Нейроэлектростимуляция в восстановительной медицине

Секция систем автоматического управления

УДК 611.814.1: 615.47

А.Б. Кравченко, В.И. Семенцов

НЕЙРОЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ В ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ

МЕДИЦИНЕ

В соответствии с современной концепцией развития здравоохранения и медицинской науки в Российской Федерации все большее развитие у нас получает новое профилактическое направление, названное восстановительной медициной. Основной целью, которую преследует это направление, является восстановление функциональных резервов человека, сниженных в результате неблагоприятного воздействия факторов среды и деятельности или в результате болезни (на этапе выздоровления или ремиссии), путем применения преимущественно немедикаментозных методов [1].

К немедикаментозным относятся психологические и некоторые физиологические методы. Среди последних в настоящее время, наиболее перспективными считаются нейроэлектростимулирующие, вызывающие генерализованные реакции посредством стимуляции электрическими импульсами разнообразной формы участков кожного покрова.

При работе с кожным покровом человека необходимо учитывать два основных фактора. Первый фактор - это локализация участка обработки; ему сопутствуют вопросы: какими свойствами обладает этот участок? С какими нервными волокнами связан? Какая из систем организма будет реагировать на воздействия? Второй фактор тесно связан с проблемой дозировки: Как долго и с какой интенсивностью можно работать с данным участком? С позиции дозировки воздействия важную роль играет модель кожного покрова, позволяющая предсказать интенсивность и длительность воздействия, а также оценить время, необходимое для восстановления первоначальных свойств тканей, попадающих в область воздействия.

Уместно напомнить, что электропроводность кожи формируется под действием многих факторов, среди которых возбуждение или торможение нервной системы, интенсивность наполнения кровью и лимфой сосудов в исследуемой области, близость к акупунктурным точкам и т.д. Доказано, что возрастание частоты и амплитуды зондирующего воздействия, а также продолжительность измерений повышает электропроводность кожи [2, 3]. По этой причине временные методы идентификации электрических моделей кожного покрова предпочтительнее частотных.

С учетом вышеуказанных обстоятельств можно выбрать подходящий тип воздействия, например холод, иглу или электрический импульс, а также соответствующий ему инструментарий. Не менее важна открывающаяся возможность установки, при каких исходных данных и какая именно система организма проявляет наивысшую чувствительность к вызванным в организме изменениям.

Примем в качестве инструментария электростимулирующие устройства и поставим соответствующую оптимизационную задачу. Предполагается оптимизация

воздействия в зависимости от исходного состояния организма, в частности - электропроводности участков тканей. Должна быть найдена стимуляция с минимальной мощностью, минимальной интенсивностью и минимальной длительностью процедуры, которая при этих ограничениях вызывает максимальный отклик выбранной системы организма. В этом случае нагрузкой электростимуляторов является участок кожного покрова, обладающий определенным набором свойств и соответствующей электропроводностью. В нагрузку могут быть включены различие тканевые структуры. Естественно, что на каждом участке кожи существует свой, специфический набор тканей, входящих в нагрузку. Из этого следует, что электрическая модель нагрузки непременно должна выражать эту специфику. Поэтому электрических моделей кожного покрова разработано достаточно много, некоторые из них приведены на рис. 1.

‘Ж

а б в

Рис. 1. Электрические модели кожного покрова

После подбора параметров стимуляции, на которые будет реагировать одна из систем, связанная с регуляцией внутренней среды организма, становится возможным получать характеристики именно этой системы. Другими словами, другие параметры стимуляции будут влиять уже на другую систему.

Чтобы определить, какая из систем реагирует на заданный набор параметров, необходимо отслеживать общее состояние организма. Это осуществимо только с использованием комплексного оборудования, позволяющего отыскать все необходимые параметры в заданные моменты времени и после стимуляции.

Перечень необходимых параметров достаточно обширен: артериальное давление, частота пульса, электропроводность стимулируемой зоны, вегетативный индекс Керго (ВИК), идентифицирующий тонус вегетативной нервной системы и ЭКГ. Сердечно-сосудистая система является индикатором, системообразующим фактором, и поэтому она реагирует быстро и точно. Для оценки всех вышеперечисленных параметров необходимо использовать программно-аппаратный комплекс, назначение которого - сбор и обработка данных о состоянии внутренних систем организма.

Структурная схема диагностического комплекса аппаратуры, разработанной на основе выдвинутых выше соображений, представлена на рис. 2 [4]. Здесь обозначено: БГИ - блок генерации импульсов; БК - блок коммутации; ЭКГ - электрокардиограф; БИ - блок идентификации модели кожного покрова; БИД - блок измерения давления; ОИ - область исследования; УСОИ - устройство сбора и обработки информации.

Этот комплекс дал возможность выполнить ряд экспериментов, позволяющих отследить показатели гемодинамики во времени и соотнести их с ранее выбранными параметрами стимуляции. Необходимо понимать, в каком контексте выполняется работа, чтобы определить систему по полученным данным.

Рис. 2. Структурная схема диагностического комплекса

Известные самые современные данные дают основание полагать, что электростимулятор СКЭНАР оказывает нормализующее влияние на функциональное состояние системы регуляции физиологических функций организма, что, по-видимому, можно считать одним из наиболее важных факторов эффективности лечения разнообразных заболеваний [5].

Был проведен эксперимент, подтверждающий вышеизложенные предположения. В качестве электростимулятора был взят ЧЭНС (СКЭНАР). В качестве измерителя электропроводности и показателей гемодинамики - комплекс РИСТА (рис. 3) [6] и тонометр. К сожалению, каждый из необходимых инструментов является отдельным устройством, что, в свою очередь, вызвало значительное неудобство и затруднения в использовании.

