Применение электроники в медицине и биологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение электроники в медицине и биологии

Н.Д. Девятков

Проводится обзор работ специалистов «Истока» в области использования достижений лазерного и СВЧ-приборостроения и технологии в медицине и биологии. Основной вклад «Истока» -- родоначальника этого направления в стране -- состоит в применении газовых лазеров в хирургии и терапии и нетеплового электромагнитного излучения миллиметрового диапазона для эффективного терапевтического лечения ряда болезней путем повышения иммунологических способностей организма, использовании гипертермического нагрева опухолей онкологического и неонкологического происхождения с помощью СВЧ-энергии для их разрушения, создании гаммы устройств, начиная от совершенных рН-датчиков желудка до оснащенных индивидуальными ЭВМ установок для функциональной диагностики желудочно-кишечного тракта, тепловизионной диагностической аппаратуры, установок для облучения семян с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Медицинские установки «Истока» широко внедрены в практику и доказали свою высокую эффективность.

КС: медицинская электроника, лазерная хирургия, лазерная терапия, терапевтические СВЧ-установки нетеплового воздействия, СВЧ-гипертермия, функциональная диагностика желудка рН-зондами, тепловидение, облучение семян

50-летний юбилей «Истока» -- хороший повод для обзора работ в области применения электроники в медицине и биологии, выполненных за 30 лет специалистами предприятия совместно с медиками и биологами страны. Это направление на всех этапах развития основывалось на достижениях отечественной электроники.

Базой для разработки медицинской аппаратуры различного назначения явились такие достижения приборостроения «Истока», как создание первых промышленных образцов низко- и высокоэнергетических газоразрядных лазеров, ламп обратной волны (ЛОВ), перекрывающих весь мм-диапазон длин волн, мощных СВЧ-приборов в различных участках дециметрового диапазона, разработка приемников на антимониде индия с высокой чувствительностью в диапазоне 5... 6 мкм.

Успехи приборостроения «Истока» базировались и на уникальной технологии. Устройства для высокоэффективной очистки воздуха в рабочих помещениях, методы электроэрозионной обработки материалов, технология металлокерамических спаев, технологические процессы создания монолитных приборов и устройств позволили разработать эффективные установки и приборы медицинского назначения. Так, методы очистки воздуха в производственных помещениях были использованы для создания высокостерильных операционных с большой кратностью обмена очищенного специальными фильтрами воздуха. Были разработаны рециркуляционные установки для перевязочных, в которых также необходимо обеспечивать высокую стерильность окружающей среды (П. И. Морозов, В. А. Бродский, М. В. Гольц). На основе технологии обработки сурьмы электроэрозионным методом и металлокерамической технологии были разработаны оригинальные датчики рН для исследования кислотности желудочно-кишечного тракта (Н. Д. Девятков, С. А. Новоселец).

Технологические методы изготовления полупроводниковых интегральных приборов послужили основой для создания датчиков давления (А. Р. Лепорский). Разработаны слуховые аппараты (В. Н. Батыгин, А. Н. Григорьев).

Был создан локальный облучатель на основе ксеноновой лампы, который позволяет проводить облучение любых труднодоступных участков тела человека через кварцевые световоды. Диапазон излучения -- ультрафиолетовая, видимая и инфракрасная части спектра (Н. С. Макеева, Б. Е. Маханек). Ведется дальнейшая работа по модернизации самого излучателя и световодного инструмента.

Значительная часть исследований была посвящена использованию когерентного электромагнитного излучения. Развились три широких направления: лазерное, миллиметровое и направление электромагнитной гипертермии, использующее дискретные частоты дециметрового и метрового диапазонов длин волн.

Первые работы, направленные на изыскание возможности применения лазеров в медицине, были посвящены использованию гелий-неоновых лазеров с длиной волны 0,63 мкм. Для решения вопроса о возможности применения в клинической практике лазерного излучения малой интенсивности совместно с Центральной научно-исследовательской лабораторией 1-го Московского медицинского института им. И. М. Сеченова, Центральным институтом травматологии и ортопедии, Центральным институтом курортологии и физиотерапии был проведен большой объем экспериментальных работ как на клеточном, так и на тканевом уровнях. Эти исследования свидетельствовали об ускорении процесса регенерации в тканях, подвергшихся облучению. Изучение белкового, липидного, углеводного и ферментативного обменов у животных показало, что лазерное излучение малой мощности (1...5 мВт/см²) активизирует ряд ферментов, что и приводит к усилению обменных процессов в организме.

Работы, проведенные на клеточном уровне, также подтвердили, что лазерное излучение обладает стимулирующим действием. Было установлено, что в определенных режимах лазерное излучение малой мощности способствует повышению энергии митохондрий и тем самым всего клеточного метаболизма при отсутствии повреждающего действия на нормальные ткани (Н. С. Макеева, В. В. Щур и др.). На основе этих работ совместно с врачами было принято решение о целесообразности применения гелий-неоновых лазеров в лечебных целях. В 1972 году было получено разрешение Минздрава на применение излучения гелий-неонового лазера малой мощности в терапии.

