Биотехническая резонансная система ТЭС-терапии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 612.82.014.424

А. В. Малыгин, канд. техн. наук

Центр транскраниальной электростимуляции Института физиологии им. И. П. Павлова РАН

Биотехническая резонансная система ТЭС-терапии

Ключевые слова: биотехническая система, селективная активация, защитная система мозга, транскраниальная электростимуляция, медицинские аппараты

В статье рассматриваются принципы создания биотехнической системы (БТС) нового — резонансного — типа, предназначенной для селективной активации защитных механизмов мозга с помощью транскраниальной электростимуляции (ТЭС). На основе БТС ТЭС создан и серийно выпускается модельный ряд медицинских аппаратов ТРАНСАИР.

Основы построения БТС ТЭС

В настоящее время создано и продолжает создаваться множество методик электростимуляции (ЭС), параметры которых зачастую подбираются эмпирически. Процесс подбора и оптимизации сигнала очень трудоемок, особенно при использовании должных методов верификации. Прогнозирование результата ЭС на основе математической модели существенно сокращает объем натурных исследований, если эта модель адекватна реальному объекту.

Впервые обнаруженное в Институте физиологии им. И. П. Павлова (Санкт-Петербург) явление селективности транскраниальных электрических воздействий предполагает выраженный ответ защитных (эндорфинных) механизмов мозга в очень узком диапазоне параметров воздействия, как это можно наблюдать, например, в резонансных системах.

В работе [1] автором были предложены возможный механизм и математическая модель возникновения резонансных свойств нервных структур при низкочастотном электрическом воздействии. Кроме того, на основании исследований с помощью ЯМР-томографии было установлено оптимальное положение электродов на голове пациента.

Обобщая данные проведенных исследований, можно сформулировать основные параметры способа селективной транскраниальной электростимуляции:

вид сигнала стимуляции — прямоугольные импульсы тока;

период следования импульсов —13 ± 0,5 мс (частота 77 ± 3 Гц);

длительность импульсов — 3,6 ± 0,4 мс;

направление протекания тока — продольное (лобно-затылочное наложение электродов); сила тока стимуляции — 0,2-5 мА; частотная модуляция — в пределах ± 3 Гц, равномерный закон;

продолжительность стимуляции — 20-40 мин. Новизна способа подтверждена дипломом на открытие [2] и патентом РФ [3]. Методика лечения, использующая указанные параметры стимуляции, получила в практике наименование «ТЭС-терапия», которое будет нами использоваться и в дальнейшем.

Принципы построения БТС резонансного типа и функциональная схема БТС ТЭС

Определение термина БТС было сформулировано профессором В. М. Ахутиным и принято на I Международной конференции по бионике в Варне в 1975 г. [4]. Согласно этой формулировке, биотехническая система представляет собой совокупность биологических и технических элементов, объединенных в функциональную систему целенаправленного поведения. При сопряжении в единую функциональную систему технических и биологических элементов необходимо соблюдать следующие основные принципы:

принцип адекватности, требующий согласования основных конструктивных параметров и «управленческих характеристик» биологических и технических элементов БТС;

принцип единства информационной среды, требующий согласования свойств информационных потоков, циркулирующих между техническими и биологическими элементами как в афферентных, так и в эффекторных цепях БТС.

Разрабатываемую БТС ТЭС в классификации биотехнических систем согласно [4] можно определить как БТС медицинского назначения (БТС-М), а с учетом ее лечебной функции — отнести к подклассу БТС-МТ. Одним из важнейших требований к таким системам является минимально возможное воздействие на целевой орган и весь организм для исключения побочных эффектов.

Биотехнические системы

Достижение подобного результата естественным образом возможно, например, в резонансных системах, когда слабый сигнал способствует развитию мощного и селективного отклика. Поэтому, как нам представляется, критериями построения биотехнических систем резонансного типа могут являться следующие:

• достижение высокой избирательности воздействий на целевые структуры биологического звена;

• минимизация числа и интенсивности управляющих воздействий на биологическое звено при сохранении либо увеличении конечного (целевого) эффекта в БТС.