Рис. 3. Диагностический комплекс РИСТА

Остановимся на этапах эксперимента. Сначала по методике Фоля была определена зона, соответствующая вегетативной нервной системе (ВНС) в состоянии дисбаланса. Общепринято, что чем меньше отличаются друг от друга показатели электропроводности (точнее, находятся в пределах коридора физиологической нормы), тем более сбалансирована функция ВНС. Среднее значение электропроводности по всем измерениям является косвенной характеристикой тонуса ВНС. Считается, что высокое значение характерно для смещения баланса в сторону сим-патикотонии, а низкое - в сторону ваготонии.

Показатели электропроводности, превышающие верхнюю границу коридора физиологической нормы, свидетельствуют о недопустимом повышении активности соответствующих меридиану комплексов вегетативных функций, а значения, меньшие, чем нижняя граница коридора физиологической нормы, указывают на недопустимое снижение.

Чаще всего отклонений электропроводности бывает достаточно много. Поэтому, чтобы выбрать среди всех меридианов наиболее сильно влияющие в количественном отношении на сбалансированность функции ВНС в целом, рассчитываются показатели асимметрии, которые количественно оценивают меру этого влияния. При этом необходимо учитывать, что максимальное отклонение от коридора условной нормы не всегда указывает на то, что именно этот меридиан вносит максимальный вклад в общий функциональный дисбаланс.

С промежутком в одну минуту измерялись показания электропроводности и вегетативный индекс Керго (ВИК) на выбранном участке кожного покрова. В течение пяти минут продолжались изменения в функциональном состоянии сердечнососудистой системы, которые сами по себе, без участия системы регуляции физиологических функций организма, произойти не могут [7]. Спустя еще три минуты показания электропроводности и ВИК прекратили свое изменение, что говорит о насыщении данной зоны воздействия и о прекращении работы активизированных систем.

С абсолютной уверенностью можно говорить о влиянии сигнала электростимулятора ЧЭНС (СКЭНАР) на функционирование системы регуляции вегетативной функции организма. Наибольший интерес представляет переходной процесс, показывающий динамику этого влияния и позволяющий оценить параметры стимуляции в рамках поставленной оптимизационной задачи. Обеспечена стимуляция с минимальной мощностью, минимальной интенсивностью и минимальной длительностью процедуры вызывающая, несмотря на эти весьма существенные ограничения, максимальный отклик.

Таким образом, созданные инструментарий и диагностический комплекс, включая электростимулятор, позволяют врачу, знающему начальное состояние центральной нервной системы (ЦНС), воздействовать на механизмы, приводящие ЦНС в норму. Механизмы, которые без вмешательства врача, возможно, никогда самостоятельно не приблизили бы ЦНС к норме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Разумов А.Н., Бобровницкий И.П. Восстановительная медицина: научные основы и пути интеграции первичной и вторичной профилактики. - М.: Российский научный центр восстановительной медицины и курортологии.

2. Попечителев Е.П., Кореневский Н.А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника. - М.: Высшая школа, 2002.

3. Портнов Ф.Г. Электропунктурная рефлексотерапия. - Рига: Зинатне, 1982.

4. Кравченко А.Б. Индивидуальный программно-аппаратный диагностический комплекс // 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика». М., 2006.

5. Черчаго А.Я. Методика интерпретации карты риодораку для оценки функционального состояния регуляторных систем организма в СКЭНАР-терапии.

6. Тараканов А.В., Черчаго А.Я. Методические рекомендации по применению аппаратнопрограммного рефлексодиагностического комплекса “Риста-ЭЦД” в СКЭНАР-терапии. - Таганрог: Познание, 2005. - 66 с.

7. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия: Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 1999. - 432 с.

УДК 621.311

С.В. Василенко

СИНТЕЗ НЕЛИНЕЙНОГО ДИСКРЕТНОГО РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА

Упрощенная модель трехфазного синхронного генератора, не учитывающая переходных процессов в цепи нагрузки, состоит из двух дифференциальных и двух алгебраических уравнений [1]:

J — = Mд (О, F) - 3U2 cos ф(о)-1 + Mв ; Lm % = Ur - Rrir ;(1) dt dt E = U(cos в + z~la>Ld sin y); sine = z~lwLq cosy.

Здесь обозначено: (О - угловая скорость вала электрогенератора; ir - ток возбуждения в обмотке ротора; U - эффективное значение напряжения на нагрузке;

Ur - напряжение на обмотке возбуждения; j - угол сдвига фаз между током и

напряжением нагрузки; z - полное сопротивление нагрузки; в - угол сдвига фаз между ЭДС в обмотке статора и напряжением на нагрузке; у = ф + в; E = krirO ; Mд (О,F) - движущий момент на валу генератора; F - управляющее воздействие на движущий момент; M - возмущающее моментное воздействие на валу.

В настоящее время подавляющее большинство регуляторов строится на основе цифровой вычислительной техники, например микроконтроллеров. Поэтому необходимо перейти от исходной непрерывной математической модели к модели дискретной. Уравнения нелинейной одномерной дискретной системы в квазилинейной форме имеют вид

xk+1 = Akxk+bkuk,

yk = cIxk, k = одд...,

где xk = x(kT ) , T - период квантования, Ak = A(xk X h = b(xk X cl = cT (xk) -

функциональные матрица и векторы, uk - скалярное управление, yk - управляемая переменная.

Уравнения нелинейной дискретной системы (2) и (3) можно привести к канонической управляемой форме с помощью двойного последовательного преобразования Крылова-Луенбергера [2], что упрощает задачу синтеза регулятора для электрогенератора.