информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 1 гость.

Вход в систему

аватар: Федоров Антон Константинович

ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ МОДЕЛИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ВОЗДЕЙСТВИЯ В ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМОЙ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ
 
В 1962 году Франком при помощи интерференционного оптического метода было выявлено отсутствие стабильности клеточных структур и их непрерывное изменение. Ритмика субмикроскопической подвижности, как показали исследования, совпадает с ритмикой окислительных процессов и совпадает с ритмикой митохондрий. Уменьшение агрегации митохондрий и ретикулума сопровождается возрастанием энергетики клетки, увеличение - падением энергетики клетки.

Согласно современным представлениям гомеостатическая мощность клетки и направленность ее реакций опосредуется и определяется системой вторичных  внутриклеточных посредников - кальций - кальцийсвязывающие белки - циклические нуклеотиды. Знак и величина этих реакций определяется кальций-энергетическим   сопряжением внутриклеточных колебательных процессов.

Изменение размеров агрегатов митохондрий и ретикулюма сопровождается золь-гель переходами (золь-гель структуры в живой клетке).

Упрощенная модель состоит из биохимической, гемодинамической, моторной и нейрогуморальной составляющих.

Биохимическая оставляющая включает процесс синтеза РНК с периодом 300 с и элонгации пептидной цепи за счет присоединения аминокислот при синтезе белка на рибосомах с частотой 8-13 Гц. Каждые 2-3 периода колебаний (0,3 с) наступает самосинхронизация рибосом и отдельных участков клетки.

Энергетическое обеспечение элонгации осуществляет гемодинамическая составляющая за счет увеличения микроциркуляции, цикличность которой связана с ритмом "мышечного тремора", выполняющего функцию "периферических  сердец".

Следовательно, периодика первой составляющей совпадает со спектром частот микроциркуляции и тремора мышц в диапазоне 8-13 Гц.

Нейрогуморальная составляющая зависит от работы центра терморегуляции и обеспечивает ритмические перераспределения кровотока и тонуса мышц с частотой около 0,003 Гц (период около 5 минут).

Питательные вещества, необходимые для синтеза белка, приносятся вместе с кровью, периодичность выброса которой составляет приблизительно 1 Гц. Дополнительно к этому объем кровотока модулируется дыхательным циклом частотой  0,20 Гц.

Таким образом, в упрощенной модели управления анаболизмом клетки можно выделить следующие контуры управления: биохимический, пульсовой, дыхательный и нейрогуморальный (0,1с + 1,0с + 5,0с + 300с).

Данное исследование выполнено в соответствии с планами проблемной комиссии по хронобиологии и хрономедицине РАМН, а также с научным направлением кафедры в рамках специальности 05.13.01: «Разработка универсальных методологических приемов хронодиагностики и биоуправления на основе биоциклических моделей и алгоритмов с использованием параметров биологической обратной связи», и целевой программой «Здоровье» по профилактике и лечению заболеваний и развитию материально-технической базы здравоохранения Белгородской области.

Основной целью являлась оптимизация лечения тканей пародонта при помощи ультразвука с разработкой аппаратного программно-управляемого модуля, работающего с использованием биологической обратной связи.

Декомпозиция цели и подцелей исследования обусловила формулирование функций в виде следующих задач:

- разработка общей структуры программно-биоуправляемого модуля, работающего, на современной элементной базе;
- разработка алгоритма управления с использованием структуры биологического таймера.

Биотехническая система программно-биоуправляемой ультразвуковой системы включает микроконтроллер, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователь полярности сигналов и головку излучателя ультразвука.

Биотехническая система снабжена приемниками и датчиками пульса и дыхания и имеет жидкокристаллический дисплей с разрешением 128x64 точки, на котором индицируются численные значения параметров устройства, а также формы сигналов.

Прграммно-биоуправляемый модуль генерации ультразвуковых сигналов посредством зашитой в ПЗУ микроконтроллера специальной программы обеспечивает возможность цикличного функционирования с интервалом цикла в 360 ударов пульса. Продолжительность воздействия 300 ударов пульса и пауза 60 ударов пульса. Количество повторов циклов задается в зависимости от длительности процедуры: 1-6 повторов (5-30 биологических минут). При этом подсчет заданного количества ударов пульса осуществляется в переменной, которая предварительно обнуляется. Подобная длительность цикла функционирования обусловлена периодичностью синтеза информационной РНК, необходимой для обеспечения элонгации аминокислот на рибосомах.

В соответствии с классификацией заболеваний слизистой десен, был сделан вывод о необходимости реализации трех режимов воздействия: при отеке сосудов пародонта, при ослаблении микроциркуляции в артериальной части капиллярного русла и при отсутствии видимых нарушений. Если ввести понятиекоэффициента заполнения импульса (КЗ), отражающего процент времени предъявления ультразвукового импульса от периода КЗ= (tузи/t) *100, где t узи - время предъявления импульса ультразвука, Т - период импульса, то в зависимости от режима воздействия необходимо реализовать следующие алгоритмы:
- в случае отека сосудов пародонта необходимо снижать коэффициент заполнения в течение вдоха и увеличивать в течение выдоха;
- в случае ослабления микроциркуляции в артериальной части капиллярного русла необходимо увеличивать коэффициент заполнения в течение вдоха и снижать - в течении выдоха синхронно с ударами пульса;
- при отсутствии видимых  нарушений, коэффициент заполнения  импульсов должен соответствовать приблизительно 33%. Длительность импульсов ультразвука при вдохе и выдохе определяется из следующих соотношений:
,

где R - режим воздействия; Т - период воздействующих импульсов; n - номер удара пульса в дыхательном цикле; P - приращения к длительности импульса, зависящие от периода воздействия (Т) и количества ударов пульса, приходящихся на фазу дыхательного цикла (N).

Выводы:

  1. Разработана общая структура программно-биоуправляемого модуля, работающего, на современной элементной базе и отличающаяся наличием датчиков пульса и дыхания.
  2. Разработаны алгоритмы управления биотехнической системы с использованием структуры биологического таймера, отличающиеся тем, что в нем функцию биологической секунды выполняет межпульсовой интервал пациента.
  3. Решены вопросы оптимизации лечения тканей пародонта за счет включения в управление биологической обратной связи, позволяющей усиливать воздействие ультразвуком только в момент пульсового удара и вдоха пациента.
  4. Сформирован алгоритм реализации трех режимов воздействия, включающий его реализацию при отеке сосудов пародонта, при ослаблении микроциркуляции в артериальной части капиллярного русла и при отсутствии видимых нарушений и отличающийся изменением скважности ультразвуковых сигналов.

 

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

8 + 7 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии