Метод та апаратура для діагностики і лікування цереброваскулярної патології з використанням електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 «Біологічні та медичні прилади і системи» - Інститут Радіофізики та Електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, Харків, 2021. Вирішена актуальна науково-прикладна задача створення апаратного комплексу для діагностики, лікування і моніторингу ефективності лікування хворих на дисциркуляторну енцефалопатію за допомогою електромагнітного випромінювання КВЧ діапазону. Розроблено багатофункціональний цитобіофізичний (БЦБФ) метод, що дозволяє в рамках одного апаратного комплексу проводити індивідуальний підбір КВЧ-терапії, і визначати ефективність дії КВЧ-аутогемотерапії на всіх етапах лікування. Обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, сформульовані наукова проблема, мета і задачи дослідження, наукова новизна і практичне значення роботи. Показана можливість використання КВЧ-випромінювання міліметрового діапазону, як для проведення терапії, так і для визначення стану біооб'єктів. Розглянуто застосування сучасних апаратів і приладів для КВЧ-терапії і можливість отримання різних біологічних ефектів в клінічній практиці. Визначено універсальний характер дії КВЧ-терапії із застосуванням електромагнітних хвиль з довжинами електромагнітного випромінювання 7,1 мм і 5,6 мм на системи органів людини при досить широкому наборі патологічних процесів. Показана ефективність класичної КВЧ-терапії в лікуванні захворювань центральної та периферичної нервової системи. Описано застосування різних апаратів і приладів для КВЧ-діагностики широкого спектру захворювань. КВЧ-терапія продемонструвала полілечебний ефект міліметрових хвиль. Вона характеризується відсутністю несприятливих віддалених результатів і побічних ефектів. Крім того, забезпечує можливість ефективної профілактики та лікування важких захворювань. Встановлено, що метод КВЧ-терапії може бути успішно використаний для лікування цереброваскулярних захворювань. Розглянуто застосування різних методів і способів визначення індивідуальної чутливості до КВЧ-терапії на клітинному рівні. Показано, що в процесі і після дії ЕМ-випромінювання на організм людини потрібно моніторити фізіологічний стан організму. Клітини буккального (защічного) епітелію (БЕ), доступні для прижиттєвого цитологічного дослідження, можуть служити джерелом важливої діагностичної та прогностичної інформації про стан здоров'я, вплив факторів зовнішнього середовища і патології організму людини. Відповідно до цього контроль динаміки дії КВЧ-терапії і дослідження функціонального стану людини можна визначати по зміні електрокінетичних властивостей клітинних ядер методом внутрішньоклітинного мікроелектрофорезу клітин БЕ людини. Виявлено, що існуючі методи і апарати не дозволяють в рамках одного апаратного комплексу проводити індивідуальний підбір, лікування та моніторинг ефективності КВЧ-терапії на всіх етапах лікування. Розглядаються гіпотези про фізичну природу дії мікрохвиль і вплив ЕМВ КВЧ діапазону на біологічні об'єкти різного рівня організації: клітини, тканини, органи і системи органів людини. Зокрема, дія КВЧ-випромінювання на клітини крові збільшує здатність еритроцитів крові транспортувати кисень, призводить до зменшення показника агрегації, збільшення індексу деформації і резистентності мембран еритроцитів, зростання коагуляційного потенціалу крові, зміни здатності тромбоцитів до агрегації. Проведено математичне моделювання проникнення ЕМВ КВЧ діапазону в поглинаючу рідину, на основі двовимірних скалярних електродинамічних рівнянь для об'єктів циліндричної конфігурації, що дозволяє знаходити розподіл електромагнітного поля в пристроях, які використовуються для проведення КВЧ-діагностики і КВЧ-терапії цереброваскулярних захворювань. Представлено опис методу КВЧ-аутогемотерапії в лікуванні цереброваскулярних захворювань. Метод являє собою синтез двох методів: КВЧ-терапії і аутогемотерапії. Переваги методу КВЧ-аутогемотерапії полягає в мінімізації контактів дози крові, забраної у хворого, з зовнішнім середовищем, в цьому випадку зберігається висока ймовірність стерильності. Вплив міліметрового випромінювання на кровоносну систему в комплексному лікуванні цереброваскулярної патології прискорює процеси загоєння пошкоджених тканин, сприяє