ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БТС (Всякое), страница 2

диагностика состояния пациента в реальном масштабе времени;

управление временными и информационными параметрами лечебного воздействия;

коррекция временных и информационных параметров лечебного воздействия в реальном масштабе времени в зависимости от состояния пациента.

Биоадекватность: лечение с использованием электрических полей 27,12 МГц позволяют достичь необходимой глубины проникновения для получения оптимального терапевтического эффекта и характера поглощения энергии электрического поля в тканях тела пациента.

10.4. Основной принцип проектирования БТС разных классов – минимум вредных воздействий на биологический объект.

На стадии разработки БТС при формулировке целевой функции обязательно должны учитываться следующие критерии:

1. Обеспечение минимально вредного воздействия технического устройства на биологический объект.

2. Доступность ресурсов (например, комплектующие для электроники), требующихся для разработки и производства БТС.

3. Экономический критерий - минимизация стоимости БТС.

Требование минимума вредных воздействий на биологический объект представляет собой один из самых важных критериев разработки БТС. Критерии 2 и 3 непосредственно связаны с потенциальной конкурентоспособностью разрабатываемых образцов медицинской техники.

Воздействия на биологический объект могут иметь как физическую (электромагнитное поле различных длин волн, ультразвук, корпускулярные потоки), так и химическую природу(введение химических веществ, лекарственные пробы). Так, например, в диагностическом устройстве (Рис.10.2) для зондирования БО могут применяться следующие виды воздействий:

1. рентгеновское излучение, подкласс Т₁₁ – физический метод;

2. электромагнитное излучение, подклассТ₁₁– физический метод;

3. ультразвуковое воздействие, подклассТ₁₁– физический метод;

4. лекарственные пробы, подклассТ₁₂– химический метод.

Воздействия на БО применяются во всех классах БТС (Рис. 10.1). Важным обстоятельством является различие в уровне воздействия для различных классов БТС. Энергетический уровень внешнего воздействия определяется с одной стороны, целевой задачей данного класса БТС, а с другой – требованием минимума вредности для биологического объекта.

Например, в диагностических системах воздействие необходимо оптимизировать в соответствии со следующим критерием. Воздействие с максимальной для данного типа устройства энергией не должно превышать уровень вредного влияния на пациента. При этом воздействие с минимальной энергией должно обеспечивать заданную точность диагностического измерения.

При переходе от диагностических БТС к классу терапевтических БТС уровень энергии воздействия на биообъект возрастает. А в хирургических системах, где затрагивается внутренняя структура органов, интенсивность воздействия должна быть ещё выше.

Кроме того, время воздействия в хирургических БТС должно быть небольшим. Кроме того, размеры области локализации хирургического воздействия должны быть строго ограничены.

Суммируя приведённые примеры, можно заключить, что при последовательном переходе от одного класса БТС к другому классу Т₁, Т₂,…, интенсивность воздействия на БО повышается. Для количественной оценки интенсивности воздействия технического устройства на биологический объект используется количественная мера доза – одно из наиболее важных понятий в теории БТС.

1. Понятие дозы. Классификация видов воздействия на биологический объект.

Д оза – характеристика воздействия на биологический объект, измеряемая интенсивностью воздействия, умноженной на время воздействия.

Пусть интенсивность воздействия I является заданной функцией времени:

I=I(t) (10.1)

Элемент дозы определяется следующим образом:

dD=Idt (10.2)

Суммарная доза будет определяться интегралом по времени воздействия t:

(10.3)

При постоянной интенсивности воздействия I=const доза будет равна произведению интенсивности на время воздействия:

D=It (14.4)

Типы воздействия на биологический объект классифицируют следующим образом:

1. интегральное воздействие – оказывает существенное влияние на весь организм в целом;

2. дифференцированное (местное) воздействие – оказывает влияние на отдельный орган.

П ри изучении воздействия на организм и его органы важную роль играют понятия орган-мишень и критический орган.

Орган-мишень – это орган, непосредственно воспринимающий внешнее воздействие.

Это понятие было сформулировано выдающимся немецким биохимиком Паулем Эрлихом в начале ХХ века.

К сожалению, на практике редко удаётся воздействовать на единственный орган. Широко применяемые терапевтические методы часто оказывают интегральное воздействие.

Мишенями становятся даже такие органы, которые не требуют терапевтического воздействия. Примером такой ситуации являются нежелательные побочные действия лекарственных средств.

К ритический орган (ткань) – наиболее чувствительный орган, который при воздействии на организм повреждается в первую очередь.

1. Зависимость доза-эффект.

