Биотехническая система для адекватного управления функциональными процессами головного мозга

На правах рукописи

КУБЛАНОВ

Владимир Семенович

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АДЕКВАТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ПРОЦЕССАМИ ГОЛОВНОГО МОЗГА

05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Центре организации специализированных видов медицинской помощи «Институт медицинских клеточных технологий».

Официальные оппоненты: академик РАН, д.ф.-м.н., профессор Гуляев Ю.В.

д.ф.-м.н., профессор Селищев С.В.

д.т.н., профессор Гудков А.Г.

Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт биотехнических систем»

Защита состоится «___» октября 2009 г. в «___» часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.14 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана в зале Ученого Совета по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская, д. 5.

Ваш отзыв в одном экземпляре просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Самородов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Несмотря на то, что в соответствии с Уставом (Конституцией) Всемирной организации здравоохранения здоровье относится к стратегическому потенциалу любой страны, в России в настоящее время сложилась крайне тревожная ситуация: в последнее время ежегодно умирают свыше двух миллионов человек, из которых 600 тысяч - люди до 60 лет. В структуре заболеваемости и смертности населения прогрессируют социально зависимые и профессионально обусловленные дефекты здоровья, в которых доминирующими являются сердечно-сосудистая и онкологическая патологии. Большая часть смертей от болезней системы кровообращения приходится на ишемическую болезнь сердца и сосудистые поражения мозга, основными причинами которых являются различные виды стресса и экологические загрязнения, приводящие к синдромам дезадаптации, а затем и к хроническим заболеваниям.

Адаптация к изменяющимся условиям достигается перестройкой функциональных систем организма в рамках определённого физиологического коридора и обеспечивается системой регуляторных механизмов. Если резервные возможности организма недостаточны для решения этих задач, происходит нарушение адаптационного механизма.

В соответствии с современной Концепцией развития здравоохранения и медицинской науки в Российской Федерации эта проблема должна решаться методами восстановительной медицины, которая, в первую очередь, адресована к лицам, имеющим функциональные нарушения, отличительной чертой которых является их обратимость.

Ключевое значение в регуляции функциональных процессов в организме человека принадлежит вегетативной нервной системе (ВНС), которая обеспечивает поддержание гомеостаза внутренней среды организма и различные формы психической и физической деятельности. Однако в современном здравоохранении методы коррекции нарушений ВНС не получили достаточного развития. Причиной этого является, с одной стороны, то, что вегетативная стигматизация, сопутствующая какому-либо патологическому процессу, часто воспринимается как обязательный его компонент, присущий и клинической симптоматике наблюдаемой болезни, и ее патогенезу, а с другой – отсутствие эффективных немедикаментозных систем коррекции функциональных нарушений и методов мониторирования этих процессов в реальном времени.

Сформулированная академиком Ю.В. Гуляевым и Э.Э. Годиком гипотеза о параметрической модуляции собственных физических полей человека биохимическими и биофизическими процессами организма, позволяет рассматривать это направление как перспективное для мониторинга функциональных изменений головного мозга. Однако до настоящего времени не создано доступных неинвазивных технических систем для исследования этих процессов. Для головного мозга – это, в первую очередь, метаболические и гуморальные процессы. Недостаточно изучено влияние на них изменений ВНС.

Указанные выше обстоятельства дают основания считать, что тематика исследований, представленная в диссертации, является актуальной для современного здравоохранения и медицинского приборостроения как в научном, так и прикладном аспектах.