На базе лазера типа ОКГ-12 были созданы лабораторные образцы установок (Н. С. Макеева). Их испытания и выявление заболеваний, для которых лазерное излучение являлось эффективным средством лечения, проводились совместно с ведущими клиниками страны.

На основе результатов испытаний была разработана промышленная установка «Ягода» (В. П. Беляев, Н. И. Степанищева), переданная в серийное производство на электроламповый завод в г. Дятьково Брянской области. Там установка при участии Н. И. Степанищевой и В. В. Зубова была модернизирована и сейчас выпускается в крупносерийном производстве под названием УЛФ-01 (рис. 1).

Кроме того, на основе гелий-неонового лазера ОКГ-13 была разработана малогабаритная терапевтическая установка ЛТМ-01 (Н. С. Макеева, Г. В. Боярских) для применения в стоматологии. Серийный выпуск этой установки также производится в г. Дятькове.

Рис. 1. Терапевтическая установка УЛФ-01

Использовать ОКГ-13 для лазеропунктуры было предложено в 1972 году Н. Д. Девятковым. В 1973--1974 гг. были созданы первые установки для воздействия низкоэнергетическим лазерным лучом на точки акупунктуры (Е. С. Евтифеева). С 1975 г. по разрешению Минздрава СССР испытания созданного прибора проходили в неврологическом отделении клинической больницы им. С. П. Боткина. Достигнутый лечебный эффект позволил продолжить работу по дальнейшему развитию метода лазеропунктуры в ряде клиник страны. Совершенствовалась и лазеропунктурная аппаратура. Применение импульсно-частотной модуляции способствовало значительному повышению эффективности лечебного процесса. Было также установлено, что открытый лазерный луч, не пропущенный через световодное волокно, действует более эффективно (Е. С. Евтифеева).

Разработка высокоэнергетических лазеров на С0₂ (л = 10,6 мкм) началась в «Истоке» в 60-х годах. Достаточно высокая когерентность излучения при мощности луча в десятки ватт позволяла получить острую фокусировку с большой удельной плотностью в пятне очень малого диаметра (десятые доли миллиметра). В 1965 году впервые в стране этот высокоасептический «режущий инструмент» было решено (Н. Д. Девятков, В. П. Беляев) применить в медицинской хирургической практике. Проф. С. Д. Плетневым в Московском научно-исследовательском онкологическом институте им. П. А. Герцена был проведен большой цикл работ. В экспериментах на животных изучались механизмы резания биологических тканей и вырабатывались методики для перехода к операциям на человеке. В то же время совершенствовалась хирургическая лазерная аппаратура (В. П. Беляев и др.). Было разработано несколько модификаций лазерных хирургических установок на С0₂-лазеpax, на которых в ряде клиник проводились хирургические операции.

По мере накопления опыта применения хирургических установок росли и медико-технические требования. Оказалось, что непрерывный режим генерирования лазерного луча, обеспечивающий хорошую резку мягких тканей, не оптимален для резки хрящевой и костной тканей. Совместно с хирургами были изучены импульсно-периодические режимы, правильный подбор которых позволил проводить резку без обугливания хрящей и костей. Была создана установка «Рябина» (В. С. Голов), работающая в постоянном и импульсно-периодических режимах (рис. 2). Используя эту установку, хирург может по ходу операции менять режим резания, применяя непрерывный или выбранный импульсно-периодический режим.

Рис. 2. Хирургическая лазерная установке «Рябина»

На основе импульсного С0₂-лазера с энергией излучения импульса до 1,5 Дж и максимальной частотой повторения импульсов до 2 Гц была разработана установка «Янус» (В. С. Алейников, Н. Ф. Бондаренко). Ее назначение -- послойное удаление биотканей повышенной плотности с уменьшенным содержанием воды; подавление вирусной активности на поверхности органов; косметические операции.

Значительный интерес представляют лазерные хирургические установки с излучателями на СО с длиной волны 5...6 мкм. Эксперименты на животных, проведенные С. Д. Плетневым и В. И. Масычевым, показали, что использование таких излучений позволяет проводить резание тканей на большую глубину и при меньших мощностях в луче, чем при использовании С0₂-лазеров. При этом значительно лучше коагулируются крупные сосуды, что обеспечивает бескровность операций. Физико-биологические процессы подлежат дальнейшему исследованию. В настоящее время разрабатываются установки на уровни выходной мощности 5 и 20 Вт (В. И. Масычев).

На разработанных в «Истоке» лазерах на парах меди была создана медицинская установка «Янтарь» (В. С. Алейников, В. И. Масычев), предназначенная для хирургического и терапевтического воздействия импульсным излучением видимого. диапазона спектра (зеленая и желтая линии, длины волн 510,6 и 578,2 нм) (рис. 3). Передача лазерного излучения во внутренние органы и полости организма обеспечивается гибким кварцевым световодом. Световод используется совместно с катетерами, эндоскопами, лапароскопами, полыми иглами. Области применения: оториноларингология, сосудистая хирургия, гинекология, проктология, урология и др.