Отличительные особенности БТС ТЭС

Как было показано ранее, объектом воздействия разрабатываемой БТС являются защитные механизмы мозга (ЗММ), само назначение которых состоит в нормализации жизнедеятельности организма. Показано, что ЗММ обладают селективными свойствами по отношению к электрическим воздействиям, прилагаемым транскраниально.

Подобные качества системы предоставляют уникальную возможность создания БТС, в которой оба принципа сопряжения технических и биологических элементов (адекватности и единства информационной среды) обеспечиваются работой системы на частоте резонанса ЗММ. При этом адаптивность внутреннего контура БТС обеспечивается всем арсеналом биофизических и биохимических процессов, вовлеченных в реализацию ЗММ в ходе онтогенетического развития человека и животных. Адаптивность же внешнего контура БТС сводится

фактически к соблюдению условий, при которых обеспечивается избирательная активация ЗММ, а именно: положение электродов при стимуляции, форма и частота импульсов и сила тока воздействия.

Функциональная схема БТС ТЭС

На основе результатов проведенных исследований была синтезирована и реализована биотехническая система, структура которой позволяет реализовать предложенные принципы селективной активации ЗММ. Обобщенная функциональная схема БТС ТЭС приведена на рис. 1. Назовем наиболее важные составляющие БТС ТЭС.

Биологическое звено. ТЧ — ткани черепа, включающие кожные покровы, костные ткани, ткани мозга, ликворные жидкости и т. п. Протекание тока стимуляции 1ст по данному пути обеспечивает, в конечном счете, лечебный эффект. Функционально наиболее значимы здесь две единицы: КР — кожные рецепторы, создающие поток афферентной импульсации в мозг, и целевая структура ЗММ — защитные механизмы мозга, частью которых является эндорфинная система мозга (ЭС).

Техническое звено. ГИ — генератор импульсов заданной формы и длительности; ООС — канал отрицательной обратной связи по току; РУ — регулятор уровня, задающий силу тока стимуляции; Вос — сопротивление цепи обратной связи (датчик тока).

Пациент — объект воздействия как элемент контура управления. Пациент может самостоятельно влиять на уровень тока стимуляции, образуя

Л

КР ¿-ч- ЭС

Ч|-

11

Врач

Р У

ГИ

ООС

Техзвено

Рис. 1\ Обобщенная функциональная схема БТС ТЭС

тем самым интерактивную обратную связь (ИОС), либо передавать свои ощущения врачу. Последний имеет, как правило, больший опыт работы с БТС и потому обеспечивает более точное регулирование.

На рисунке жирной линией обозначена цепь протекания тока, тонкими линиями со стрелкой — каналы управляющего воздействия, широкими стрелками — каналы информационного обмена. Как можно видеть, основные каналы информационного обмена в резонансной БТС сосредоточены внутри биологического объекта. Это обеспечивает почти абсолютную адекватность информационного обмена за исключением случаев повреждений именно этих каналов либо структур. Однако такие случаи являются для БТС ТЭС противопоказаниями и здесь не рассматриваются.

Реализация внешнего контура адаптации в БТС ТЭС обеспечивается тремя каналами взаимодействия. При этом один из них является каналом воздействия (блоки ГИ, РУ), а еще два являются каналами обратной связи (ООС по току и ИОС по ощущениям), отслеживающими эффективность работы первого.

Работа канала электростимуляции обеспечивает активацию ЗММ благодаря воздействию импульсным сигналом с параметрами, отвечающими селективным свойствам ЗММ, а также пространственным расположением электродов, при котором ток протекает вблизи структур ЗММ.

Канал автоматической ООС по току обеспечивает неизменность формы и амплитуды воздействующего сигнала от неизбежных для живого организма вариаций импеданса нагрузки в ходе процедуры, что является непременным условием работы резонансной БТС.

Посредством канала интерактивной обратной связи выполняются две важные функции: осуществляется регулировка интенсивности воздействия и учитывается адаптация рецепторов кожи в местах контакта с электродами. Учет адаптации крайне важен, так как чувствительность рецепторов кожи зависит от степени активации ЗММ. При этом ток стимуляции в ходе процедуры может и должен быть изменен таким образом, чтобы поддерживать ток на максимально возможном уровне, когда еще нет неприятных ощущений у пациента.

