Создание устройства для проведения медицинских исследований по разработке новых методик сочетанной внутриполостной физиотерапии

Актуальность проблемы. В настоящее время в медицинской практике
применяют различные физические поля при лечении самых разнообразных
заболеваний, причем показания к их применению постоянно расширяются.
Физиотерапию успешно применяют как в качестве дополнения, так и
альтернативы лекарственным средствам. Между тем основной недостаток
лекарственных средств заключается в том, что они наряду с полезными
целебными свойствами могут вызывать нежелательные или побочные эффекты,
многие из которых небезопасны для жизни больных. Характерно, что частота и
степень выраженности побочных эффектов непрерывно возрастают по мере
увеличения арсенала лекарственных средств. По данным отечественных и
зарубежных исследователей, у 18-30% больных, принимающих лекарства,
отмечены различные проявления побочного действия. Частота побочных реакций,
например, противомикробной терапии колеблется от 10 до 50%, около 20%
пациентов нуждаются в госпитализации для устранения осложнений, вызванных
приемом лекарственных средств, а у 0,3% пациентов, принимающих антибиотики,
возникает угроза для жизни [1].
Во многих случаях, особенно в начальных стадиях болезни, снизить
фармакологическую нагрузку можно при использовании лечебных физических
факторов. Это обусловлено особенностями и преимуществами, которыми
обладает физиотерапия по сравнению с другими лечебными средствами, в том
числе и лекарствами. Они имеют важные особенности и значимые достоинства,
указывающие на целесообразность их более широкого использования в лечении и
реабилитации больных.
Широкое распространение физиотерапии на практике сопровождается
созданием большого числа различных физиотерапевтических технических
средств и методов их применения. Подходы к разработке аппаратов и систем для
физиотерапии, методики разработки отдельных узлов физиотерапевтической
аппаратуры, а также теоретические основы и рекомендации по практическому
применению различных физических факторов приведены в работах Ю.М.
Райгородского, С.Д. Плетнева, А.М. Беркутова, Г.Р. Соловьевой, В.И. Жулева и
др. [2 – 10]. Кроме того известны многочисленные исследования в этой области
зарубежных коллег [11 – 14].
Спектр применения физиотерапевтических методов достаточно велик.
Однако в данной работе затронута достаточно узкая область применения
физиотерапии – внутриполостное воздействие. Такой метод широко применяется
в гинекологии, урологии и проктологии. Распространенность урологических
заболеваний составляет около 12% от всего населения РФ [15]. Актуальность
вопроса эффективного лечения урологических и гинекологических заболеваний
не вызывает сомнений, т.к. данная область медицинской помощи напрямую
влияет на репродуктивную функцию. Распространенность, например,
хронического простатита в общей популяции составляет 5–8%. Это самое часто
встречающееся урологическое заболевание у мужчин до 50 лет и третье по
частоте – у лиц старше 50 лет. По данным отечественных и зарубежных авторов,
хроническим простатитом страдают от 20 до 35% мужчин в возрасте от 20 до 40
лет [16]
В XXI в. в физиотерапии получили развитие сложные технологии,
основанные на широком использовании компьютерных методов и разнообразных
сочетаний физических факторов. В [17] сформулированы принципы оптимальной
физиотерапии, одним из которых является сочетанность воздействия,
вызывающая особый интерес ученых и практикующих врачей и приводящая к
синергизму смешанных полевых воздействий. В настоящее время внимание
многих ученых и врачей направлено на использование смешанных физических
полей и создание многофункциональных физиотерапевтических приборов с
пространственным и временным совмещением воздействующих факторов [18]. В
медицинской практике реализация смешанных физических полей возможна в
двух вариантах: с помощью использования нескольких устройств, расположенных
определенным образом относительно болевого очага; с помощью единого
комплексного устройства.
Второй вариант реализации смешанных физических полей имеет
преимущества не только для медицинского работника, но и для пациента. Этот
вариант реализуется в различных сочетаниях воздействующих факторов,
используется во многих областях медицины (при внутриполостном воздействии в
настоящее время осуществляется временное совмещение 3-4 физических
факторов), позволяет повысить терапевтическую эффективность лечебных
процедур и уменьшить продолжительность лечения [17]. Однако сочетанное
(совмещенное в пространстве и во времени) воздействие физических факторов
особенно при внутриполостном применении накладывает на конструкцию
устройства довольно жесткие требования, так как узлы, обеспечивающие
воздействия должны помещаться в малый по габаритам корпус, обеспечивая
пространственное и временное совмещение воздействующих факторов.