Рис. 3. «Янтарь» -- лазерная установка для хирургии и терапии

Лазер на парах меди, дополненный лазером-преобразователем на растворах красителей, позволяет получить мощное когерентное излучение, перестраиваемое в желто-красной части спектра. На базе такого комплекса в «Истоке» была создана установка «Яхрома» (А. В. Армичев), необходимая, в первую очередь, для реализации нового метода, применяемого в онкологии, -- фотодинамической терапии, т. е. облучения опухоли определенной длиной волны, соответствующей поглощательной способности фотосенсибилизатора, введенного в организм, что обеспечивает ее избирательный некроз, имеющий фотодинамическую природу.

Лазерное излучение канализируется через световод со средней мощностью порядка нескольких ватт. Первые положительные клинические результаты были получены в ведущих клиниках страны. В «Истоке» продолжается совершенствование лазерной аппаратуры для фотодинамического метода.

В 60-е годы в ГНПП «Исток» были проведены работы по созданию ЛОВ--генераторов когерентных электромагнитных колебаний мм-диапазона длин волн. Известно, что электромагнитные колебания мм-участка спектра активно поглощаются атмосферой, особенно парами воды. Поэтому все живое на Земле не подвержено воздействию энергии этого диапазона и соответственно не адаптировано к этому виду излучения. Было высказано предположение о возможности специфического действия электромагнитного излучения мм-диапазона длин волн на биологические структуры и организмы (Н. Д. Девятков, М. Б. Голант).

Исследования в этом направлении начались в 1965 году. К работам был привлечен ряд биологических и медицинских организаций. Предстояло выяснить, оказывают ли излучения мм-диапазона влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, животных, человека, в чем оно проявляется, каковы закономерности этого воздействия и одинаковы ли они для всех видов живых организмов. В «Истоке» были разработаны широкополосные установки на ЛОВ для облучения экспериментальных животных и для воздействия на суспензии микроорганизмов.

Первые исследования по воздействию излучения на животных проводились в «Истоке» (М. Б. Голант, Р. Л. Виленская) совместно с лабораторией Всесоюзного онкологического центра (Л. А. Севостьянова). Эксперименты показали, что воздействие на кожу животных в области бедра при определенной длине волны уменьшает поражение костно-мозгового кроветворения от последующего воздействия рентгеновского излучения, т. е. наблюдается так называемый протекторный эффект. Был получен также очень важный результат: при комбинированном воздействии рентгеновского облучения или химиотерапевтических препаратов с низкоинтенсивным мм-облучением лейкоциты периферической крови меньше погибали и быстрей восстанавливались.

При изучении воздействия мм-излучения на простейшие микроорганизмы были выявлены следующие общие закономерности: биологический эффект воздействия, как правило, строго зависит от длины волны излучения; ширина полосы, в которой наблюдается эффект, примерно равна 10^-3... 10^-4 средней частоты; биологический эффект зависит от времени облучения до определенного предела; зависимость биологического эффекта от мощности носит пороговый характер.

Были проведены многочисленные исследования на различных биологических структурах: микробах, бактериях, дрожжевых клетках, ферментах, клетках крови и др. Важнейшие результаты исследований следующие:

-- воздействие на кишечную палочку на определенной длине волны мм-диапазона изменяет синтез колицина в 2--2,5 раза (Л. 3. Смолянская, Р. А. Виленская);

-- воздействие мм-излучения на такие бактерии, как дифтерийная палочка и золотистый стафилококк, приводит к изменению их жизнедеятельности. С помощью этого воздействия можно добиться изменения патогенности этих бактерий (С. Е. Манойлов, Э. Б. Базанова, А. К. Брюхова);

-- подбирая соответствующую длину волны и режимы облучения микроорганизмов большей степени сложности (дрожжи, грибы), можно увеличивать или уменьшать их ферментативную активность, скорость роста, обменные процессы (Т. Б. Реброва, 3. Б. Базанова, А. К. Брюхова);

-- качество пивоваренных дрожжей удалось улучшить, активизировав процесс брожения и уменьшив выделение диацетила (М. Б. Голант, В. С. Исаева).

В совместных работах со Всесоюзным онкологическим центром были получены важные результаты по торможению роста опухоли у животных при определенных чередованиях мм-излучения с действием рентгеновского излучения и химиопрепаратов. Полученные экспериментальные данные позволили начать отработку клинических методик лечения некоторых онкологических заболеваний с помощью комбинации введения химиопрепаратов и воздействия мм-волн низких интенсивностей (Л. А. Севастьянова, М. Б. Голант, Т. Б. Реброва, Э. С. Зубенкова). Значительный объем работ по применению мм-волн в онкологии был выполнен в институте им. Герцена под руководством С. Д. Плетнева. Созданная методика лечения рака молочной железы с применением полихимиотерапии в сочетании с воздействием мм-излучения дала возможность провести полный курс лечения без Дополнительного применения цитостатиков, переливания лейкомассы и т. д.

Положительный результат был получен и у больных меланомой кожи. После хирургического удаления меланомы воздействие мм-излучения предупреждает развитие рецидивов и возникновение метастаз. Это может быть объяснено активизацией иммунной системы, которая в подобных случаях способствует усилению естественной противораковой защиты организма (С. Д. Плетнев). В результате большого цикла исследований к аналогичным выводам пришли одесские врачи В. Н. Запорожан и О. Р. Хаит. В одной из опубликованных ими работ сказано: «Полученные результаты позволяют сделать вывод об иммунорегуляторном влиянии мм-излучения в послеоперационном периоде у больных раком тела матки».

