Компактные светотехнические устройства для физиотерапии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.07, кандидат технических наук Хизбуллин, Роберт Накибович

• Хизбуллин, Роберт Накибович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хизбуллин, Роберт Накибович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Роль физических факторов в медицине

1.1 Воздействие'светом

1.2 Воздействие лазерным излучением

ГЛАВА 2 Механизмы взаимодействия света с биообъектами

2.1 Взаимодействие света с биообъектом

2.2 Перспективы повышения эффективности светотерапии

ГЛАВА 3 Медико-биологическое обоснование выбора источника излучения:

3.1 Медико-биологическое обоснование использования светодиодных излучателей в физиотерапии

ГЛАВА 4 Техническое обоснование выбора источника излучения

4.1 Анализ производимой компактной и миниатюрной медицинской аппаратуры для светотерапии

4.2 Светодиоды

4.3 Этапы проведения работ по изучению характеристик сверярких светодиодов

ГЛАВА 5 Принципы построения светотехнического микромодуля для светотерапии:

5.1 Информационно-энергетическая структура компактных светотехнических устройств для светотерапии

5.2 Принципы построения микромодулей с РШИМ- преобразованием

5.3 Шум квантования и нелинейные искажения сигнала в РШИМ-преобразователе

5.4 Выбор элементной базы для практической реализации светотехнического микромодуля

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компактные светотехнические устройства для физиотерапии»

Человек не представляет жизни без света как естественного, так и искусственного. Энергетическая основа биологической жизни - солнечное излучение.

В локальных условиях промышленности, сельского хозяйства, медицины и других областях человек успешно заменяет солнечное излучение искусственным светом. Для этого понадобились многолетние труды ученых многих специальностей - физиков, оптиков, электротехников, электронщиков и других. На стыке этих наук и родилась современная светотехника.

Одной из актуальных проблем современной медицины является использование светового излучения при лечении различных заболеваний, что и позволило создать совершенно- новое направление в медицине - светотера-пию. В этой связи правомерно говорить о светотерапии как о новом методе неинвазивного и инвазивного лечебного воздействия на организм, основанного на использовании светового биотического фактора.

Во всем мире растет интерес к лечению самых различных заболеваний естественными и формируемыми физическими факторами, т.к. применение их с лечебными и профилактическими целями не только достаточно эффективно, но и выгодно экономически.

Россия одной из первых в мире стала применять лазеры в медицине. В настоящее время трудно указать медицинскую специальность, где лазерная терапия или хирургия не получила бы своего развития. В различных областях медицины (урология, онкология, гинекология, ожоговая и гнойная, абдоминальная1 и пластическая хирургия, неврология, стоматология и ряд других) лазеры применяются с диагностической, профилактической и лечебной целями как в клинике, так и в амбулаториях.

В частности можно отметить такие важные результаты последних лет:

1 Абдономмнальная- хирургия органов брюшной полости

1) разработка новых способов операций с применением лазеров в абдоминальной, внутриполостной, гнойной и кожно-пластической хирургии;

2) развитие фундаментальных исследований по взаимодействию лазерного излучения с биотканью, экспериментальное и практическое применение фотодинамической терапии и хирургии злокачественных опухолей.

С переходом системы здравоохранения России на страховую форму медицинского обеспечения населения, вопрос о научной обоснованности методов лечения и санкции на их использование со стороны МИНЗДРАВА РОССИИ приобретает все большую актуальность.

Широкое применение лазеров в современной медицине объясняется специфическими свойствами лазерного излучения - когерентность, монохроматичность, малая расходимость пучка, высокая яркость.

Революцией в медицине можно считать появление миниатюрных полупроводниковых лазеров и суперярких светодиодов, позволивших снизить габариты и вес медицинской техники при сравнительно высоком КПД. Но дальнейшая миниатюризация техники влечет за собой существенные изменения в принципах ее построения.

Анализ выпускаемой в настоящее время аппаратов для светотерапии позволил выявить следующие особенности современного состояния этой проблемы:

1) развитие лазерных физиотерапевтических методов лечения и создание лазерной аппаратуры продолжает идти в основном в направлении поиска оптимальных частот и биосинхронизации параметров излучения с целью увеличения эффективности и снижение нагрузки на пациента;

2) все больше признание завоевывают изделия на основе легких и компактных полупроводниковых лазеров; в классе компактных переносных и настольных приборов изменения в основном затрагивают многообразие режимов, стремление сочетать несколько каналов с лазерами разных длин волн;

3) появление на рынке терапевтической аппаратуры устройств с чисто светодиодными источниками излучения;

4) видна существенная тенденция к миниатюризация физиотерапевтических устройств;

5) отсутствуют миниатюрные автономные индивидуальные устройства, которые могут применяться для лечения не только в стационарных условиях, но и на дому, полевых и экстремальных условиях, что очень актуально для значительных групп населения.

