Метод та система динамічного ультрафіолетового випромінювання для фізіотерапії

Abstract

АНОТАЦІЯ Кузь В.І. Метод та система динамічного ультрафіолетового випромінювання для фізіотерапії. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 „Біологічні та медичні прилади і системи”. – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, МОН України, Тернопіль. - Вінницький національний технічний університет, МОН України, Вінниця, 2019. У дисертаційній роботі викладені результати дослідження щодо розробки методу та системи динамічного ультрафіолетового випромінювання для фізіотерапії. Сучасна терапія шкірних захворювань включає інструментальні методи, які дозволяють безконтактно діяти на уражені (змінені) ділянки шкіри пацієнтів. Серед пріоритетних напрямків розвитку наукових досліджень і науково-технічних розробок в Україні на період до 2020 року (Закон України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки») важливе місце займають науки про життя, нові технології профілактики та лікування найпоширеніших захворювань, зокрема дослідження проблеми впливу на людський організм випромінювання різних частотних діапазонів. Для фізіотерапії дерматозів (псоріаз, контактний і атопочіний дерматити, екземи, лишаї, акне й інших) застосовують методи лікування ураженої ділянки ультрафіолетовим опроміненням (УФО), зокрема селективну (поєднання UVA та UVB), вузькохвилеву (UVB або UVA-1) та фотохіміотерапію (PUVA). Джерелами випромінювання великої кількості поширених в Україні засобів УФО є ртутні газорозрядні лампи низького тиску. Такі засоби впливу мають низку недоліків: небезпека і складність експлуатації, невеликий термін служби випромінювача, габарити, токсичність при утилізації ртутних ламп. Ефективність лікування також обмежується неможливістю дотримання ряду сучасних вимог для таких систем: стабільність випромінювання, керованість характеристиками випромінювача (направленість і структурованість світлового потоку, експозиція, модуляція характеристик) і синхронізація з функціями індивідуального організму. Лампові прилади УФО не здатні здійснювати адаптивну просторово-енергетичну корекцію параметрів світлового потоку в процесі лікування. Отже, відомі системи опромінення не забезпечують автоматизованого керування параметрами світловим потоком УФ-опромінення із можливістю змін під час лікування. Разом з тим, саме адаптація засобів УФО до індивідуальних особливостей пацієнтів дозволить підвищити прогнозовану ефективність лікування і комфортність відповідної процедури фізіотерапії. Гостро постає проблема побудови єдиної системи, яка би поєднувала процедуру УФ фізіотерапії з контролем та корекцією параметрів впливу під час проведення локального випромінювання хворої ділянки випромінювання. Тому тема даної дисертаційної роботи, що спрямована на розширення функціональних можливостей пристроїв фізіотерапії шляхом розробки методу та системи динамічного ультрафіолетового випромінювання, є актуальною науково-практичною задачею. Дослідження базуються на комплексному використанні методів теорії переносу УФО, оптики, світлорозсіювання та взаємодії електромагнітного випромінювання з біооб'єктом для розробки методу автоматизованого динамічного опромінення та побудови функціональної схеми; припущення та результати теорій; комп'ютерне моделювання - для визначення параметрів математичної моделі; методи біофізики та математичного аналізу - для дослідження густини розподілу потоку, потужності джерела випромінювання; теорія біотехнічних систем, інформаційно-структурне моделювання - для побудови моделі функціонування та розроблення структурної та функціональної схем оптико-електронних пристроїв та системи контролю дози опромінення. Отримані результати мають важливе наукове і практичне значення при визначенні терапевтичних УФ доз впливу в локальній та загальній фізіотерапії. Отримано такі основні наукові результати: - Набуло подальшого розвитку моделювання динамічного ультрафіолетового опромінення шляхом врахування локальності впливу, селективності довжини хвилі на відміну від статичного інтегрального опромінення, що дало змогу забезпечити якість УФО хворої ділянки шкіри. - Вперше запропоновано метод контролю енергії динамічного УФО шкіри шляхом введення корекції випромінювання, яка на відміну від існуючих відрізняється просторово-частотною модуляцією впливу, що дало змогу скоротити час випромінювання під час фізіотерапевтичної процедури. - Вперше побудовано структурно-функціональну організацію системи динамічного УФО шляхом встановлення зміни характеристик та параметрів впливу, що дало змогу автоматизувати процес опромінення вибраної ділянки шкіри. Практична цінність