Широкое применение мм-излучения в медицине началось после разработки в «Истоке» специальных установок типа «Явь-1» (М. Б. Голант, Ю. В. Дедик) и их серийного выпуска. «Явь-1» (рис. 4) предназначена для лечения облучением нетепловой интенсивности на фиксированных частотах крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона. Природа действия КВЧ-излучения определяется тем, что клетки живого организма сами вырабатывают аналогичные КВЧ-сигналы для восстановления органических и функциональных нарушений или для приспособления к изменившимся условиям существования. Вследствие перенесенных заболеваний или в связи с возрастом выработка таких сигналов в организме нарушается или недопустимо замедляется, и их недостаток может быть восполнен использованием сигналов от внешнего источника. Установки «Явь-1» являются генераторами таких сигналов. В качестве источника энергии облучения используется ЛПД-генератор, излучение которого с помощью рупора направляется на поверхность тела больного. Длительность облучения 15... 60 мин, общее количество сеансов -- 10-20.

Рис. 4. «Явь-1» -- терапевтическая установка для облучения электромагнитной энергией КВЧ-диапазона нетепловой интенсивности

Установка выполнена в виде переносного единого блока, который может закрепляться на специальном штативе.

Теоретическое рассмотрение взаимодействия внешних КВЧ-сигналов с сигналами, вырабатываемыми клетками организма при различных состояниях жизнедеятельности, и большое количество экспериментальных работ для подтверждения физико-биологического механизма действия КВЧ-сигналов привели к дальнейшему совершенствованию КВЧ-терапевтической аппаратуры. Кроме непрерывных режимов воздействия КВЧ-излучением» были предложены так называемые «дробные режимы» облучения и разработаны соответствующие приборы (М. Б. Голант).

Для определения оптимальной длины волны облучения для конкретного больного был предложен метод КВЧ-диагностики (М. Б. Голант). В настоящее время заканчивается разработка комплекса аппаратуры для КВЧ-диагностики и специальной многочастотной аппаратуры для КВЧ-терапии.

Точного и общепринятого биофизического обоснования процессов, происходящих в живых организмах и приводящих к нормализации гомеостаза при воздействии на организм мм-излучения, пока еще нет. Есть несколько гипотез, высказанных рядом ученых. Здесь мы кратко приведем только одно из объяснений, опубликованное в различных статьях М. Б. Голанта.

При КВЧ-терапии на живые организмы воздействуют электромагнитными волнами, длины которых в открытом пространстве примерно равны миллиметру. В то же время, как показали многочисленные эксперименты, КВЧ-воздействия активно влияют на функционирование клеток, линейные размеры которых примерно равны 10 мкм, причем характер влияния зависит от мельчайших изменений формы клеток. Естественно, на характере влияния волн с длинами порядка миллиметра не могли бы существенно сказаться малые изменения форм, на несколько порядков меньших по размерам объектов воздействия (клеток). Следовательно, в организме электромагнитные волны преобразуются в значительно более короткие. Это так называемые акустоэлектрические волны, в которых имеет место периодическое преобразование энергии электрического поля в энергию упругих деформаций и наоборот. Длина этих волн приблизительно в миллион раз короче длин электромагнитных волн той же частоты в открытом пространстве.

Каким же образом осуществляется преобразование электромагнитных волн в свободном пространстве в акустоэлектрические волны в организме (в клеточных мембранах) и обратно? Такое преобразование происходит в ходе взаимодействия белковых молекул, имеющих частоты дипольных колебаний, равные частоте электрических колебаний в клеточных мембранах, с полем акустоэлектрических волн в мембранах.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что в результате такого взаимодействия на клеточных мембранах формируются периодические структуры, состоящие из конгломератов белковых молекул; причем расстояния между последовательно расположенными элементами образующихся на мембранах структур равняются длине акустоэлектрических волн в мембране.

Сформированные на мембранах белковые структуры обеспечивают генерацию клетками акустоэлектрических колебаний, которые управляют процессами восстановления формы и функционирования клеток, то есть приводят к восстановлению гомеостаза.

Таким образом, можно сказать, что лечебный эффект достигается благодаря восстановлению собственной системы организма, управляющей процессами восстановления и поддержания нормальной жизнедеятельности.

Метод КВЧ-терапии нашел широкое применение в практической медицине. Он используется для лечения язв желудка и 12-перстной кишки, трофических язв, травм мягких и костных тканей, стенокардии, гипертонии, анемии, пиелонефрита, пародонтоза и многих других болезней. Использование мм-излучения устраняет побочные следствия химио- и радиационной терапии в онкологии, снижает вероятность появления метастаз, "увеличивает сроки между рецидивами болезни, устраняет послехирургические осложнения. С целью быстрейшего внедрения КВЧ-терапии в практическое здравоохранение создана Медико-техническая ассоциация (генеральный директор О. В. Бецкий). При ассоциации работает хозрасчетный научно-методический центр по пропаганде метода КВЧ-терапии и обучению врачей работе с КВЧ-аппаратурой в условиях клиники. За последние три года прошли обучение более 300 врачей. На территории бывшего СССР создано около 100 лечебных центров КВЧ-терапии, в которых работают врачи, прошедшие обучение на курсах ассоциации.