Дальнейшее развитие светотерапии возможно за счет светотехнических компактных терапевтическими устройств, что свидетельствует об актуальности темы настоящей работы.

Применение светового воздействия в медицине основывается на взаимодействии световой энергии с'биотканями. При этом выделяются три вида фотобиологических эффектов:

1) невозмущающее воздействие светового пучка с биотканью, в этом случае биоткань не изменяет своих свойств, имеет место рассеяние или отражение - этот эффект применяется для создания диагностических приборов;

2) фотодеструктивный эффект, когда при взаимодействии светового пучка с биотканью происходит ее разрушение - этот эффект применяется для создания хирургических приборов;

3) фотохимический (биостимулирующий) эффект, когда при взаимодействии светового пучка с биотканью в ней возбуждаются атомы и молекулы, которые вызывают фотохимические реакции; в свою очередь, фотохимические реакции лежат в основе применения светового излучения как физиотерапевтического средства воздействия светотехнических устройств.

К группе биостимулирующих лазеров относятся лазеры малой и средней мощности (1-500 мВт), которые называются низкоинтенсивными.

Низкоинтенсивное лазерное излучение в настоящее время широко применяется для эффективного терапевтического лечения практически во всех областях медицины.

В ряде случаев, когда возможно уменьшить стоимость аппарата без снижения терапевтического эффекта, вместо лазерной терапии применяют светотерапию, на основе светодиодов и других дешевых источников света.

Большинство светотерапевтических аппаратов создано для лечения биотканей большой протяженности. Эти аппараты невозможно эффективно использовать для локально ограниченных заболеваний в отоларингологии, стоматологии, проктологии, гинекологии и гастроэнтерологии.

Проведенный сравнительный анализ показывает, что для решения подобных задач необходимо размещение светотехнических устройств непосредственно в патологической зоне. Это возможно только в том случае, если устройство будет сконструировано в виде компактной капсулы. Несмотря на имеющие теоретические работы, посвященные созданию компактных светотехнических устройств для физиотерапии, многие аспекты этой проблемы остаются нерешенными и серийно эти устройства не выпускаются.

В этой связи работа по созданию серийных конкурентоспособных компактных светотехнических устройств для физиотерапии является актуальной.

В последнее время из-за неограниченного применения антибиотиков стали наблюдаться появления ряда микроорганизмов устойчивых к широкому спектру антибиотиков. По результатам проведенных исследований в настоящей работе показано, что имеется возможность создания комбинированных методов лечения с применением новых миниатюрных устройств, которые позволят добиться эффективного лечения ранее трудноизлечимых заболеваний и возможность применения процедур на дому и полевых условиях, что актуально для значительных групп населения.

Цель работы. Основная цель работы - создание компактных светотехнических устройств для физиотерапии, обеспечивающих новые лечебные эффекты при лечении и профилактике локально ограниченных заболеваний.

Задачи исследований. При проведении комплексных экспериментальных и теоретических исследований, а также схемотехнических и конструкторских разработок для достижения поставленной цели автором были решены следующие конкретные задачи:

1) аналитический обзор светотехнической аппаратуры для физиотерапии к началу работы;

2) исследование взаимодействия светотехнических устройств с биообъектом;

3) медико-биологическое обоснование выбора облучателей для компактных светотехнических терапевтических устройств;

4) исследование световых и энергетических характеристик лазеров с светодиодов, пригодных в качестве облучателей для компактных светотера-певтических устройств;

5) теоретический расчет и экспериментальное обоснование энергетических и световых параметров облучателя на основе выбранного суперярко-го светодиода;

6) разработка, создание и внедрение на базе проведенных исследований светотехнических облучательных устройств в виде капсул, обеспечивающих доставку светового пучка непосредственно в патологическую зону без оптического инструмента.

Следует отметить, что создание и оптимизация конструкторских и лечебных параметров компактных светотерапевтических устройств были бы невозможны без проведения достаточно полных исследований взаимодействия физических факторов с организмом, а также исследований применения лазеров и других источников света для физиотерапии.

