Способ формирования сигналов о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы и устройство для его осуществления

Реферат

 

Использование: в биомедицинской технике, в качестве способа формирования сигналов о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы и в виде устройства для осуществления этого способа. Цель изобретения -повышение скорости преобразования исходной информации о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы при существенном расширении диапазона этих факторов путем выделения из снимаемых динамических характеристик биообъекта управляющих сигналов для эффективного воздействия на биообъект электромагнитных, биологических, химических, механических и других факторов. Устройство для осуществления способа выполнено в виде совокупностей соединенных между собой блоков съема информации, аналого-цифровых преобразователей, блоков выделения управляющих сигналов и средств преобразования сигналов в воздействующие на биообъект факторы. Электромагнитный излучатель выполнен в виде корпуса из совокупности катушек, направляющих воздействующие факторы на органы биообъекта. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к медицинской или биологической технике и может быть использовано в качестве способа преобразования сигналов о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы и в виде устройства для осуществления этого способа.

Известен способ, включающий сбор информации о функциональном состоянии биообъекта и преобразование в воздействующие на биообъект факторы /1/.

Недостатками этого способа являются его узкая специализация и ограниченная применимость.

Известен способ, включающий измерение параметров, характеризующих функциональное состояние биообъекта, обработку этих параметров и получение в результате обработки управляющих сигналов, на основании которых формируют параметры электромагнитного воздействия на биооъект /2/.

Известно устройство для функционального воздействия на биообъект, содержащее усилитель, схему выделения управляющих сигналов и блок преобразования их в воздействующие на биообъект факторы /3/.

Недостатками прототипов являются относительно невысокая оперативность обработки исходной информации, ее малый объем и невысокая скорость получения данных и взаимосвязанного с ними изменениями воздействующих на биообъект факторов.

Цель изобретения повышение скорости преобразования исходной информации о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы при существенном расширении диапазона воздействующих факторов.

Цель достигается способом формирования сигнала воздействия на биообъект, включающий изменение параметров, характеризующих функциональное состояние биообъекта, их обработку и формирование управляющих сигналов для задания режимов воздействия, при этом измеряют динамическую характеристику, отражающую функциональное состояние биообъекта за промежуток времени t1, который выбирают по отношению к минимальному временному интервалу t2 измерения характерных для биообъекта параметров в пределах 1,0001 (t2+t1):t12,0, определяют ее экстремумы и временные интервалы между ними с соотношением минимальных tmin и максимальных tmax длительностей интервалов в пределах 0,01tmin:tmax 1,0, а также энергетическую характеристику с соотношением амплитуд соседних экстремумов Ai и Ai+1 в пределах 0,1 (A2i+1-A2i):(Ai+1-Ai) 10,0, на основании которых определяют диаметры атракторов в псевдофазном пространстве с соотношением их минимальных Dmin и максимальных Dmax значений в пределах 1,1(Dmin+ Dmax): Dmax1,9, которые используют для получения управляющих сигналов и задания режимов воздействия, при этом количество n экстремумов на один оборот вектора в псевдофазном пространстве выбирают в пределах 2,0 <n <15,0, 10-8106 эрстэд/м и переменного поля с вектором напряженности, коллинарным вектору медленного поля, результирующий вектор которых располагают к вектору оптимальной биологической ориентации биообъекта под углом в пределах 0 90, при этом частоту выбирают в пределах 10-4 102 рад/с, а переменное поле формируют в виде автономно воздействующих полей, количество n1 которых выбирают в пределах 1,0 n110 с частотами 1 и n1 в диапазоне 1,0 (1+n1):n1 2,0, количество циклов n2 вращения низко-интенсивного поля в каждую из сторон выбирают в пределах 1,0n210,0 с частотами вращения 1 и n2 в пределах 1,0 (2+n2):n2 2,0, при этом в качестве динамической характеристики выбирают пульсовую волну.