Подобная структура БТС оказалась достаточно простой и в то же время эффективной именно благодаря ее работе с использованием селективных (резонансных) свойств ЗММ. Созданные на принципах ее работы аппараты ТРАНСАИР оказались весьма действенны в клинической практике и в то же время очень просты в эксплуатации.

Общие технические требования к аппаратам ТЭС

Требования к аппаратуре должны включать требования к электрическим параметрам, а также к конструкции с учетом государственных стандар-

тов по электробезопасности, электромагнитной совместимости и эргономике. Общие технические требования были разработаны в виде проекта технических условий к аппаратуре для ТЭС. В дальнейшем разработанные технические требования послужили основой для инженерной разработки модельного ряда аппаратов серии ТРАНСАИР.

Конструкция токоподводящей части БТС ТЭС

При выборе устройства для подведения тока к коже головы мы руководствовались следующими соображениями. Безопасная для кожных покровов плотность тока составляет не более 1-2 мкА/мм2 [5, 6]. Максимальное значение тока в аппаратах ТРАНСАИР достигает 10 мА, следовательно, площадь электродов должна быть не менее 50 см2.

В случае использования металлических электродов помимо очевидных экономических соображений возникают опасность электрохимических ожогов из-за образования кислоты на аноде и щелочи на катоде в месте контакта с кожей, а также возможность попадания ионов металла в кожу. Поэтому металлические части были выполнены небольшими по площади, а в качестве токораспределяющего, фильтрующего и гигиенического материала использованы многослойные фланелевые прокладки (8-12 слоев). Лобная прокладка имеет размеры 5 х 10 см, каждая из заушных прокладок — 5 х 5 см. При проведении процедур электропроводность прокладок обеспечивается смачиванием водопроводной водой.

Электроды выполнены в виде оголовий, сшитых из стропы шириной 25 мм, с текстильной застежкой, позволяющей регулировать прижим к голове. На стропе закреплены металлические части электродов, к которым крепится контактный лепесток для подпайки провода. Длина провода для подсоединения к аппарату составляет 1,6-2 м. Диаметр металлических частей электродов (дисков) равен 25 мм; как лобные, так и затылочные (заушные) части содержат по два таких диска. Каждый диск с наружной стороны имеет изолирующий колпачок. Конструкция электродов показана на рис. 2.

Лобные электроды Затылочные электроды

с оголовьем Тесьма с оголовьем

Рис. 21 Конструкция электродов в БТС ТЭС

Принципы построения модельного ряда аппаратов ТРАНСАИР

На основе классификации групп пользователей были разработаны подробные задания на проектирование аппаратов модельного ряда. Основные технические характеристики аппаратов приведены в табл. 1.

Системотехника разработанных аппаратов ТРАНСАИР

На рис. 3 приведена блок-схема аппарата для домашнего применения ТРАНСАИР-02. Задачами разработки модели были минимизация стоимости, простота управления и максимальная безопасность. Исходя их этого аппарат был выполнен с питанием от встроенной аккумуляторной батареи и светодиодной индикацией уровня тока. Из набора сервисных функций использован таймер процедуры на фиксированное время. Конструкция аппарата защищена свидетельством на полезную модель [7]. Внешний вид аппарата изображен на рис. 4.

При разработке модели ТРАНСАИР-03 ставились следующие задачи: он должен работать длительное время с питанием от сети, быть малогабаритным, иметь два режима работы, более развитую индикацию. Аппарат был выполнен в корпусе «Вор1а», в нем использованы светодиодные цифровые индикаторы. Малая потребляемая мощность (менее 3 Вт) дает возможность использовать аппарат круглосуточно. Блок-схема аппарата не отличается от предыдущей модели с той лишь разницей, что блок питания выполнен сетевым, а зарядное устройство отсутствует. Его внешний вид изображен на рис. 5.

