Многопрограммный медицинский прибор для светового воздействия на зрительный анализатор человека

Лаврентьев Борис Федорович кандидат технических наук профессор, ФГБОУ ВПО "Поволжский государственный технологический университет" 424000, Россия, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 Lavrent'ev Boris Fedorovich PhD in Technical Science Professor, Volga State University of Technology 424000, Russia, Marii El, g. Ioshkar-Ola, pl. Lenina, 3 Lavrentevbf@marstu.net Другие публикации этого автора

Работа финансируется по программе УМНИК 2015 - 2016 

Данная работа посвящена созданию простого многофункционального прибора для научных медицинских центров с целью проведения клинических исследований при лечении различных заболеваний человека с использованием элементов светового воздействия на зрительный анализатор человека.

Основными задачами роботыявляются: информационный поиск по теме, проектирование прибора в соответствии с техническим заданием, разработка технической документации, изготовление и настройка опытного образца прибора и передача его в медицинский центр для клинических исследований. Кроме того, важнейшей задачей проекта является разработка программного обеспечения для прибора и согласование его со специалистами – медиками.
 В приборе заложены широкие функциональные возможности воздействия на организм человека через зрение световыми сигналами различной цветностью, частотной модуляции, яркости,формы, скорости движения с возможностью оперативного изменения их параметров во время проведения одного сеанса.
 За основу предлагаемого прибора взята приставка «Амблио-1» к аппарату «Амо-Атос », в которой телескопическая труба заменена сферическим экраном. Внутри сферического экрана расположен диск с источниками световых стимулов. При работе световые сигналы вращаются с заданной частотой вокруг оптической оси или перемещаются по радиусам. Функциональных возможностей прибора значительно возрастают за счет модуляции светового потока сигналами низкой частоты и введения элементов цветотерапии, которые позволят с одной стороны обеспечивают цветотерапию, а с другой стороны оказывают психо-эмоциональное воздействие на состояние человека ^[9].
 Работы по созданию предлагаемого прибора ведутся в Поволжском государственном технологическом университете 2014 года в рамках программы «УМНИК» при активной консультации со стороны специалистов медицинских центров. Известно, что существует ряд теорий цветоощущения, но наибольшим признанием пользуется трехкомпонентная теория цветоощущения. Согласно этой теории, в сетчатке существуют три разных типа цветовоспринимающих фоторецепторов - колбочек. В колбочках находятся различные светочувствительные вещества, причем, одни колбочки содержат вещество, чувствительное к красному, другие - к зеленому, третьи - к фиолетовому. Всякий цвет оказывает воздействие на все три цветоощущающих элемента, но в разной степени.^{[7, 9, 21]}.

Целебные свойства цвета обусловлены влиянием магнитных волн светового диапазона. Цветовая энергия оказывает положительное воздействие на работу клеток человеческого организма и на организм человека в целом. Она способствует улучшению клеточного питания и увеличению количества эритроцитов. Метод цветотерапии эффективен при лечении люмбаго, болезней желудка, ревматизма, глазных болезней и ряда других заболеваний ^[17]
 Функциональные возможности создаваемого прибора могут значительно возрасти, если ввести операцию модуляции светового потока сигналами заданно частоты. Известно, что частота 5 Гц улучшает качество сна, частота 10 Гц снижает стрессовые ситуации, частота 7 Гц способствует ускоренному обучению, частота 15-18 Гц улучшает умственные функции человека., частота 2 Гц увеличивает потребление глюкозы т.д. Модуляционный световой может благоприятно воздействовать на многие органы человека, в том числе и на зрение.^{[4, 5]}

На основе анализа известных медицинских приборов ^{[1, 2,11 – 20]} и собственного опыта по разработке приборов медицинского назначения в 2015 году в Поволжском государственном технологическом университете (ПГТУ ) разработан и изготовлен опытный экземпляр прибора для светового воздействия на зрительный анализатор человека «Лучик-5» ^{[6,7, 8, 9, 10]}.

Созданный прибор имеет более высокие функциональных возможностей и лучшие эксплуатационных характеристики по сравнению с прибором «Амблио-1. Указанный технический результат достигнут тем, что в приборе вместо двух режимов движения световых сигналов используются восемь режимов работы, включая движение световых сигналов по окружности влево и вправо, по радиусам, влево и вправо от центра, вверх и вниз от центра и т.д. Движение возможно с различной скоростью, яркостью и длительностью каждого режима. Возможна также модуляция светового потока сигналами различной формы и изменение цвета световых сигналов. В одном сеансе можно задать любое количество режимов от одного до восьми со своими параметрами с помощью органов управления, расположенных на передней панели прибора. Кроме того, введены элементы цветотерапии за счет использования полноцветных светодиодов и введена модуляция светового потока частотой, которая может задаваться потенциометром, расположенным на передней панели прибора.
 Структурная схема прибора приведена на рис. 1.