В последние десятилетия достижения физиотерапии базировались в
основном на исследовании результатов действия физических факторов на
организм человека [2, 3, 5, 9 – 14, 17], в частности – в различных вариациях
параметров воздействия, например, длин волн лазерного излучения или частот
электрического поля. На данный момент данная область научного знания
практически исчерпала свои исследовательские возможности, однако сочетанные
методы воздействия открывают широкий диапазон возможностей для
продолжения исследований. Поэтому автор считает, что разработка новых
методик внутриполостного физиотерапевтического лечения с пространственным
и временным совмещением различных воздействующих факторов (сочетанного
воздействия) и устройств, обеспечивающих реализацию этих методов, является
актуальной задачей медицинской техники.
Цель диссертационной работы. Разработка многофункционального
устройства для проведения медицинских исследований по разработке новых
методик сочетанной внутриполостной физиотерапии с пространственным и
временным совмещением 5 воздействующих факторов (магнитного и
электрического полей, ультразвука, лазерного и теплового излучений).
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. Анализ состояния уровня развития физиотерапевтической техники и
методов для внутриполостного воздействия, выбор и обоснование физических
терапевтических факторов и их параметров для пространственного и временного
совмещения. Выбор принципов построения устройства с пространственным и
временным совмещением воздействующих факторов. Выработка требований к
устройству на основании данных ведущих российских и зарубежных научных
изданий, в том числе входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ и
рекомендаций практикующих урологов.
2. Моделирование и экспериментальные исследования распределения
физических полей в биологической модели. Разработка технического задания,
блок-схемы и реализация лабораторного макета устройства для внутриполостного
воздействия с пространственным и временным совмещением воздействующих
факторов.
3. Исследование лабораторного макета устройства на соответствие требуемым
параметрам.
4. Исследование распределения физических полей в биологической модели и
фантоме предстательной железы при трансректальном воздействии с помощью
разработанного многофункционального устройства. Сравнение полученных
результатов с выработанными требованиями.
Связь с государственными программами. Работа поддержана фондом
содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере,
получен грант за победу в конкурсе «УМНИК».
Методы исследований. Результаты исследований, включенные в
диссертацию, базируются на математическом аппарате теории электромагнитного
поля, методах численного анализа и моделирования, а также на проведенных
экспериментах.
Научная новизна.
1. Предложена оригинальная конструкция зонда для внутриполостного
воздействия, обеспечивающая пространственное и временное совмещение пяти
воздействующих факторов: магнитного и электрического полей, ультразвука,
лазерного и теплового излучений.
2. Результаты математического моделирования распределений
магнитного поля и ультразвуковых колебаний, генерируемых разработанным
зондом, подтвердившие, что параметры физических полей на поверхности
рабочего зонда соответствуют выбранным.
3. Результаты экспериментальных исследований распределения
физических полей со следующими значениями соответствующих параметров
(магнитное поле: магнитная индукция – 1 мТл, частота – 50 Гц; электрическое
поле: амплитуда – 12 В, частота импульсов в пачке – 2 кГц длительность пачки
импульсов 8 мс, частота следования пачек – 50 Гц; ультразвуковые колебания:
интенсивность – 0,16 мВт/см2, частота – 1 МГц; лазерное излучение: λ – 0,63 мкм,
мощность – 2 мВт; тепловое воздействие: Т – 40 ˚С) в биологической модели
предстательной железы (мышцы крупного рогатого скота) и в фантоме (основа –
желатиновый раствор) при трансректальном воздействии разработанным
устройством. Показано, что все воздействующие факторы совмещены во времени
и в пространстве и обеспечивают необходимые значения параметров для
трансректального воздействия на предстательную железу.
Достоверность научных результатов подтверждается физическим и
математическим моделированием, а также сравнительным анализом результатов
моделирования с результатами экспериментальных исследований. Кроме того,
исходные данные для научных исследований были получены из ведущих
российских и зарубежных научных изданий, в том числе входящих в перечень,
рекомендованный ВАК РФ, а также из рекомендаций практикующих урологов
России.
Практическая ценность.