Цель достигается с помощью устройства для осуществления способа преобразования сигналов о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы, содержащего датчик биосигналов, узлы выделения управляющих сигналов, узлы формирования воздействия с элементами воздействия, в которое введены аналого-цифровые преобразователи, а датчик биосигналов выполнен в виде n3 узлов съема, где 1,0 n3100, с полосой пропускания f,, выбранной по отношению к средней частоте i регистрируемого диапазона в пределах 0,1 f/f 5,0, с соотношением амплитуд минимального A1 и максимального A2 измеренных сигналов, выбранных в пределах 510-4 A1/A21,0, и соотношением уровня шумов A3 к уровню минимального сигнала 510-4A3/A10,5, каждый из n3 узлов съема подключен выходом через соответствующий из n5 узла выделения управляющих сигналов, включающего n6 блоков выделения экстремумов, n7 блоков выделения временных интервалов, n8 блоков выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик экстремумов, n9 блоков выделения диаметров n-мерных атракторов по амплитудам и/или энергиям, n10 блоков выделения диаметров n-мерных атракторов по частоте сердечных сокращений и/или другим временным параметрам биообъекта, где количество ni каждого из блоков: n6, n7, n8 и n9 и n10 выбрано в пределах 1,0ni n3, где 6i10, при этом входы блоков выделения экстремумов являются входами узла выделения управляющих сигналов, блоки выделения временных интервалов и выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик включены соответственно между соответствующими выходами блоков выделения экстремумов и входами соответственно блоков выделения диаметров n-мерных атракторов по частоте сердечных сокращений и/или другим временным параметрам биообъекта и блоков выделения атракторов по амплитудам и/или энергетических характеристик, выходы которых соединены с соответствующими входами соответствующего узла формирования воздействия, другими входами подключенного к дополнительным выходам соответственно блоков выделения экстремумов, выделения временных интервалов, выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик экстремумов; часть аналого-цифровых преобразователей между собой, а количество элементов воздействия определяется количеством видов воздействия, конструктивное выполнение каждого из них определено диапазонами заданных для воздействия на биообъект управляющих сигналов.

При этом элементы воздействия выполнены в виде электрических и/или магнитных, и/или электромагнитных, и/или акустических, и/или механических, и/или биологических, и/или химических, и/или радиоактивных, и/или других видов дозаторов, выходы которых соединены со средствами реализации воздействующих на биообъект факторов, например, в виде электромагнитного излучателя, и/или капельницы, и/или регулятора дозы и ритма на биообъект биохимическими веществами, и/или биомеханическими, и/или электрическими, и/или радиоактивными стимуляторами.

При этом датчик биосигналов выполнен в виде узлов съема пульсовой волны, состоящих из инфракрасных излучающих диодов и приемников, максимальный поперечный размер которых L1 выбран по отношению к минимальному расстоянию L2 между его излучателями в пределах 1,0(L1+L2):L1 150, при этом часть n11 узлов съема в переделах 1,0(n11 + n3): n31,9 установлена на n12 вспомогательных биообъектах, где n12 выбрано в пределах 1,0n11 + n12):n112,0.

Цель достигается с помощью электромагнитного излучателя, содержащего корпус, катушки, соединенные с источником питания, изолирующие декоративные и создающие комфорт элементы, в которых корпус выполнен совмещенным с катушками, количество n13 которых выбрано в пределах 2,0n13200, намотанных в виде витков произвольной формы с соотношением минимального lmin и максимального lmax характерных размеров витков, выбранных в пределах 1,0(lmin + lmax):lmax2,0, причем плоскости витков каждой из катушек расположены под углом по отношению к вектору ориентации биообъекта в пределах 0<<90, катушки расположены относительно друг друга таким образом, что минимальная площадь Smin выбрана по отношению к максимальной площади Smax витков в пределах 1,0(Smin + Smax):SmaxSmax, а соотношение между минимальным l3 и максимальным l4 характерными размерами электромагнитного излучателя выбрано в пределах 0,1l3/l41,0, а катушки n13 выполнены с возможностью поворота и фиксации положения по отношению к вектору ориентации биообъекта, например, в n14 виде шарниров с фиксаторами, где n14 выбрано в пределах 1,0(n14 + n13):n132,0.

На фиг.1 изображена структурная схема выполнения устройства; на фиг.2 а, б варианты конструктивного выполнения электромагнитного излучателя.