Методы исследований. Для проведения исследований и решения поставленных задач автором использовались следующие методы:

1) спектрофотометрический метод оценки спектральных характеристик лазеров и светодиодов;

2) калориметрический метод фотометрического исследования мощно-стных и яркостных характеристик светодиодов;

3) моделирование процесса поглощения светового излучения биотканью;

4) метод биофотометрических сфер основанный на измерении поглощения светового излучения определенных длин волн стенками кровеносных сосудов.

Научная новизна работы.

1. Разработаны принципы построения, параметрической и геометрической оптимизации компактных1 облучательных устройств для светотерапии, способных размещаться непосредственно в патологической зоне, исключая применения оптических инструментов.

2. Заложены теоретические основы создания нового поколения устройств для светотерапии, позволяющих перейти от макромедицинских технологий к новым микромедицинским технологиям.

3. Предложено и реализовано автором: а) конструкция компактного светотерацевтического аппарата капсуль-ного типа для локального лечения с помощью потока лучистой энергии, которая состоит в том, что токопроводящие сенсорные электроды для включения и выключения аппарата выполнены в виде тонкостенных деталей с наружной поверхностью тел вращения, механически соединенных между собой с помощью электроизолирующей шайбы и в совокупности являющихся несущими элементами корпуса аппарата; б) новая электрическая схема управления и накачки источника лучистой энергии, которая заключается в применении микрочипа, изготовленного по КМОП-технологии, содержащий четыре логических двухвходовых элемента, выполняющих логическую функцию 2И-НЕ с передаточной характеристикой, имеющий петлю гистерезиса; это позволяет выполнять функции: автоматического включения и выключения аппарата от сенсоров, модуляции входных, как детерминированных, так и случайных, сигналов с помощью разностной широтно-импульсной модуляции (РШИМ), генерации с девиацией частоты и усиления; в) впервые в стране при участии автора созданы капсульные микромодули для светотерапии.

Практическая ценность работы.

1. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные технические решения использованы при создании конструкции компактного светотерапевтического облучательного аппарата в виде капсульного микромодуля.

2. В настоящее время при участии автора подготовлен комплект эскизной конструкторской документации для выпуска светотерапевтических микромодулей капсульного типа на основе суперярких светодиодов в НПО «Элекон» (г. Казань).

3. Результаты работы также используются: а) в ГП НИИ «Полюс» (г. .Москва) при создании светотерапевтических микромодулей капсульного типа на основе лазеров; б) в учебном процессе Московского энергетического института при изучении дисциплины «Оптико-электронные приборы для медицины».

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований световых и энергетических характеристик светотехнических облучателей для создания компактных светотерапевтических устройств.

2. Обоснование принципов построения компактных светотехнических облучательных устройств для физиотерапии, их геометрическая и парамет

10 рическая оптимизация, основанная на результатах проведенных комплексных исследований в области взаимодействия светового излучения с биологическими тканями.

Достоверность результатов и выводов обеспечиваются: а) согласованием теоретических и экспериментальных исследований спектральных, энергетических и световых характеристик лазеров и свето-диодов, предлагаемых в качестве облучателей для компактных светотера-певтических устройств; б) согласованием результатов технических и клинических испытаний опытных образцов компактных светотехнических устройств теоретическими и экспериментальными исследованиями.

Фундаментальность воздействия световых факторов, в том числе и лазерного излучения на организм, а также естественность светового воздействия на организм затрудняют выделение светового излучения в качестве дозируемого лечебного фактора. Механизмы световой фотобиоактивизации организма человека окончательно еще не установлены. Сложность этой проблемы и требует объединения усилий ученых, врачей и инженеров , взаимопроникновения в медицину разных областей науки, что дополнительно подчеркивает актуальность темы диссертации «Компактные светотехнические устройства для физиотерапии».

