретки, останавливать каретку при достижении крайних положений. Контроль температуры двигателя осуществляется при помощи датчика температуры В818В20/Б818820. Программное обеспечение разрабатывалось с помощью компилятора CodeVisionAVR и программного симу-лятора VMLAB, для программирования микроконтроллера использовалась утилита PonyProg 2000.

В результате проведенного сравнительного анализа влияния на биообъекты нескольких наиболее часто применяемых в физиотерапевтической практике режимов лазерного облучения биообъектов (с неподвижным расположением источника излучения, в виде облучения модулированным лучом, плоскостным и объемным лазерным сканированием) было выявлено преимущество режима объемного лазерного сканирования, что актуально для оптимизации лазерной терапии. Исследования показали, что, во-первых, такой режим излучения сильнее стимулирует увеличение биомассы гриба, созревание и размножение, во-вторых, он обладает более теплообразующим эффектом по сравнению с остальными приемами облучения. Также отмечено, что при воздействии излучения с длиной волны 0,67 мкм наблюдается более интенсивный прогрев поверхности кожи в проекции точек акупунктуры, чем при облучении лучом с длиной волны 0,85 мкм, что позволяет рекомендовать облучение лазером красного диапазона для более интенсивно-

го прогрева биологических тканей. Исследование показало, что необходимо автоматизировать процедуру лазерной терапии и разработать биотехнический комплекс для реализации нового метода объемного лазерного сканирования, как имеющего значительные преимущества перед другими методиками облучения. Алгоритм управления лазерным комплексом предполагает оптимизацию его работы в условиях физиотерапевтического отделения. Предложенный лечебный комплекс облегчит работу медицинского персонала учреждений здравоохранения.

Литература

1. Аронов А. М., Пичугин В. Ф., Твердохлебов С. И. Разработка и внедрение новых медицинских изделий: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. 238 с.

2. Повышение эффективности применения лазерного гинекологического аппарата «АГИН-01» в гинекологии с использованием метода пальцевой фотоплетизмографии /

B. Н. Баранов, Е. Л. Малиновский, В. А. Новиков [и др.] // Казанский медицинский журнал. 2010. № 4. С. 555—560.

3. Гарибова Л. В., Лекомцева С. Н. Основы микологии: морфология и систематика грибов и грибоподобных организмов. М., 2005. 220 с.

4. Загускин С. Л. Гипотеза о возможной физической природе сигналов внутриклеточной и межклеточной синхронизации ритмов синтеза белка // Изв. РАН. Сер. биол. 2004. № 4.

C. 389-394.

5. Принципы создания многофункциональной аппаратуры для низкоинтенсивной лазерной и магнитолазерной терапии / В. Ю. Плавский, А. Б. Рябцев, И. А. Леусенко [и др.] // Мед. техника. 2011. № 2. С. 17-25.

6. Хлынов М. А., Баранов В. Н., Рашев Р. Р. Принципы построения и аппаратурная реализация многофункциональных терапевтических устройств // Изв. вузов. Поволжский регион. Технические науки. 2011. № 4 (20). С. 159-166.

7. Bisco I. I. Use of the laser beam in acupuncture // Acupuncture Electro-therapeut. Res. Int., 1980. Vol. 5. P. 29-40.

8. Hypotetical Model for Laser Biostimulation / I. Kertesz, M. Fenyo, E. Mester, G. Bathory // Optics and Laser Technology. 1982. Vol. 14. N 1. P. 31-32.

№ 1(433/2016 |

биотехносфера