В 1967 г. мы встретились с проф. Н. Н. Александровым, видным онкологом, директором научно-исследовательского института онкологии и медицинской радиологии в Минске. Обсуждался вопрос о применении гипертермии в онкологии.

Исследованиями ряда зарубежных (фон Ардене) и советских (Н. Н. Александров и др.) ученых было установлено, что перегрев (гипертермия) популяций злокачественных клеток резко увеличивает вероятность их гибели при воздействии лучевой и химиотерапии. Для нагрева больного применялся «водяной» метод. Больного помещали в специальную ванну и с помощью водоструйных устройств, размещенных над пациентом, обливали нагретой водой. Температура тела должна была повыситься до 42...43° С. Такая процедура продолжалась около 6 ч при общем наркозе больного. Голова охлаждалась специальным шлемом.

Мною было предложено осуществлять гипертермию при помощи электромагнитных полей сверхвысоких частот. При этом способе опухоль будет прогреваться во всем объеме без применения воды. Регулируя мощность СВЧ-генератора, можно нагревать опухоль до необходимых температур, причем при использовании специальных излучателей нагрев может быть произведен локально в области опухоли. Эффективность такого нагрева обусловлена тем, что тепловая энергия выделяется в самих тканях, а не подводится конвективно снаружи. Тем самым исключается перегрев кожного покрова и приповерхностных тканей, существенно осложняющий процедуру лечения.

Профессор Н. Н. Александров предложенный метод одобрил. Впервые СВЧ-нагрев при лечении онкологических заболеваний был применен им в 1968 г. с помощью аппаратуры, разработанной в «Истоке» коллективом сотрудников под руководством Э. А. Гельвича. Отличие гипертермического нагрева от физиотерапевтического (диатермия) состоит в том, что гипертермический нагрев опухолевой ткани должен быть локализован и проводиться при температуре не ниже 41,5... 42° С. При этом нагрев окружающих здоровых тканей не должен достигать температуры, близкой к температуре денатурации белка (45°С). Столь узкая зона температур в ограниченном объеме в тканях требует, с одной стороны, введения в гипертермические СВЧ- и ВЧ-установки системы автоматической обратной связи для поддержания температуры во времени, с другой, -- специальных конструкций излучателей электромагнитной энергии для объемной концентрации поля. Серьезной проблемой является также измерение абсолютного значения температуры тканей в условиях мощного электромагнитного излучения. Для лечения опухолей различной глубины залегания необходимо использовать различные частоты колебаний электромагнитного излучения: от 2450 МГц для поверхностных опухолей до 13,56 МГц для общего нагрева всего организма (генерализованные опухолевые процессы).

Первая специализированная установка, работавшая на частоте 2450 МГц и предназначенная для гипертермии опухолей кожи и подкожных новообразований, была создана в 1970 г. Она получила название «Яхта-2» (Э. А. Гельвич, И. Б. Давыдова, В. В. Кириллов, В. Н. Мазохин). Был разработан набор излучателей различных типоразмеров, позволивший подбирать оптимальные условия локального нагрева опухоли до гипертермической температуры без перегрева окружающих здоровых тканей. Существенной особенностью излучателей являлась жесткая поляризация излучаемого СВЧ-поля, позволившая обеспечить высокую абсолютную точность измерения температуры в электромагнитном поле большой напряженности. Были также созданы специальные термодатчики.

Для этой установки был разработан оригинальный магнетрон, способный работать по безвыпрямительной схеме питания (И. В. Соколов).

Первые же клинические испытания установок «Яхта-2», которые не имели к, тому времени аналогов в мировой технике и медицине, показали высокую эффективность метода локальной электромагнитной СВЧ-гипертермии. Одновременно был выявлен существенный недостаток установки: малая глубина прогрева, обусловленная высокой рабочей частотой установки (2450 МГц). Стало ясно, что для увеличения эффективности метода необходимы переход к более низким частотам для увеличения глубины гипертермического прогрева и поиск способов увеличения однородности нагрева по глубине.

В результате цикла теоретических и экспериментальных работ, включая эксперименты на животных и клинические исследования, были разработаны более длинноволновые установки: «Яхта-3», «Яхта-4», «Яхта-4М» и «Яхта-5».

«Яхта-3» -- гипертермическая установка, работающая на частоте 915 МГц (В. Н. Мазохин). Основным ее отличием, помимо диапазона частот, было применение принципиально нового типа контактных полосковых излучателей (Д. Н. Колмаков, Ю. С. Кудрявцев), обладающих существенно большим КПД передачи электромагнитной энергии в организм, значительно меньшей массой и, что особенно важно, обеспечивающих эффективное охлаждение кожного покрова нагреваемого участка тела. «Яхта-3» позволила существенно увеличить глубину гипертермического прогрева тканей, одновременно обеспечив более высокую его однородность. Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам установка завоевала широкое признание врачей и нашла применение в клиниках Москвы, Минска, Киева, Нижнего Новгорода, Кишинева, Ташкента, Барнаула, Баку и многих других городов.