Цель работы

Целью работы является разработка теоретической базы и развитие новых технических, методических и программно-алгоритмических подходов для создания приборов, систем и изделий медицинского назначения, обеспечивающих организацию вегетативной регуляции для адекватного управления функциональными процессами головного мозга.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Научно обосновать организацию биотехнической системы (БТС) для адекватного управления функциональными процессами головного мозга с помощью физического поля, при которой мишенью воздействия является вегетативная нервная система.
2. На основе современных технических решений разработать комплекс базовых технических систем и изделий медицинского назначения для аппаратно-программной реализации биотехнической системы.
3. Провести модельные и экспериментальные исследования информационных особенностей биомедицинских сигналов и изменений на организменном, органном, молекулярном и клеточном уровнях биологических объектов в задаче вегетативного управления функциональными процессами головного мозга с помощью поля электрических импульсов тока.
4. Получить алгоритмические и программные решения, обеспечивающие мониторирование изменений ВНС и функциональных процессов в тканях головного мозга в режиме реального времени.
5. Разработать методический материал для адекватного управления функциональными процессами головного мозга.
6. Провести верификационные экспериментальные и клинические исследования БТС.

Методы исследования

Поставленные задачи решались с использованием теории биотехнических систем, системного анализа, математического и физического моделирования, СВЧ радиометрии, методов анализа биомедицинских сигналов на основе теории случайных процессов и математической статистики, организации и планирования эксперимента.

Научная новизна работы заключается в разработке БТС нового типа.

Результаты, полученные впервые:

1. Принципы организации нового типа БТС, в котором для адекватного управления функциональными процессами головного мозга в качестве мишени воздействия физическим полем используют ВНС.
2. Теоретически обоснованный метод фазовой коррекции, формирующий необходимые условия для минимизации информационных потерь открытой динамической системы, а также структура оригинального алгоритма для реализации этого метода в задаче управления функциональными процессами головного мозга с помощью воздействия физическим полем в проекции шейных ганглиев симпатического отдела ВНС.
3. Теоретическое обоснование принципов организации, структуры и параметров низкочастотного вращающегося пространственно-распределенного поля электрических импульсов тока (ФВП), предназначенного для управления функциональными процессами головного мозга.
4. Базовые технические решения аппаратной реализации БТС для управления активностью симпатической нервной системы.
5. Гипотеза о природе флуктуаций собственного электромагнитного излучения глубинных структур головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц: для этого диапазона излучения флуктуации преимущественно отражают динамику транспорта жидкости в межклеточных и внутриклеточных пространствах ткани мозга. Результаты верификационных исследований на пациентах-добровольцах, которые подтвердили справедливость этой гипотезы для заданных условий.
6. Получены новые результаты в теории контактной сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотермометрии, обеспечивающие при мониторировании функциональных изменений головного мозга инвариантность результатов измерения радиояркостной температуры головного мозга к различным дестабилизирующим факторам. В отличие от известной схемы K.M. Ludeke, которая корректирует влияние на результат измерения согласования антенны-аппликатора с телом, в предложенных решениях дестабилизирующими факторами являются еще и изменения потерь в антенне, кабеле, соединяющим ее со входом радиометрического приемника, и в СВЧ элементах схемы термобаланса входного тракта приемника. В этих решениях результат достигается или за счет параметрической компенсации, или с помощью формирования нескольких режимов авторегулирования, для реализации которых применяется перестройка структурной схемы термобаланса либо управление потерями управляемого аттенюатора, включенного в тракт схемы термобаланса.
7. Разработка радиофизического комплекса МРТРС, не имеющего аналогов в мире, которая обеспечивает мониторирование функциональных процессов головного мозга и анализ изменений ВНС.
8. Новый алгоритм базисного вейвлета (модифицированный вейвлет Morlet), который обеспечивает эффективное обнаружение локальных неоднородностей в биомедицинских сигналах при нестационарных состояниях организма, и программный комплекс «Вейвлет-анализ биомедицинских сигналов».
9. Алгоритм для формирования новых медицинских методик, использующих методологию динамической коррекции активности симпатической нервной системы (ДКАСНС) для лечения заболеваний, сопровождающихся функциональными нарушениями вегетативной нервной системы, метаболических и гуморальных механизмов головного мозга, сенсорных и поведенческой функций. Медицинские методики, реализующие этот алгоритм, и результаты их клинических испытаний.