отриманих результатів полягає в тому, що запропонована система динамічного ультрафіолетового випромінювання забезпечує необхідні медико-технічні, інформативні, енергетичні та просторово-модуляційні параметри процесу фізіотерапії, шляхом застосування автоматизації та використанням напівпровідникових джерел випромінювання (матриці світлодіодів). Практичні результати, які отримано в дисертації, дозволили: - Створити медико-технічні вимоги до автоматизованої системи динамічного ультрафіолетового випромінювання з введеним зворотнім зв’язком за фізіологічним станом шкіри людини, що на відміну від існуючих систем, дало змогу здійснювати безперервний моніторинг характеристик стану шкіри в процесі опромінення. - Розробити режими керування напівпровідниковою ультрафіолетовою матрицею для модуляції потоків випромінювання, формуванням просторового розподілу опромінення, що оптимізує тривалість процедури фізіотерапії; - Створити структурну схему системи та алгоритми динамічного УФО зі зворотнім зв’язком, контролем та корекцією параметрів процесу опромінення, що дає змогу розширити клінічне застосування. На основі проведених теоретичних та практичних досліджень розроблено та впроваджено наступне: Отримано збільшення одиничної потужності випромінювання та застосування в пристроях принципів модуляції енергетичних потоків, завдяки напівпровідниковим УФ СВД, що дало змогу рівномірно опромінювати уражену ділянки та фотостимуляції. Розроблено методику розрахунку розподілу випромінювання запропонованої автоматизованої системи на основі УФ світлодіодів з урахуванням технічних параметрів ДВ, що дозволила зробити розрахунок необхідної кількості СВД і розташування їх у випромінювачі при заданій інтенсивності впливу. Розроблено автоматизований метод та систему впливу УФО на біооб’єкт, що дало змогу виявити критерії ефективності у фізіотерапії. Дослідження запропонованого методу випромінювання дозволили скоротити тривалість проведення процедури фізіотерапії на 15-25%. Проведено імітаційне моделювання процесу розсіювання енергії у випадково-неоднорідному біологічному середовищі, що дозволило побудувати пошаровий розподіл поглинутої енергії і виявити, що коефіцієнт послаблення енергії між роговим шаром та нижнім шаром епідермусу складає 5,3 рази. Створено структурну схему та алгоритм роботи фізичної моделі-пристрою для фізіотерапії, що дозволило автоматизовано керувати характеристиками та параметрами опромінення. Розроблено дослідний зразок автоматизованої УФ системи для фізіотерапії, з можливістю зміни просторової та енергетичної модуляції потоку опромінення, що дало змогу провести верифікацію досліджень. Розроблено та проведено дослідження in vitro дослідного зразка автоматизованої УФ системи для фізіотерапії, показано, що дана система може бути використана, з високою ефективністю, як медичними установами для проведення локальної і загальної фізіотерапії, так і науково-дослідними установами для подальшого розвитку і вдосконалення методик фізіотерапії. Результати дисертаційної роботи впроваджено у нижченаведені організації із підтвердженням відповідними актами про впровадження: - ПП «Клініка мікрохірургії Медікус», м. Тернопіль (акт від 30 березня 2018 року) з метою вивчення можливості застосування методу та системи динамічного випромінювання у розробках нових методик лікування. Результати реалізовано у формі алгоритмів та програм для розрахунку оптимальних режимів опромінення у фізіотерапії; - Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя, у навчальному процесі кафедри «Біотехнічних систем» (акт від 5 червня 2018 року) з метою побудови систем та пристроїв динамічного ультрафіолетового випромінювання з автоматизованими та інтерактивними режимами для фізіотерапії, при створенні алгоритмів функціонування із контролем режимів в процесі динамічного впливу на біологічні об’єкти і прогнозом впливу змін параметрів різних типів шкіри при лікуванні псоріазу; - Районній комунальній міській лікарні м. Бучач (акт від 13 березня 2018 року) з метою розширення наукових досліджень побудови системи та створення методу динамічного ультрафіолетового випромінювання у фізіотерапії, що дасть змогу покращити оцінювання якості лікувальних засобів та прогнозу патологічних змін шкіри при таких захворюваннях , як псоріаз, лишай, вітіліго, акне; - Науково-виробничому експериментальному спільному малому підприємстві «МЕДАП» м. Тернопіль (акт від 17 травня 2018 року) з метою розширення наукових досліджень для побудови комп’ютерної системи з автоматизованими та інтерактивними режимами регулювання динамічного опромінювання ультрафіолетом з оцінюванням якості процедур при лікуванні псоріазу