Рисунок 1 - Структурная схема прибора

Основные технические характеристики прибора

- количество режимов работы ……………………………………. 8 (64 )

- формы световых мельканий ……………………………………………. 8

- время одного цикла, сек ………………………….0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0

- количество циклов в одном сеансе …………………… 12; 32; 64; 128

- в одном сеансе могут быть использованы все восемь режимов или только часть из них путём набора соответствующих кнопок на передней панели прибора «Режим работы».

- количество цветов…………………………………………. …………. 7

- цвета.………………… красный, зеленый, синий, белый, меняющийся

- частота модуляции светового сигнала, Гц……………………… 0 – 20

- изменение яркости ……………………………………………... 0 - макс

- питание, в ……………………………………………………………12

- потребляемая мощность, Вт ……………………………….не более 15

Прибор работает следующим образом: на пульте управления задается программа работы устройства, состоящая из заданного количества режимов работы, продолжительности каждого режима, а также скорости и формы движения световых сигналов, количество циклов в каждом режиме, вида и формы, цветности и частоты модуляции свечения светодиодов. В соответствии с программой программное устройство устанавливает коэффициент пересчета делителя частоты, устанавливает начальный адрес счетчика адреса светодиодов, частоту модуляции, форму световых сигналов, программу цветности световых сигналов. При нажатии кнопки «Пуск» срабатывает схема запуска и начинается выполнение заданной программы, записанной в программном устройстве. Ток с выходов формирователя сигналов светодиодов, поступает на аноды полноцветных светодиодов, расположенных на диске со светодиодами, три катода каждого светодиода диска со светодиодами подключаются к соответствующим выходам формирователя сигналов цветовой подсветки, формируя заданную программой цветность, форму и частоту светостимулирующих сигналов.

Таким образом функциональные возможности предлагаемого устройства возрастают, так как появляется возможность,кроме более эффективного воздействия на зрительный анализатор человека, введение элементов цветотерапии и психо-эмоционального воздействие на человека, например, снятие стресса, улучшение качества сна, повышение творческих возможностей, более эффективное обучение с использованием аудиоаппаратуры. Эффективность использования светового воздействия на тот или иной орган человека с целью его лечения, определяется тем, что электромагнитное излучение видимого оптического диапазона являются неотъемлемым компонентом среды обитания человека. Многочисленные исследования показали, что световое излучение разного спектра регулирует углеводный, белковый, жировой, водно-солевой и минеральный обмены веществ, клеточный метаболизм, сложные адаптационные процессы ^[21].

Конструкция прибора включает в себя блок управления и сферический экран, который подключается к блоку управления с помощью кабеля. Прибор имеет прямоугольную форму, на передней панели которой размещаются органы управления и индикации. С помощью органов управления, расположенных на панели управления, можно задать режим работы прибора и контролировать его работу. На рисунке 2 приведена передняя панель блока управления с органами управления.С помощью пульта управления в зависимости от назначения врача задается программа сеанса. Программное устройство в соответствии с заданными параметрами сеанса лечения формирует адреса светодиодов, количество режимов работы, время одного цикла, количество циклов в одном сеансе, цвета, яркость световых стимулов, частоту модуляции. Формирователь адреса светодиодов устанавливает начальный адрес светодиодов и затем текущие адреса в соответствии с заданными параметрами движения световых сигналов, схема управления цветностью управляет цветностью световых сигналов. Усилитель мощности формирует сигналы необходимого уровня для свечения светодиодов. Светоизлучающий экран прибора имеет сферическую форму.

Конструкция прибора включает в себя блок управления и сферический экран, который подключается к блоку управления с помощью кабеля. Прибор имеет прямоугольную форму, на передней панели которой размещаются органы управления и индикации. С помощью органов управления, расположенных на панели управления можно задать режим работы прибора и контролировать его работу.

В настоящее время разработана структурная схема прибора, выбрана элементная база, разработаны электрические принципиальные схемы прибора, проведена трассировка печатных плат, изготовлены модули, разработана конструкция прибора, изготовлен и настроен опытный образец прибора, который планируется передать в 2016 году в Республиканский медицинский центр республики Марий Эл для проведения клинических испытаний с целью его применения в лечебных целях. В качестве элементной базы прибора выбраны микросхемы серий К 176 и К 561, которые относятся к КМОП структурам и отличаются минимальной потребляемой мощностью и высокой надежностью ^{[6 - 8]}

Питание прибора производится с адаптера, включаемого в сеть ≈220В.
 С адаптера напряжение 9 В поступает в блок управления. Светоизлучающий экран устанавливается на подставке, которая крепится к столу и может менять расстояние по вертикали.          Вся аппаратура окрашена в черный цвет и выполнена с использованием современного дизайна.

На технические решения, заложенные в прибор, получено четыре патента РФ [3 – 5 ].

В результате выполнения настоящей работы появляется возможность использовать одно и тоже устройство для многих целей. Применение в устройстве полноцветных светодиодов позволяет получить большое количество цветовых оттенков. Созданные макеты устройства планируется передать в республиканские центры глазных болезней города Йошкар-Олы, Чебоксар и Москвы для испытаний и разработке инструкций по его применению и рекомендаций по его модернизации.