Практическое значение работы:

1. Решена задача оптимизации открытых динамических систем по информационному критерию. Полученные решения, позволяющие уменьшить «информационный беспорядок», позволили сформулировать требования к структурно-информационной организации управления функциональными процессами головного мозга.
2. Сформулированы принципы структурных и технических решений формирования ФВП. Разработаны аппараты типа «СИМПАТОКОР», реализующие эти принципы.
3. Сформулированы принципы структурных и технических решений радиофизического комплекса для исследования изменений ВНС, метаболических и гуморальных процессов головного мозга в режиме реального времени, основными информационными каналами которого являются многоканальный СВЧ радиотермограф и анализатор вариабельности сердечного ритма (ВСР). Разработан радиофизический комплекс МРТРС, реализующий эти принципы.
4. Разработана и применяется в медицинской практике методика ДКАСНС, которая обеспечивает эффективное управление функциональными процессами головного мозга.
5. Разработана модель пространственного распределения радиояркостной температуры тканей головного мозга, которая позволяет выбирать диапазон электромагнитного излучения исходя из требований задачи исследования, а также основные тактико-технические характеристики многоканальных СВЧ радиотермографов.
6. Разработаны новые структурные и технические решения контактных СВЧ радиотермографов.
7. Сформулирована гипотеза о физиологической природе флуктуаций собственного электромагнитного излучения головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц, которые преимущественно отражают медленные изменения объемов жидкости в межклеточных пространствах. Гипотеза используется для интерпретации результатов измерений электромагнитного излучения.
8. Разработан модифицированный базисный вейвлет Morlet и на его основе программный комплекс «Вейвлет-анализ биомедицинских сигналов», который обеспечивает обработку биомедицинских сигналов при нестационарных состояниях организма. Комплекс может применяться для решения других задач, в том числе в технических системах.
9. Опытная эксплуатация радиофизического комплекса МРТРС в условиях Центра организации специализированных видов медицинской помощи «Институт медицинских клеточных технологий», Свердловского областного клинического психоневрологического госпиталя для ветеранов войн и Республиканского клинического госпиталя ветеранов войн республики Марий Эл (г. Йошкар-Ола) показала, что комплекс можно рекомендовать для клинических испытаний.
10. Аппарат «СИМПАТОКОР-01» включен в государственный реестр медицинских изделий России (регистрационные удостоверения 29/03051097/1267–00 от 30.11.2000 и ФСР 2007 / 00757 от 28.09.2007).
11. На основе идей, предложенных автором, разработаны и применяются в клинической практике различные способы реализации алгоритма управления функциональными процессами головного мозга при лечении заболеваний, сопровождающихся функциональными нарушениями головного мозга и ВНС, таких как мигрень, вегето-сосудистая дистония, последствия закрытых черепно - мозговых травм и сотрясений мозга, синдромы гипергидроза и ортостатической гипотензии и постуральной тахикардии, вестибулопатический синдром, фармакорезистентная эпилепсия, состояние алкогольной и наркотической абстиненций, гипертоническая болезнь (в том числе стойкая артериальная гипертензия, резистентная к обычной терапии), восстановление слуховой и зрительной функций, поведенческих функций больных с когнитивными нарушениями головного мозга, а также при реабилитации после инсультов и для эффективной замены инвазивным блокадам.

Положения, выносимые на защиту:

1. Принципы организации нового класса БТС, в которой для адекватного управления функциональными процессами головного мозга в качестве мишени воздействия физическим полем используют ВНС.
2. Доказательная база организации управления функциональными процессами головного мозга с помощью воздействия ФВП в проекции шейных ганглиев симпатической нервной системы (СНС).
3. Метод динамической коррекции активности симпатической нервной системы (ДКАСНС) в задаче управления метаболическими и гуморальными процессами в тканях головного мозга, сенсорными и поведенческой функциями.
4. Новые технические решения аппаратной реализации БТС для управления активностью СНС.
5. Гипотеза о природе флуктуаций собственного электромагнитного излучения глубинных структур головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц. Результаты верификационных исследований.
6. Новые результаты в теории контактной СВЧ радиотермометрии.