Заключение диссертации по теме «Светотехника», Хизбуллин, Роберт Накибович

5) результаты работы используются: а) в ГП НИИ «Полюс» (г. Москва) при создании физиотерапевтических аппаратов капсульного типа на основе лазеров;

6) в учебном процессе Московского энергетического института (ТУ) при изучении дисциплины «Оптико-электронные приборы для медицины».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

1) на базе детального анализа как имеющихся в литературе, так и полученных автором результатов экспериментальных и теоретических исследований воздействия светового- излучения на биологические ткани разработаны принципы построения, геометрической и параметрической оптимизации компактных светотехнических устройств для физиотерапии, предназначенных для новых медицинских микротехнологий, обеспечивающих лечение заболеваний в проктологии, гинекологии, стоматологии," отоларингологии и гастроэнтерологии;

2) автором предложены и аппаратурно реализованы: а) конструкция нового поколения светотехнических физиотерапевтических устройств, выполненных в виде микромодулей капсульного типа, позволяющих локально доставлять световую энергию в патологическую зону без применения оптического инструмента; б) новый метод построения миниатюрных медицинских светотерапев-тических аппаратов, основанный на совмещении несущих конструкций корпуса аппарата с функциями токопроводящих сенсорных электродов; в) новая электрическая схема миниатюрного медицинского аппарата, позволяющая снизить ток потребления от автономного источника питания и обеспечить автоматическое включение излучения при контакте с кожей или слизистой оболочкой человека, а также уменьшить размер аппарата;

3) при разработке электрической схемы автором впервые применен микрочип, изготовленный по КМОП-технологии, содержащий четыре логических двухвходовых элемента, выполняющих логическую функцию 2И-НЕ с передаточной характеристикой, имеющей петлю гистерезиса; это позволяет выполнять функции: автоматического включения и выключения с помо

103 щью сенсоров, модуляции сигналов различной формы с помощью РШИМ-преобразования, генерации с девиацией частоты и усиления;

4) с участием автора, на. базе проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований, разработана и подготовлена конструкторская документация к производству светотерапевтических аппаратов капсульного типа на основе суперярких светодиодов (НПО «Элекон» г.Казань).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хизбуллин, Роберт Накибович, 1999 год

1. Журавлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение.-М.: Наука, 1977.-171 с.

2. Илларионов В.Е Медицинские информационно волновые техноло-гии-М.: ВЦМК «Защита»-1998.-45 с.

3. Илларионов В.Е Концептуальные основы физиотерапии в реабили-тологии- М.: ВЦМК «Защита»-1998.-80 с.

4. Тлячкин Л.М., Виноградова Л.М. Физиотерапия.-М.: Медицина,1988.-78 с.

5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.-М.: Высшая школа, 1987.-638 с.

6. Илларионов В.Е. Техника и методики процедур лазерной терапии: Справочник- М., 1994.-123 с.

7. Ohshiro Т. Low level laser therapy: A practical introduction // Chiches-ter-New York, «John Willy and sons», 1988.

8. Козлов В.И., Буйлин В.А., Самойлов Н.Г., Марков Н.И. Основы лазерной физио- и рефлексотерапии,- Самара-Киев: Здоров'е,-1993.-265 с.

9. Толстых П.И., Иванян А.Н., Дербенев В.А., Рябов В.И. и др. Практика эффективного использования лазерного излучения в медицине. М.:НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, 199-5.

10. Каш T.J. Photobiology of low-power laser therape. London, Paris, New York- 1989, Harward Acad. Publishers, 187 p.

11. Haina D., Brunner R., Landthler M. Animal experiments on light- in-duuced wound-healing // Pevelopment of laser. 4-th congress of Intern. Soc. for laser Sungery. Tokyo, 1981,- p. 1-3.

12. Гамалея Н.Ф. и др. К механизму лазерной биостимуляции / Лазерная и магнитолазерная терапия в медицине,- М., 1987.

13. Гамалея Н.Ф. Лазеры в эксперименте и клинике.- М.: Медицина, 1972.-232 с.

14. Десятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.Б., Макеева Н.С. Физико-химические механизмы биологического действия лазерного излучения// Успехи соврем. биол.-1987.-Т.103,3.1.-С. 31-43.

15. Rajaratham S., Bolton-P. Macrophage responsiveness to laser therapy with varying frequences// Laser Therapy.-1994.-Vol.6.-№1.-p.33.

16. Авруцкий М.Я., Фзизов Ю.М., Мусихин Л.В. Влияние внутривенного лазерного облучения на систему перекисного окисления липидов у хирургических больных// Новые достижения лазерной медицины.-Спб., 1993.-С. 10-11.

17. Иванов А.В., Купин В.Н., Еремеев Б.В., Захаров С.Д. Обратимые повреждения плазматических мембран форменных элементов крови начальное звено стимуляции, вызываемой лазерным излучением// Действие НЛИ на кровь.-Киев, 1989.-С. 185-187.