При детальном описании способа нецелесообразно излагать известную из опубликованных источников информацию, в частности, об измерении параметров, характеризующих функциональное состояние биообъекта, обработке этих параметров, получении в результате обработки управляющих сигналов и формировании факторов, например, электромагнитного воздействия на биообъект.

Детально целесообразно остановиться на описании существенных отличительных признаков заявляемого способа, заключающихся в том, что снимают динамическую характеристику биообъекта, отражающую его функциональное состояние за промежуток времени t1, который выбирают по отношению к минимальному временному интервалу t2 заметного изменения характерных для биообъектов параметров в пределах 1,0001(t2 + t1):t12.

В качестве динамической характеристики можно выбрать, например, пульсовую волну, измерение которой позволяет получить обширную информацию о функциональном состоянии биообъекта. Для получения управляющих сигналов определяют экстремумы пульсовой волны и временные интервалы между ними с соотношением tmin и максимальных tmax длительных интервалов в пределах 0,01 tmin/tmax1, в качестве энергетической характеристики пульсовой волны выбирают соотношение амплитуд ее соседних экстремумов Ai и Ai+1 в пределах 0,1 (A2i+1-A21):(Ai+1+Ai) 10,0. Используя полученные данные, определяют диаметром атракторов в псевдофазовом n-мерном пространстве с соотношением их минимальных Dmin и максимальных Dmax значений в пределах 1,1(Dmin + Dmax):Dmax1,9, а также количество n экстремумов на один оборот вектора в псевдофазовом пространстве в пределах 2n15,01.

На основании полученных управляющих сигналов формируют комплекс воздействующих на биообъект факторов, например, электрических и/или магнитных, и/или электромагнитных, и/или физических, и/или химических, и/или механических, и/или биологических и других факторов, подбирая их параметры, в частности, частоты, амплитуды, длительность, периодичность циклов и т.п. Выбор тех или иных факторов производят, исходя из оценки удобства их использования, приемлемости для воздействия на биобъект и других условий.

В качестве биообъекта заявленный способ и устройства ориентированы как на человека, так и на другие живые существа, в отношении которых существует практическая целесообразность функционального воздействия на них.

В конкретном случае использования в качестве воздействующего фактора на человека кодово-параметрического электромагнитного поля, образованного суперпозицией медленно периодически вращающегося в противоположные стороны магнитного поля и переменного поля с вектором напряженности, коллинарным вектору медленного поля, их параметры выбирают в нижеуказанных пределах. Напряженность H медленного низкоинтенсивного поля выбирают в пределах 10-8H106 эрстед/м.

Результирующий вектор этих полей располагает по отношению к вектору оптимальной биологической ориентации биообъекта под углом в пределах 0==90.. Частоту вращения медленного поля выбирают в пределах 10-4 102 рад/с. Переменные электромагнитные поля выполняют в виде воздействующих n1 полей, где n1 выбирают в пределах 1n1 10,0 с частотами 1 и n1 в диапазоне 1,0 (1+n1):n1 2,0.. Низкоинтенсивное магнитное поле периодически вращают в противоположные стороны с количеством n2 циклов вращения в каждую из сторон в пределах 1,0n210,0 с частотами вращения 2 и n2 в пределах 1,0 (2+n2):n2 2,0. Указанные параметры охватывают, как показали экспериментальные данные, а также результаты анализа и обобщения известных данных, практически весь диапазон функциональных воздействия на биообъекты, который может понадобиться в реальных ситуациях.

Датчик исходных сигналов выполняют в виде узлов 1 съема (см. фиг.1), количество n3 выбрано в пределах 1,0n3100,0.

Конструктивно узлы съема располагают по поверхности биообъекта в местах, позволяющих измерять характеристики, отражающие динамику состояния биообъекта. При этом конструктивные особенности узлов съема заданы параметрами: полосой f входных частот, выбранных по отношению к средней частоте f регистрируемого диапазона в пределах 0,1 f/f 5,0, соотношение амплитуд A1 и A2 соответственно минимального и максимального входных сигналов, выбранных в пределах 510-4 A1/A21,0 и соотношением уровня шумов A3 к уровню A1 в пределах 510-4 A3/A10,5.