ТРАНСАИР-04 предназначен для использования в поликлиниках, должен иметь сетевое питание, три режима работы, раздельную индикацию тока и времени процедуры. В этом аппарате вводится режим демонстрации его возможностей, названный автопроверкой, поскольку такой режим позволяет

1 2 3 5 6

9 —И 10 4 7 1 11

12

Рис. 3

Блок-схема аппарата ТРАНСАИР-02:

1 — кнопки управления; 2 — генератор импульсов; 3 — преобразователь напряжение—ток; 4 — таймер процедуры; 5 — усилитель мощности; 6 — индикатор тока; 7 — блок защиты; 8 — электроды стимуляции; 9 — звуковой модуль; 10 — громкоговоритель; 11 — блок питания; 12 — зарядное устройство

Рис. 4\ Аппарат ТРАНСАИР-02

Таблица 1

Технические характеристики аппаратов ТРАНСАИР

Модель

Ток

монополярный

бипо-ляр-

по-стоян-ный

Частотная модуляция

Макси-маль-ный ток, мА

Сервисные функции

Таймер (мин)

Индикатор

Звук

Дистанционное управление

Питание

Габаритные размеры, мм

Масса, кг

ТРАНСАИР-02

ТРАНСАИР-03

ТРАНСАИР-04

ТРАНСАИР-05

ТРАНСАИР-06

1/1

Моно- и биполярный токи

То же

5/5

5/5

28

5-40

5-40

5-60

5-60

Светодиодный позиционный

Жидкокристаллический, цифровой

Два светодиодных цифровых

Три светодиодных цифровых

Шесть светодиодных цифровых

Музыкально-речевой интер фейс, моно

То же

Музыкально-речевые суггестивные воздействия, стерео

АБ9В

220 В, 50 Гц

220 В, 50 Гц

220 В, 50 Гц

220 В, 50 Гц + АБ 12 В

200x90x60

200x110x65

290x200x120

290x200x155

500x300x320

0,4 0,6

3,0 5,0 10,0

Рис. 5\ Аппарат ТРАНСАИР-03

1 2 3

13 14 4

11

10

12

Рис. 6

Блок-схема аппарата ТРАНСАИР-04:

1 — кнопки управления; 2 — генератор импульсов; 3

сум-

матор; 4 — источник постоянного тока; 5 — преобразователь напряжение—ток; 6 — таймер процедуры; 7 — усилитель мощности; 8 — индикатор время—частота; 9 — индикатор тока; 10 — блок защиты; 11 — электроды стимуляции; 12 — блок питания; 13 — звуковой модуль; 14 — громкоговоритель

15 4

2 3

16

13

И

14

5 7

9

6 8 10

11

12

Рис. 8

Блок-схема аппарата ТРАНСАИР-05:

1 — кнопки управления; 2 — генератор импульсов; 3 — сумматор; 4 — источник постоянного тока; 5 — преобразователь напряжение—ток; 6 — таймер процедуры; 7 — усилитель мощности; 8 — индикатор время—частота; 9 — индикатор импульсного тока, 10 — блок защиты; 11 — электроды стимуляции; 12 — блок питания; 13 — звуковой модуль; 14 — громкоговоритель; 15 — модулятор частотной модиляиии: 16 — индикатор постоянного тока

Рис. 9 Внешний вид аппарата ТРАНСАИР-05

ных последовательностей. Блок-схема аппарата приведена на рис. 8, а его внешний вид — на рис. 9.

Рис. 7\ Аппарат ТРАНСАИР-04

контролировать работу аппарата перед началом процедур или при его продаже. В связи с этим в блок-схему аппарата введены переключатель режимов работы с соответствующим индикатором, блок автопроверки и дополнительный индикатор время— частота (рис. 6). Внешний вид этой модели дан на рис. 7.

ТРАНСАИР-05 был задуман как стационарный аппарат, реализующий все эффективные режимы ТЭС-терапии, включая режимы с сочетанием постоянного и импульсного токов, а также возможность включения частотной модуляции импульс-

Результаты применения аппаратов ТРАНСАИР в медицинской практике

В настоящее время в России внедрено более 8000 аппаратов ТРАНСАИР различных моделей. За разработку и внедрение метода и аппаратуры транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга коллективу авторов присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники за 2004 г.