7. Принципы построения и техническая реализация радиофизического комплекса МРТРС.
8. Модифицированный вейвлет Morlet и программный комплекс «Вейвлет-анализ биомедицинских сигналов» в задаче обнаружения локальных неоднородностей в биомедицинских сигналах при нестационарных состояниях организма.
9. Алгоритм для формирования новых медицинских методик, использующих методологию динамической коррекции активности симпатической нервной системы при лечении заболеваний, сопровождающихся функциональными нарушениями вегетативной нервной системы, метаболических и гуморальных механизмов головного мозга, сенсорных и поведенческой функций. Медицинские методики, реализующие этот алгоритм, и результаты их клинических испытаний.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, съездах, симпозиумах и семинарах: научном семинаре «Биомедицинская техника» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009), 10-й научно-технической конференции «Медико-технические технологии на страже здоровья. МЕДТЕХ-2008» (Тунис, 2008), 4th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (Москва, 2008), 4-м Всероссийском симпозиуме «Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспекты и практическое применение» (Ижевск, 2008), 6-м Сибирском съезде физиологов (Барнаул, 2008), 7-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2005), 7 th European Neuro-ophthalmology Society (Москва, 2005), 10-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2004), 2-й Международной научно-практической конференции «Новые медицинские технологии в охране здоровья здоровых, в диагностике, лечении и реабилитации больных» (Пенза, 2004), 18-м съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Казань, 2000), 19-м съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004), 3-й Уральской научно-практической конференции «Математические методы в медицине и биологии» (Екатеринбург, 2001), Всероссийской научной конференции «Алгоритмический анализ неустойчивых задач» (Екатеринбург, 2001), Международном симпозиуме «Ишемия мозга» (Санкт-Петербург, 1997), Международном симпозиуме по транскраниальной допплерографии и интраоперативном мониторинге (Санкт-Петербург, 1995), Междисциплинарном рабочем совещании Научного Совета по физиологическим наукам РАН по проблемам мозгового кровообращения (Санкт-Петербург, 1995), Всероссийской научно-технической конференции по микроволновым технологиям «МВТ-95» (Казань, 1995), 11-й Международной конференции по нейрокибернетике «Проблемы нейрокибернетики» (Ростов-на-Дону, 1995).

Реализация результатов

1. Аппарат «СИМПАТОКОР-01» выпускается серийно ФГУП «Производственное объединение «Октябрь» (г. Каменск-Уральский).
2. Аппарат «СИМПАТОКОР-01» эксплуатируется более чем в 200 лечебно-профилактических и научно-исследовательских учреждениях России.
3. На ФГУП «Производственное объединение «Октябрь» проведена технологическая подготовка производства для изготовления опытных образцов радиофизического комплекса МРТРС.
4. Материалы диссертационной работы использованы при выполнении 7 работ на соискание ученой степени кандидата медицинских наук.
5. Автором на основе материалов диссертационной работы:

• в 2003 г. разработан лекционный курс «Радиоэлектронные системы в информационных измерительных комплексах» для студентов по направлению 230200 «Информационные системы», обучающихся на кафедре «Радиоэлектроника информационных систем» Радиотехнического института ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»;
• в 2007 г. организован научно-исследовательский практикум по направлению 014000 «Медицинская физика» на кафедре «Общая и молекулярная физика» ГОУ ВПО «Уральский государственный университет имени А.М. Горького».

6. По материалам диссертации опубликовано 110 работ: 91 статья, в том числе 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ; издано учебное пособие «Основы радиотеплолокации»; автором получено 18 авторских свидетельств и патентов на изобретения по теме диссертации.

Структура и объем диссертации