Разработанное устройство для внутриполостного воздействия,
обеспечивающее пространственное и временное совмещение пяти физических
факторов с широким диапазоном варьируемых параметров: магнитного и
электрического полей, ультразвука, лазерного и теплового излучений, может
использоваться для проведения медицинских исследований лечения
урологических, гинекологических и проктологических заболеваний (воздействуя
всеми факторами по-отдельности, так и в сочетании). Устройство позволит
разработать методики, как для лечения, так и для профилактики в медицинских
лечебно-профилактических учреждениях.
Реализация и внедрение результатов работы.
1. Результаты полученных в диссертации теоретических, прикладных и
экспериментальных исследований используются в учебном процессе
Новосибирского государственного технического университета при подготовке
выпускных квалификационных работ бакалавров и в магистерских
диссертационных работах по направлениям 11.03.04, 11.04.04 – «Электроника и
наноэлектроника». Отдельные разделы работы нашли применение в курсах:
a) «Измерительные преобразователи в медицине» и «Ультразвук в
медицине», читаемых для бакалавров кафедры электронных приборов РЭФ
направления подготовки 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника».
b) «Новые электронные приборы для традиционной медицины»,
читаемом для магистрантов кафедры электронных приборов РЭФ направления
подготовки 11.04.04 – «Электроника и наноэлектроника».
c) «Ультразвук в медицине», «Теория биотехнических систем»,
«Технические методы и средства диагностики и лечения», «Биомедицинская
измерительная техника», «Электронные приборы для традиционной медицины»,
читаемых для аспирантов направления подготовки 12.06.01 – «Фотоника,
приборостроение, оптические и биохимические системы и технологии»
Акт внедрения прилагается в приложении А.
По соответствующим дисциплинам были подготовлены рабочие программы
и учебно-методические материалы с участием автора данной работы Педоновой
З.Н.
2. Метод сочетанного внутриполостного воздействия с
пространственным и временным совмещением пяти воздействующих факторов
внедрен в преподавательскую и научную работу кафедры урологии
Новосибирского государственного медицинского университета и используется в
процессе обучения студентов, интернов, ординаторов, курсантов циклов
первичной специализации и усовершенствования по специальности «Урология», а
также в научных исследованиях и консультативной деятельности сотрудников
кафедры. Акт внедрения прилагается в приложении А.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты исследования распределения физических полей в
биологической модели при воздействии выбранными факторами, на основании
которых выработаны требования к устройству с пространственным и временным
совмещением воздействующих факторов.
2. Оригинальная конструкция зонда для внутриполостного воздействия,
обеспечивающая пять физических факторов: магнитное и электрическое поля,
ультразвук, лазерное и тепловое излучения, с пространственным и временным
совмещением. Оригинальность конструкции подвержена патентом на изобретение
РФ.
3. Результаты экспериментальных исследований разработанного
устройства на примере биологической модели предстательной железы и на
примере фантома, выполненного на основе желатинового раствора,
подтвердившие пространственное и временное совмещение воздействующих
факторов и показавшие, что устройство обеспечивает необходимый уровень
параметров для трансректального воздействия на предстательную железу.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на
следующих международных, всероссийских и региональных конференциях:
 международная научно-практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск,
2011);
 международная конференция «Актуальные проблемы электронного
приборостроения» (Новосибирск, 2010, 2016);
 всероссийская научная конференция молодых учѐных «Наука,
технологии, инновации» (Новосибирск, 2010, 2011, 2012, 2016);
 российская научно-техническая конференция «Современные
проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2016);
 региональная научно-практическая конференция учѐных,
преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи,
посвященная Дню радио «Наука, образование, бизнес» (Омск, 2010).
Автором была получена поддержка фонда содействия развитию малых форм
предприятий в научно-технической сфере, грант за победу в конкурсе «УМНИК»,
Новосибирск, 2011 – 2013 гг.
Личный вклад заключается в формулировке задач исследования, анализе
литературных источников по теме, непосредственном участии в
экспериментальных исследованиях, подготовке заявок на получение патентов,
разработке и реализации рабочего зонда, разработке технического задания и
функциональной схемы электронного блока устройства, в формулировке выводов
и положений, выносимых на защиту.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ.
Из них 4 статьи в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, 3
статьи индексируемые в базе научного цитирования Scopus и Web of science и 14
докладов в сборниках докладов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем
работы – 140 страниц, включая 124 страницы основного текста, 33 рисунка и 7
таблиц. В список литературных источников включено 111 наименований.