В табл. 2 приведены общие данные об эффективности применения аппаратов ТРАНСАИР в клинической практике для различных заболеваний. Из таблицы следует, что хороший и удовлетворительный эффекты получены в целом в 84 % случаев, что показывает весьма высокую эффективность применения разработанной аппаратуры.

Перспективы разработки новых моделей аппаратов ТРАНСАИР

Дальнейшее развитие модельного ряда аппаратов возможно по двум направлениям. Это универсализация функций аппарата, включая синхрон-

Таблица 2 1 Эффективность применения аппаратов ТРАНСАИР

Заболевание Число наблюдений Эффективность лечения

хорошая % удовлетворительная % без эффекта %

Невралгия 3530 2372 67 654 19 504 14

Воспаление тройничного нерва, остеохон- 1860 1140 61 444 24 276 15

дроз, синдром Хортона

Вегетососудистая дистония 1560 1280 82 200 13 80 5

Гипертоническая болезнь I, II степеней 1300 876 67 175 13 249 19

Алкоголизм 1120 459 41 340 30 321 29

Стрессовые состояния, депрессии 710 368 52 230 32 112 16

Зудящие дерматозы 600 326 54 113 19 161 27

Хронический дуоденит 570 389 68 46 8 135 24

Неврозы 562 349 62 97 17 116 21

Вазомоторный ринит 440 340 77 62 14 38 9

Болезни суставов 318 157 49 88 28 73 23

Головная боль, мигрень 260 160 62 68 26 32 12

Люмбалгия 140 91 65 44 31 5 4

Последствия энцефалитов 110 70 64 30 27 10 9

Симпаталгии 85 54 64 14 16 17 20

Последствия закрытых черепно-мозговых 22 18 82 4 18 0 0

травм

Хронический панкреатит 4 4 100 0 0 0 0

Итого 13 191 8453 64 2609 20 2129 16

Примечание. Данные приведены в порядке возрастания количества наблюдений.

ное с ТЭС воспроизведение музыкально-речевых суггестивных воздействий, и, напротив, их узкая специализация, когда совместно с ТЭС используются дополнительные каналы воздействия, специфически направленные на лечение узкого круга заболеваний либо даже одного заболевания.

В качестве примера развития аппаратов ТРАНСАИР в первом направлении были проработаны самые общие медико-технические требования к аппарату ТРАНСАИР-06, приведенные ниже.

Основная задача разработки — создать медицинский аппарат, который мог бы работать как в условиях медицинского учреждения, так и в полевых, включая условия, в которых работают службы МЧС, поскольку ТЭС-терапия хорошо зарекомендовала себя в экстремальных ситуациях (Буденновск, Видяево, «Норд-Ост» и т. п. [8]). Для максимального удобства пользования и минимизации времени, требуемого для работы с ним, аппарат должен иметь возможность проведения процедур в автоматическом режиме, а также дистанционное управление. Возможная блок-схема аппарата приведена на рис. 10.

В этом аппарате необходимо реализовать сочетание воздействия ТЭС и музыкально-речевых суг-

гестивных воздействий. Сеансы психотерапии должны быть записаны на внутреннем носителе и воспроизводиться синхронно с ТЭС через внешние ак-

15

16

13

И

14

5 7 9

6 8 10

11

17 18

19 20 12

Рис. 10

Блок-схема аппарата ТРАНСАИР-06:

1 — кнопки управления; 2 — генератор импульсов; 3 — сумматор; 4 — источник 'постоянного 'тока; 5 — 'преобразователь напряжение—'ток; 6 — 'таймер 'процедуры; 7 — усилитель мощности; 8 — индикатор время—частота; 9 — индикатор импульсного 'тока; 10 — блок защиты; 11 — электроды стимуляции; 12 — блок питания; 13 — звуковой модуль; 14 — громкоговоритель; 15 — модулятор частотной модуляции; 16 — индикатор 'постоянного 'тока; 17 — носитель музыкально-речевых суггестивных воздействий; 18 — индикатор номера сеанса музыкально-речевых суггестивных воздействий; 19 — зарядное устройство; 20 — аккумуляторная батарея