Датчик исходных сигналов может быть реализован, например, в виде узлов 1 съема пульсовой волны, состоящих из инфракрасных излучающих диодов и приемников, максимальный поперечный размер L1 которых выбран по отношению к минимальному расстоянию L2 между его излучателями и приемниками в пределах 1,0(L1+L2):L1 150,0.

На фиг.1 стрелками на соединительных линиях показаны направления от выходов к входам блоков.

Линии на фиг.1, составленные из отдельных точек вдоль всей блок-схемы, обозначают что на этих местах могут быть блоки в количественных пределах, заявленных в формуле изобретения.

Выход каждого из узлов 1 съема соединен с входом автономного аналого-цифрового преобразователя 2 (АЦП), количество n4 которых выбрано в пределах 1,0 n4100,0, выходы их соединены с входами узлов 3 выделения управляющих сигналов в количестве n5, где n5 выбрано в пределах 1,0100,0.

Часть аналого-цифровых преобразователей соединены между собой. Узел 3 выделения управляющих сигналов выполнен в виде совокупности n6 блоков 4 выделения экстремумов, где 1,0n6n3, блоков 5 в количестве n7 выделения временных интервалов, где 1,0n7 n2, блоков 6 в количестве n8 выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик экстремумов, где 1,0 n8n3, блоков 7 в количестве n9 выделения диаметров n=мерных атракторов по амплитудам и/или энергии, где 1,0 n9n3 и блоков 8 в количестве n10 выделения съема диаметров n= мерных атракторов по частоте сердечных сокращений и/или другим временным параметрам биообъекта, где 1,0n10n3.

Входы блоков 4 выделения экстремумов совмещены с входами узла 3 выделения управляющих сигналов, а выходы блоков 4 соединены с входами блоков 5 выделения временных интервалов между экстремумами, а также с входами блоков 6 выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик экстремумов. Выходы блоков 5 соединены с входами блоков 8. Выходы блоков 6 соединены с входами блоков 7, выделения диаметра n-мерных атракторов по амплитуде и/или другим энергетическим характеристикам.

При этом дополнительные выходы всех блоков 4, 5, 6, 7, 8 совмещены с выходами узла 3 выделения управляющих сигналов, которые соединены с входами узла 9 формирования воздействующих на биообъект факторов.

Часть аналого-цифровых преобразователей соединена между собой, а количество элементов воздействия определяется количеством видов воздействия, конструктивное выполнение каждого из них определено диапазонами заданных для воздействия на биообъект управляющих сигналов. Каждый из элементов воздействия выполнен в виде электрических и/или магнитных, и/или электромагнитных, и/или акустических, и/или механических, и/или температурных, и/или химических, и/или биологических, и/или радиоактивных и других подходящих для воздействия на биообъект дозаторов 10.

Выходы дозаторов 10 соединены со средствами 11 практической реализации воздействующих на биообъект факторов, например, в виде электромагнитного излучателя и/или капельницы, и/или регулирования дозы и ритма воздействия на биообъект биохимическими веществами, и/или биомеханических стимуляторов, и/или электростимуляторов и других пригодных для воздействия на объект средств. Конструктивно выполнение этих средств не отличается от известных, включая и особенности, выполнение которых определено диапазоном заданных для воздействия на биообъект выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик, включены соответственно между соответствующими выходами блоков выделения экстремумов и входами соответственно блоков выделения диаметров n-мерных атракторов по частоте сердечных сокращений и/или другим временным параметрам биообъекта и блоков выделения атракторов по амплитудам и/или энергетических характеристик, выходы которых соединены с соответствующими входами соответствующего узла формирования воздействия, другими входами подключенного к дополнительным выходам соответственно блоков выделения экстремумов, выделения временных интервалов, выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик экстремумов.

Часть аналого-цифровых преобразователей соединена между собой, а количество элементов воздействия определяется количеством видов воздействия, конструктивное выполнение каждого из них определено диапазонами заданных для воздействия на биообъект управляющих сигналов.