Качественный скачок в разработках гипертермических установок был достигнут при создании установок «Яхта-4» и «Яхта.-4М» (В. Н. Мазохин) (рис. 5). Их рабочая частота -- 433,92 МГц -- предопределила возможность достижения глубокого прогрева.

Рис. 5. «Яхта-4» -- установка для гипертермического нагрева при лечении онкологических болезней

Принципиально новым решением в «Яхте-4» явилось создание гибких наружных излучателей различных типоразмеров (Д. Н. Колмаков, Ю. С. Кудрявцев). Экспериментальные и теоретические исследования еще раз подтвердили плодотворность применения в гипертермии полосковых излучателей. По характеристикам и удобству применения гибкие полосковые излучатели превосходят все известные типы излучателей для локальной гипертермии.

Клинические испытания «Яхты-4» подтвердили ее эффективность при гипертермии опухолей различной локализации, в том числе и внутренних органов. Стремление существенно повысить эффективность и удобство эксплуатации привело к созданию современной гипертермической установки «Яхта-4М», полностью управляемой персональной ЭВМ и оснащенной консультационной программой, позволяющей врачу выбрать гипертермический режим, приближенный к оптимальному. Кроме того, на табло ЭВМ врач может в любой момент получить истинную картину распределения температур в восемнадцати точках нагреваемого объема тканей и объективную картину распределения темпертур по глубине, что является одним из важнейших параметров гипертермической процедуры. Кроме установок для локальной гипертермии, была разработана установка для общей электромагнитной гипертермии тела «Яхта-5» с рабочей частотой электромагнитного поля 13,56 МГц (В. Н. Мазохин). Главная задача разработки состояла в том, чтобы найти эффективный излучатель, который обеспечивал бы высокий КПД передачи электромагнитной энергии в тело без создания точек, в которых нагрев достигал бы недопустимой величины, приводя к появлению сильных ожогов. Решению этой проблемы способствовал огромный объем работы, связанной не только с поиском оптимального типа и конструкции излучателя, но и с исследованием воздействия создаваемых им электромагнитных полей на функциональные параметры важнейших органов: сердца, спинного мозга, печени и др. Необходимо было установить, какая часть тела должна быть подвергнута воздействию электромагнитного поля, чтобы обеспечить подъем температуры во всем теле до требуемой температуры (40,5... 42° С) без нарушения нормального функционирования организма.

Был найден и создан оптимальный тип излучателя -- емкостный копланарный. Помещенный под спину больного, он обеспечивал параметры и режимы процедуры общей гипертермии (Д. Н. Колмаков). Для предупреждения перегрева кожи спины и слоя подкожного жира больной помещался на водяной матрас с проточной водой регулируемой температуры, под которым располагался копланарный излучатель. Охлаждение головы больного обеспечивалось типовой установкой «Холод», применяемой при гипотермических процедурах. Выходная мощность «Яхты-5» -- 800 Вт, питание обеспечивается ламповым генератором.

Помимо общего нагрева «Яхта-5» позволяет проводить дополнительный региональный нагрев в процессе общей гипертермии или независимо от него. Региональный нагрев производится на частоте 40,68 МГц с помощью оригинальных высокоэффективных индуктивных или емкостных контактных излучателей (Д. Н. Колмаков, Ю. С. Кудрявцев). Клиническая практика подтвердила значительное преимущество общего электромагнитного нагрева при генерализованных формах заболевания перед известными в мировой практике методами и лечебной аппаратурой для общей гипертермии.

В ходе клинических испытаний установок «Яхта-3» и «Яхта-4» была выявлена возможность, а затем разработаны и внедрены в клинику методики лечения неонкологических заболеваний: воспаления легких, пиелонефритов, доброкачественных заболеваний предстательной железы и ряда других. Начало этим работам было положено в НИИ медицинской радиологии (О. К. Курпешев, г. Обнинск). Существенно, что при лечении неонкологических заболеваний СВЧ-гипертермия становится основным терапевтическим средством, в то время как при лечении онкологических заболеваний она лишь усиливает действия радио- и химиотерапевтических средств и хирургического лечения. Это обстоятельство является особенно существенным, когда фармакологическое лечение вызывает аллергическую реакцию. Чрезвычайно широко распространены, например, так называемые «доброкачественные» заболевания предстательной железы: аденомы и простатиты, для лечения которых создается специализированная установка «Простатерм». В «Простатерме» будут предусмотрены ректальный и уретральный нагревы предстательной железы через соответствующие внутриполосные излучатели на частоте 433,9 МГц.

Предложенные в нашей стране 2- и 3-канальный методы внутрижелудочной рН-метрии (определения кислотности) дают возможность регистрировать динамику изменения рН сразу в двух или трех зонах желудка. При этом определяется взаимодействие между факторами агрессии и защиты, выявляются механизмы развития патологического процесса в органах верхнего отдела брюшной полости. Это, в свою очередь, позволяет выбрать оптимальный с точки зрения физиологии метод лечения, что приводит к ускорению процесса выздоровления и значительно повышает эффективность лечения.