Рис. 11 Блок-схема аппарата ТРАНСАИР-07:

1 — кнопки управления; 2 — генератор импульсов ТЭС; 3 — преобразователь напряжение—ток; 4 — таймер процедуры; 5 — усилитель мощности; 6 — индикатор таймера; 7 — индикатор тока; 8 — блок защиты; 9 — электроды стимуляции; 10 — блок питания; 11 — генератор тональных частот; 12, 13 — индикаторы аудиограммы; 14, 15 — усилители мощности; 16 — внутриушные телефоны

тивные стереоколонки. Для запуска сеанса персоналу необходимо только выбрать тип процедуры и нозологию. Дальнейшие действия должны проводиться в автоматическом режиме. В то же время должно быть предусмотрено, что в ход процедуры в любой момент можно вмешаться для коррекции как с помощью пульта дистанционного управления, так и с помощью клавиатуры аппарата.

Представителем второго направления развития модельного ряда можно считать аппарат для реализации способа лечения нейросенсорной тугоухости [9], в котором в качестве канала дополнительного воздействия используется акустическая стимуляция органа слуха, проводимая на фоне ТЭС. Общие медико-технические требования на аппарат приведены ниже.

Аппарат ТРАНСАИР-07 должен представлять собой стационарную модель, совмещающую в себе функции аппарата ТЭС-терапии, возможности аудиографа и акустического стимулятора. Блок-схема аппарата приведена на рис. 11.

Разработанный модельный ряд аппаратов подтвердил правильность принципов его создания и получил широкое распространение в клинической практике.

Заключение

1. На основе результатов проведенных исследований предложен новый способ транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга (патент РФ № 2159639) и сформулированы требования к техническому звену БТС (проект ТУ на аппараты ТРАНСАИР).

Аппараты ТРАНСАИР, созданные на основе выше указанного патента, удостоены премии Правительства РФ в области науки и техники за 2004 г.

2. Критериями построения БТС резонансного типа являются:

• достижение высокой избирательности воздействий на определенные структуры биологического звена;

• минимизация интенсивности управляющих воздействий на биологическое звено при сохранении либо увеличении целевого эффекта в БТС.

3. В БТС резонансного типа принципы адекватности и единства информационной среды обеспечиваются работой технического звена на частоте резонанса целевой структуры в биологическом звене.

| Л и т е р а т у р а |

1. Малыгин А. В. Биотехническая система транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга: автореф. дис. ...канд. техн. наук. СПб., 2005. 18 с.

2. Лебедев В. П. Материалы научного открытия № 23 7 «Явление селективности транскраниального электроимпульсного воздействия на защитную систему мозга». Приоритет от 1996 г. М., 2003.

3. Пат. 2159639 Российская Федерация. Способ транскраниальной электростимуляции эндорфинных механизмов мозга и устройство для его осуществления/В. П. Л е б е д е в, А. В. М а л ы г и н. Приоритет от 27.11.1999 г.

4. Биотехнические системы. Теория и проектирование: Учеб. пособие / Под ред. В. М. А х у т и н а. Л.: ЛГУ, 1981. 220 с.

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

6. Щербак А. Е. Основные труды по физиотерапии. Севастополь, 1936. 750 с.

7. Свидетельство РФ № 16826 на полезную модель «Устройство транскраниальной электростимуля-ции»/В. П. Л е б е д е в, А. В. М а л ы г и н. Приоритет от 1.11.2000 г.

8. Применение транскраниальной электростимуляции эндорфинных структур мозга для предотвращения психосоматических последствий чрезвычайных ситуаций/^. П. Лебедев, А. В. Малыгин,

A. В. Ковалевский и др. Материалы между-нар. конф. «Медико-биологические последствия чрезвычайных ситуаций». СПб., 2001. С. 47.

9. Пат. 2214842 Российская Федерация «Способ лечения нейросенсорной тугоухости и устройство для его осуществления»/Е. М. Цирульников,

B. П. Л е б е д е в, А. В. М а л ы г и н, В. С. И г н а-т о в. Приоритет от 27.10.2002 г.