Так, например, вместе с электромагнитным излучателем, воздействующим на головной мозг биообъекта, может быть одновременно применено внутривенное введение лекарств с помощью капельницы, а также воздействия, благоприятно стимулирующее на уши биообъекта, а также механического массажа на необходимый участок тела биообъекта и т.п.

Часть n11 узлов съема, выбираемых в пределах 1,0 (n11+n3):n31,9 установлена на вспомогательных объектах n12, где n12 выбраны в пределах 1,0 (n11+n12):n112,0.

Вспомогательные биообъекты могут быть использованы для получения эталонной, контрольной или корректирующей информации.

В виде одного и практических примеров реализации средств II воздействия на биообъект, в частности, на голову человека целесообразно описать электромагнитный излучатель, (фиг.2а)содержащий корпус 12, катушки 13, соединенные с источником тока, а также изолирующие, декоративные и создающие комфорт элементы (на фиг. 2 не показаны в виду их не существенности для достижения результата). Отличительными особенностями излучателя является то, что его корпус 12 выполнен совмещенным с катушками 13, количество которых n13 выбрано в пределах 2n13200,0.

Катушка 13 намотана в виде витков произвольной конфигурации с соотношением минимального lmin и максимального Lmax характерных размеров витков, выбранным в пределах 1,0 (lmin+lmax):lmax2,0.

К характерным размерам витков могут быть отнесены расстояния между ближайшими и минимально удаленными точками витков на отрезках прямых, проходящих через геометрический центр витка. Плоскости витков каждой из катушек 13 расположены под углом в пределах 0==90 по отношению к вектору преимущественной биологической ориентации биообъекта.

Катушки 13 расположены друг относительно друга таким образом, что минимальная площадь Smin поверхности их взаимного перекрытия выбрана по отношению к максимальной площади Smax витков в пределах 1,0 (Smin+Smax):Smax 2,0, а соотношение между минимальным l3 и максимальным l4 характерными размерами излучателя выбрано в пределах 0,1 l3/l41,0.

Другим вариантом практической реализации средства II может служить излучатель (фиг.2а), отличающийся тем, что корпус 12, совмещенный с катушками 13, снабжен основанием 14 с установленными на нем узлами 15 поворота и фиксации катушек 13 в количестве n14 по отношению к вектору преимущественной биологической ориентации биообъекта. Узлы 15поворота и фиксации катушек могут быть выполнены, например, в виде шарниров с фиксаторами, где n14 выбрано в пределах 1,0 (n14+n13):n132,0. Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать параметр , характеризуемый соотношением скоростей преобразования исходной информации о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы при экспериментальном осуществлении примеров заявленного технического решения и прототипа.

Параметры приведены в таблице.

Нижние (пример 1 таблицы) и верхние (пример 2) значения заявленных пределов были получены на основании статистической обработки экспериментальных данных исходя из условия приближения параметра к единице (1=1,02, 2=1,03), а также с учетом других, накладывающих ограничения на заявленные пределы, известных обстоятельств. В оптимальном примере N 3 практической реализации заявленных объектов было достигнуто наиболее высокое значение параметра 3=3,5..

При выходе за нижние (пример 4) и верхние (пример 5) значения заявленных пределов указанный технический результат, как следует из таблицы, не достигается (4=0,99, 5=0,98). В произвольном примере 6 таблицы при использовании значений существенных параметров внутри заявленных пределов было достигнуто промежуточное значение технического результата.

Дополнительные преимущества использования предлагаемых объектов при решении задач, имеющих место в медицинской практике, следующие: выявление моментов снижения скорости обработки информации у лиц, связанных с повышенной ответственностью на рабочем месте (авиадиспетчеры, операторы промустановок, АЭС, автоводители и др.); выявление и коррекция стрессовых состояний у людей, длительно находящихся в неблагополучных условиях (космонавты, подводники, жители Крайнего Севера и др.); контроль за состоянием адаптационных возможностей человека в повседневной жизни, что позволяет на ранних стадиях выявить состояние предболезни; контроль за состоянием пациента в условиях реанимации; оперативное изменение тактики лечения и дозировки лекарств под контролем комплекса; контроль продолжительности физиотерапевтических процедур для получения технического положительного эффекта. Ыр