Принцип действия зондов (первичных преобразователей) основан на преобразовании химического параметра среды (рН) в электрический сигнал постоянного тока с фиксацией полученных данных на специальных регистрирующих устройствах. В «Истоке» разработаны зонды двух типов.

Сурьмяно-каломелевый зонд (Н. Д. Девятков, С. А. Новоселец) представляет собой резиновую трубку диаметром 2... 5 мм, на дистальном конце которой в специальной керамической капсуле расположен каломелевый электрод сравнения. В качестве измерительных электродов используются сурьмяные кольца, расположенные от дистального конца на определенных расстояниях, обусловленных анатомическими особенностями желудка. Для взрослых и детей эти расстояния разные.

Второй тип зонда, разработанный в последние годы (Н. Д. Девятков, В. Н. Калюжный), отличается от первого тем, что состоит из рентгеноконтрастной полимерной трубки, на дистальном конце которой расположен хлорсеребряный электрод сравнения. В качестве измерительного электрода используется сурьмяное кольцо.

Для обработки информации, получаемой от рН-зондов, была создана аппаратура различной сложности: "Гастротест" -- стационарный микропроцессорный прибор; "Гастроскан" (рис. 6) -- стационарная компьютерная система на базе персональной ЭВМ (В. Н. Калюжный, Л. Е. Мишулин).

Рис. 6. «Гастроскан» -- стационарная компьютерная система для функциональной диагностики желудка

В некоторых случаях при лечении язвы желудка вместо резекции используется органосохранная операция (селективно-проксимальная ваготомия). Для ее аппаратурного оснащения были разработаны специальный интероперационный рН-зонд и прибор АГМИ-01 для индикации хода и результатов операции (С. А. Новоселец, А. Г. Самусев).

В 1968 г. на «Истоке» под руководством А. Г. Жукова были начаты разработки тепловизионной аппаратуры, предназначенной для медицинского применения.

Тепловизоры позволяют наблюдать распределение температуры на поверхности нагретого объекта, в частности тела человека. По рисунку температурного поля и распределению в нем температур можно диагностировать ряд заболеваний, в частности онкологических, артрологических, сосудистых и др. Инфракрасное излучение тела с температурой 36,6° С лежит в области длин волн 5... 20 мкм и производится только поверхностным слоем тела. Ранее считалось, что термограммы, получаемые с помощью тепловизора, позволяют судить о патологии только в тех тканях и органах, которые примыкают к поверхности тела. Однако позже было установлено, что рефлекторно, через нервную и кровеносную системы, поверхностные температурные поля косвенно связаны с патологией внутренних органов. Тепловидение стало источником достаточно обширной информации о состоянии здоровья пациентов.

Когда в «Истоке» начались работы в области тепловидения, в стране этими вопросами занимались только во Всесоюзном электротехническом (П. В. Тимофеев) и в Государственном оптическом (М. М. Мирошников) институтах. Поэтому можно сказать, что работы «Истока» в этой области были новаторскими, тем более, что здесь была создана первая в стране быстродействующая тепловизионная аппаратура и в дальнейшем разрабатывались только быстродействующие системы.

Первый тепловизор имел оригинальную по тем временам систему сканирования в виде единого механизма, обеспечивающего развертку по кадрам и строкам. Время кадра составляло 4 с, изображение воспроизводилось на ЭЛТ с послесвечением. Работа в клинических условиях выявила неудобство такой «медленной» системы. Были исследованы системы с более высокой частотой кадров. В конечном счете предпочтение было отдано системе, аналогичной шведскому тепловизору, в котором был использован принцип быстродействующего сканирования на вращающейся многогранной призме, работающей на пропускание. Эта конструкция на много лет вперед определила уровень техники в области тепловидения. О прямом копировании не могло быть и речи: фотоприемники, высокоскоростные электродвигатели и другие элементы, аналогичные шведским, у нас отсутствовали. Поэтому приходилось решать многие проблемы конструирования и технологии. Одной из наиболее сложных задач было создание промышленного образца фотоприемника (В. П. Бирюлин, В. И. Туринов). В конце 70-х годов был создан промышленный образец тепловизора ТВ-03 (БТВ-1) (рис. 7), освоенный в серийном производстве на заводе «Агат» в г. Кстове.

Рис. 7. Тепловизор ТВ-03

В 80-е годы совместно с медиками были созданы новые методики диагноза с применением тепловизоров. Тепловизоры ТВ-03 использовались в крупных клиниках и в небольших районных больницах. На регулярно проводившихся конференциях неоднократно отмечалось высокое качество изображения тепловых полей, а также простота и надежность тепловизоров ТВ-03. На этой модели впервые в мировой практике было осуществлено применение тепловидения в нейрохирургии. Работы по совершенствованию конструкции продолжались, были уменьшены габариты, существенно снижена масса, улучшены параметры. В результате была создана новая модель тепловизора БТВ-3, являющаяся тепловизионной системой в составе четырех модификаций: базовой (с приемником на л = 3 … 5 мкм), длинноволновой (с приемником на л=8... 12 мкм), компьютерной и двухдиапазонной (А. Г. Жуков, Е. В. Пластиков, М. М. Олевский, С. Н. Чумаков). Наиболее важное значение в медицинской практике имеет компьютерная модификация с соответствующим пакетом программ. Начат экспериментальный выпуск этой модели с поставкой в медицинские учреждения.