18. Хизбуллин Р.Н. Взаимодействие микробиологических культур с лазерным излучением. // II-ой аспирантско-магистерский научный семинар: Тез. докл.-Казань, 1998.-С.45. .

19. Жаров В.П., Шошенский A.M., Левиев Д.О. и др. Фотомедикаментозная терапия инфекционных процессов // VIII Международная конференция «Лазеры в науке, технике и медицине»: Хез. докл.-М.,1997.-С.32-33.

20. Nakamura S.,Senoh М:, Iwasa N. Et al. Superbright Green InGaN single-quantum-well-structure light-emitting diodes.-J. Appl. Phys., 1995, v.34, p.1332-1333.

21. Nakamura S.,Senoh M., Iwasa N. Et al. High brightness InGaN/AlGaN Double-blue-green light-emitting diodes. J. Appl. Phys., 1994, v.76, p.8189.

22. Nakahama S., Nakamura S.,Senoh M., Iwasa N. Et al. Hight-power InGaN single-quantum-well-structure blue and violet light-emitting diodes.-J. Appl. Phys., 1995, v.67, p. 1868.

23. Многопереходные петероструктуры. /Ж.И.Алферов и др.-ч.И. Внешний квантовый выход излучения.-ФТП, т. 10, 1976, вып.8.-с.1497-1506.

24. Берг А.,Дин П. Светодиоды.-М: Мир, 1979.-112 с.

25. Коган JI.M. Полупроводниковые светоизлучающие диоды.-М.: Энергоатомиздат, 1983.

26. Иванов В.И., Аксенов'А.И., Юшин A.M. Полупроводниковые опто-электронные приборы: справочник-М.: Энергоатомиздат, 1989.-354 с.

27. Semiconductor short form/ catalog-GmbH.: Telefunken microelectronic,1998.

28. Nitride metamorphosis the Boston MRS meeting report.-Publ. In III-Vs review, 1996, v.9, № 1, p.44-49. '

29. Бернд Клот. Люминесценция твердых растворов GaAli.xPx:N, выращенных методом газофазной эпитаксии.-Автореферат диссер. На соискании степени канд. тех.наук.-Л.:ЛЭТИ,1984.

30. Коркоташвили Г.А., Пихтин А.Н. и др. Край собственного поглощения и катодолюминесценция нелигированных эпитаксиальных слоев AlNGa,.xN.-OTTI, 1984, т.10,вып.8, с. 1462-1466.

31. Bradliey D. Electroluminescence: a bright future for conjugated polymers?- Adv. Master., 1992, v.4, №11, p. 143-145.

32. Ларюшин А.И., Хизбуллин Роб.Н., Хизбуллин Рад.Н. Применение сверхярких светодиодов в миниатюрных устройствах для физиотерапии //ч

33. Изв. вузов. Проблемы энергетики.- 1999.- №1.- С.68-72.

34. Ларюшин А.И., Хизбуллин Р.Н. Создание и применение компактных оптико-электронных физиотерапевтических устройств // Проблемы энергетики: Тез. докл. Республ. науч. конф,- Казань, 1998.-С.77.

35. Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике

36. М.: Энергоатомиздат,-1990.-252 с.

37. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). 2-е изд.,перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1983.107

38. Якушенков Ю.Г.Теория и расчет оптико-электронных приборов-М.: Машиностроение, 1989.

39. ГОСТ 25024.4-85. Методы измерения яркости, силы света, неравномерности яркости и неравномерности силы света. -М.: Издательство стандартов, 1985.-27 с.

40. Шеннон К. Работы по теории информации. М: Изд-во иностр. лит.,1966.-132 с.

41. Стил Р. Принципы дельта-модуляции/Пер. с англ. под ред. В.В. Маркова.-М: Связь, 1979.-368 с,

42. Цифровые интегральные микросхемы. Серия КР1554: Каталог.-М.: Государственное Центральное конструкторское бюро «Дейтон», 1998.-45 с

43. Цифровые интегральные микросхемы. Серия KP 1564, 1564: Каталог.-М.: Государственное Центральное конструкторское бюро «Дейтон», 1998.-47 с.

44. Интегральные микросхемы. Коммутаторы и ключи: Каталог- М.: Государственное Центральное конструкторское бюро «Дейтон», 1997.-138 с.

45. Петухов В.М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочникам.: «Радио и связь», 1996.-265 с.

46. Product catalog. SDL.-San Jose, 1996.45. «GP Batteries»: Каталог -M.: Фирма AZ, 1997.-20 с.