Формула изобретения

1. Способ формирования сигнала о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы, включающий измерение параметров, характеризующих функциональное состояние биообъекта, их обработку и формирование управляющих сигналов для задания режимов воздействия, отличающийся тем, что измеряют динамическую характеристику, отражающую функциональное состояние биообъекта за промежуток времени t1, который выбирают по отношению к минимальному временному интервалу t2 измерения характерных для биообъекта параметров в пределах 1,0001 (t2 + t1) t1 2,0, определяют ее экстремумы и временные интервалы между ними с соотношением минимальных tmin и максимальных tmax длительностей интервалов в пределах 0,01 tmin tmax 1,0, а также энергетическую характеристику с соотношением амплитуд соседних экстремумов Ai и Ai+1 в пределах 0,1 (A2i+1-A2i):(Ai+1Ai) 10,0, на основании которых определяют диаметры атракторов в псевдофазовом пространстве с соотношением их минимальных Dmin и максимальных Dmax значений в пределах 1,1 (Dmin + Dmax) Dmax 1,9, которые используют для получения управляющих сигналов для задания режимов воздействия на биообъект, при этом количество n экстремумов на один оборот вектора в псевдофазовом пространстве выбирают в пределах 2 < n < 15.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют на тело биообъекта в виде кодово-параметрического электромагнитного поля, образованного суперпозицией медленно периодически вращающегося в противоположные стороны низкоинтенсивного поля, напряженность которого выбирают в пределах 10-8 < H < 106 Э/м и переменного поля с вектором напряженности, коллиниарным вектору медленного поля, результирующий вектор которых располагают к вектору оптимальной биологической ориентации биообъекта под углом в пределах 0 90, при этом частоту выбирают в пределах 104 102 рад/с, а переменное поле формируют в виде автономно воздействующих полей, количество n1 которых выбирают в пределах 1 n1 10 с частотами 1 и n1 в диапазоне 1 (1+n1):n1 2, количество циклов n2 вращения низкоинтенсивного поля в каждую из сторон выбирают в пределах 1 n2 10 с частотами вращения 1 и n2 в пределах 1 (2+n2):n2 2. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве динамической характеристики выбирают пульсовую волну.

4. Устройство для формирования сигналов о функциональном состоянии биообъекта в воздействующие на него факторы, содержащее датчик биосигналов, узлы выделения управляющих сигналов, узлы формирования воздействия с их элементами, отличающееся тем, что в него введены аналого-цифровые преобразователи, а датчик биосигналов выполнен в виде n3 узлов съема, где 1 n3 100, с полосой пропускания f, выбранной по отношению к средней частоте f регистрируемого диапазона в пределах 0,1 f/f 5,0, с соотношением амплитуд минимального A1 и максимального A2 измеренных сигналов, выбранных в пределах 5 10-4 A1/A2 1 и соотношением уровня шумов A3 к уровню минимального сигнала 5 10-4 A3/A1 0,5, каждый из n3 узлов съема подключен выходом через соответствующий из n4 аналого-цифровых преобразователей к входу соответствующего из n5 узлов выделения управляющих сигналов, каждый из которых включает n6 блоков выделения экстремумов, n7 блоков выделения временных интервалов, n8 блоков выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик экстремумов, n9 блоков выделения диаметров n-мерных атракторов по амплитудам и/или энергиям, n10 блоков выделения диаметров n-мерных атракторов по частоте сердечных сокращений и/или другим временным параметрам биообъекта, где количество ni каждого из блоков n6 n10 выбрано в пределах 1,0 ni n3, где 6 i 10, при этом входы блоков выделения экстремумов являются входами узла выделения управляющих сигналов, блоки выделения временных интервалов и выделения амплитуд и/или других энергетических характеристик включены соответственно между соответствующими выходами блоков выделения экстремумов и входами соответственно блоков выделения диаметров n-мерных атракторов по частоте сердечных сокращений и/или другим временным парамет