Разрабатывается малогабаритная тепловизионная система нового поколения с многоэлементным фотоприемником и повышенными параметрами. Эта система также должна работать совместно с ЭВМ.

Предполагается усовершенствование тепловизионных методик и создание новых, в том числе с использованием ЭВМ. В частности, предполагается осуществить подробный анализ полной картины температурного поля, создать модели типичных тепловых полей и установить связь отклонений от типичных полей с состоянием организма человека. лазер хирургия лечение онкологический

Проведенные в 70--80-х годах работы по использованию лазерного облучения в растениеводстве показали, что путем предпосевного облучения семян можно получить реальные прибавки урожая различных зерновых, овощных и технических культур.

На базе лазера ОКГ-12 была разработана лазерная аппаратура с длиной волны 0,63 мкм и выходной мощностью 20 мВт, для предпосевного облучения семян (Н. С. Макеева). Плотность мощности (десятые доли милливатта) контролировалась с помощью фотоэлектрического индикатора. На выходе лазера предусматривалась оптическая насадка для обеспечения необходимого размера пятна на облучаемой поверхности. Семена на поверхности располагались в один слой.

Исследования, проведенные совместно с ведущими сельскохозяйственными учреждениями: НИИ овощного хозяйства г. Мытищи Московской области, Алтайским сельхозинститутом, Алма-Атинскими совхозами «Пригородный» и «Спутник», Кишиневским сельхозинститутом, НИИ овощного хозяйства Украины, Кировским сельхозинститутом, -- показали, что предпосевное облучение оказывает стимулирующее действие на всхожесть и энергию прорастания, а также на структуру урожая. Более стабильные результаты были получены в защищенном грунте, где факторы внешней среды изменяются не столь существенно. Работы проводились на овощных культурах: огурцах, помидорах, моркови и др. В среднем предпосевное облучение семян повышает урожай на 8... 10%.

На основании многолетних опытов были разработаны и утверждены методические рекомендации по предпосевному лазерному облучению семян (М.: Изд-во ВАСХНИЛ, 1980).

Для зерновых и технических культур, таких, как ячмень, рожь, люцерна, кукуруза, подсолнечник, были выявлены оптимальные для увеличения урожайности режимы облучения, но, поскольку площади посева таких культур велики, а производительность стимуляционного облучения семян сравнительно низка, для них целесообразно применять лазерное облучение в режимах, при которых оно действует как мутагенный фактор.

В определенных режимах лазерное излучение с длинами волн 0,63; 0,33 и 0,44 мкм может вызвать изменения физиологических, биохимических и морфологических свойств растений. В связи с этим в большом объеме были проведены многолетние работы по нахождению полезных форм мутаций (Молдавия, Сельхозинститут, О. В. Бляндур; «Исток», Н. С. Макеева).

В результате у кукурузы появились новые ценные свойства: повысились устойчивость к заболеваниям и содержание белка, увеличилось число веточек на метелке и длина початков и т. п. Несколько сотен мутационных линий было передано селекционным учреждениям для получения перспективных гибридов с целью передачи их на госсортиспытания. Успешно прошли испытания гибриды кукурузы «Закарпатский 101М» (среднеранний, высокоурожайный -- 100 ц/га, болезнеустойчивый) и «Закарпатский 381MB»). Основные результаты работ отражены в монографии О. В. Бляндура, Н. Д. Девяткова, Н. С. Макеевой и др. «Лазерный луч и его возможности в селекционно-генетических исследованиях кукурузы» (Кишинев, «Штиница», 1987).

По ячменю работы по изучению мутагенного воздействия лазерного излучения на длине волны 0,63 мкм проводились в Кировском сельхозинституте (Г. П. Дудин, Н. С. Макеева). Были выявлены мутанты, представляющие ценность для селекционеров по признакам скороспелости, продуктивности, устойчивости к полеганию, повышенному содержанию белка. Образцы этих мутантов были переданы в коллекцию Всесоюзного института растениеводства им. Н. И. Вавилова и зарегистрированы там в основном каталоге.

В 80-х годах совместно с кафедрой птицеводства и болезней птиц Московской ветеринарной академии им. К. И. Скрябина проводились работы по облучению куриных яиц с целью повышения выводимости и выживаемости циплят (Н. С. Макеева, Б. Ф. Бессарабов). При подборе соответствующих режимов и доз облучения гелий-неоновым лазером вывод циплят повысился на 3,2--4% по сравнению с контролем. Кроме того, повысилась выживаемость цыплят, особенно в первые 2 недели после их выведения. Метод предынкубационного облучения яиц внедрен на Томилинском птицеводческом производственном объединении Московской области и рекомендован к широкому внедрению.

Использование достижений электронной промышленности в медицине и биологии неуклонно расширяется. Мы горды этой первопроходческой ролью, которую сыграл «Исток» в развитии сотрудничества между специалистами столь, казалось бы, далеких друг от друга областей науки. Нет сомнения, что их совместная работа будет и впредь неуклонно развиваться, принося новые впечатляющие достижения в борьбе за здоровье человека.

Размещено на Allbest.ru