З ависимостью доза-эффект называется наблюдаемое приращение вектора состояния биологического объекта при заданной дозе воздействия.

Вектор состояния организма человека содержит очень большое число компонент. При решении задач анализа и синтеза БТС проводится минимизация числа компонент (уменьшение размерности) вектора состояния.

Рис. 10.5.

Затем проводится серия измерений по схеме «воздействие-ответ». В ходе такого эксперимента постепенно повышается уровень внешнего воздействия на живую систему. Одновременно регистрируются изменения вектора состояния. По полученным данным строится функция «доза-эффект». Допустимую при воздействии дозу и, соответственно биологический эффект должен оценивать врач.

На рис. 10.5 показан пример зависимости «доза-эффект» для воздействия химического агента (ХА) на биологический объект.

Рис. 10.6.

Например, при исследовании влияния ХА на популяцию лабораторных животных, зависимости «доза-эффект» определяются следующим образом.

Берётся группа, содержащая N особей. Особи представительной статистики воздействие повторяется k раз. Подсчитывается количество особей ΔN_i, для которых был зарегистрирован ответ на воздействие химических агентов (табл.10.2), а затем определяется процент особей, для которых был зафиксирован ответ на воздействие:

Таблица 10.2. Определение зависимости «доза-эффект».

По данным табл. 10.2 строится зависимость P(D). Типичный вид зависимости «доза-эффект» показан на рис. 10.6.

Рис. 10.7.

Доза, оказавшая воздействие на половину группы, называется полуэффективной дозой D_1/2. Аналогичные графики могут быть построены также при определении летальности воздействия химических агентов на популяцию лабораторных животных. В этом случае величину D_1/2 принято называть полулетальной дозой.

В качестве примера на Рис. 10.8 показана функция воздействия, полученная с использованием рассмотренной ранее экотоксикологической модели. Эффект воздействия Е определяется по отклонению численности популяции от стационарного значения, соответствующего нулевым концентрациям химических агентов:

Е(х₁, х₂) = 1-z_st(х₁, х₂),

где х₁, х₂ – концентрации химических агентов, нормированные на пороговые значения, соответствующие полному подавлению роста популяции при нулевой концентрации соответствующей добавки; z_st – стационарная численность популяции, нормированная на численность при отсутствии добавок (х_i=0).

Теоретические результаты сравниваются с данными эксперимента по кинетике роста культуры Saccharomyces cerevisiae в среде с добавками цинка и меди.

Рис. 10.8.

Определение функции доза воздействия – эффект в рассмотренном выше примере ФТС сводится к расчету разогрева тканей в результате выделения джоулевого тепла

Q=U²Rt,

где U – эффективное напряжение воздействующего электрического поля, t – время воздействия.

По известной средней теплоемкости с тканей можно рассчитать повышение температуры части тела, подвергаемой воздействию

ΔT = Q/c.

Если в качестве эффекта рассматривать повышение температуры части тела, подвергаемой воздействию, а в качестве дозы выделившееся тепло, то данная зависимость позволяет рассчитать функцию доза-эффект.

При частоте f =27,12 МГц импеданс руки (Табл. 10.1) меняется в пределах 5 -10 КОм, то есть реактивная составляющая мала по сравнению с активной.

Следует иметь в виду, что помимо теплового воздействия СВЧ-поле оказывает существенное влияние на нервные клетки. Однако механизм этого влияния изучен недостаточно и адекватные модели такого влияния не разработаны.

Подписи под рис раздел 10.

Рис. 10.1. Классификация БТС.

Рис. 10.1а. Официальный (министерский) общероссийский классификатор медицинской техники.

Рис. 10. 2. Схема взаимодействия биообъект (В)↔техническое устройство (Т). Структура технического устройства: Z – зондирующее устройство; D – датчик-сенсор; P – регистрирующий прибор-преобразователь; – вектор наблюдаемых свойств биообъекта; x(t) – сигнал с датчика-сенсора; – вектор измеряемых свойств биообъекта; М – регистрирующее устройство (монитор).

Рис. 10.3. Физиотерапевтическая система (ФТС) для проведении УВЧ-терапии электрическим полем 27,12 МГц.

Рис. 10.4. Моделирование физиотерапевтической системы для проведении УВЧ-терапии электрическим полем 27,12 МГц. а. Взаимодействие В↔Т (конечность ↔ УВЧ-поле). б. RC-контур – физическая модель взаимодействия.

Рис. 10.5. Пример зависимости «доза-эффект» при воздействии необходимого химического агента (ХА) на биологический объект. Е – эффект воздействия ХА на БО; С(х) – доза ХА.