стимуляції імунної системи та детоксикації організму. Запропоновано підхід до оцінки фізіологічного стану людини методом внутрішньоклітинного електрофорезу ядер клітин буккального епітелію. Описано біофізичні основи методу внутрішньоклітинного мікроелектрофорезу. В якості базового методу для розробки БЦБФ методу було використано метод кількісної оцінки електронегативності ядер клітин буккального епітелію людини. Показано перевагу БЦБФ методу в порівнянні з існуючими методами і способами оцінки індивідуальної чутливості до КВЧ-терапії на клітинному рівні. Вказана можливість швидко (час проведення дослідження 20 - 30 хв.) проводити моніторинг ефективності КВЧ-терапії, для своєчасної корекції на всіх етапах лікування. Аналіз існуючих апаратів і приладів показав відсутність апаратних комплексів, що дозволяють визначати індивідуальну чутливість до КВЧ-терапії на клітинному рівні, а також проводити лікування методом КВЧ-аутогемотерапії і при цьому здійснювати моніторинг ефективності терапії на всіх етапах лікування цереброваскулярної патології. Розроблено апаратний комплекс для діагностики, лікування і визначення ефективності КВЧ-терапії і описана його структура. Запропоновано модифіковану конструкцію резонатора, що дозволяє опромінювати клітини БЕ у водному середовищі. Проведено електродинамічне моделювання розподілу електромагнітного поля ЕМВ КВЧ діапазону в циліндричному резонаторі з великими і малими дозами поглинаючої рідини, за результатами моделювання виявлено, що ЕМП ефективно проникає в біологічну рідину. Для підвищення точності і зменшення часу дослідження запропонована вдосконалена конструкція камери для мікроелектрофорезу. Описано алгоритм роботи апаратного комплексу для діагностики, лікування і контролю ефективності лікування КВЧ-терапією. В якості основних методів розглядається метод КВЧ-аутогемотерапії для проведення лікування і БЦБФ метод для визначення фізіологічного стану організму пацієнтів, визначення індивідуальної чутливості до КВЧ-терапії, а також моніторингу процесу лікування. Представлені результати застосування апаратного комплексу з використанням БЦБФ метода для діагностики, лікування і контролю ефективності лікування методом КВЧ-аутогемотерапії хворих на дисциркуляторну енцефалопатію. Для дослідження зв'язку між параметрами БЦБФ методу, що характеризують результат «здоровий», проведено апробацію пристрою для опромінення клітин БЕ умовно здорових донорів. Критерієм відбору служило відсутність у донорів хронічних і гострих захворювань, зокрема цереброваскулярної патології. У результаті дослідження встановлено, що параметри клітин БЕ здорових донорів рівні в межах похибки, тобто вплив опромінення міліметрового діапазону практично не впливає на клітини БЕ здорових донорів. Проведені експериментальні дослідження показали можливість діагностики патологічних станів організму при цереброваскулярних захворюваннях шляхом реєстрації зміни функціональної активності клітин БЕ. Основним об'єктом дослідження був клітинний матеріал 127 хворих на дисциркуляторну енцефалопатію (ДЕ) I II ступеня і гостре порушення мозкового кровообігу до та після лікування в період 2011-2019 рр. Всі обстежувані особи перебували на стаціонарному лікуванні у КНП «МКЛ № 7» ХМР, м. Харків. Досліджено можливість застосування БЦБФ методу для визначення реакції клітин БЕ хворих на цереброваскулярну патологію in vitro на дію КВЧ-випромінювання з двома довжинами хвиль λ = 7,1 мм і λ = 5,6 мм. Експериментальні дослідження показали, що за характером і величиною відгуку клітин БЕ загальне число хворих розділилося на чотири групи з характерними для кожної групи особливостями зміни величини і спрямованості показників. Проведено порівняння реакції клітин БЕ на ЕМВ КВЧ діапазону (λ = 7,1 мм та λ = 5,6 мм), фіксується ідентична реакція клітин хворих. Відповідно отриманим результатам сформульовано підхід до діагностики індивідуальної чутливості до КВЧ-терапії. Підтверджено ефективність БФЦБ методу у визначенні чутливості хворого до КВЧ-терапії. Встановлено, що при впливі КВЧ-випромінювання присутній ефект зміни значень електоронегативності клітин БЕ хворих на дисциркуляторну енцефалопатію. Проведено моделювання in vitro дії КВЧ-аутогемотерапії на клітинах БЕ людини, показана ефективність даного методу лікування. Проведено аналіз повторних вимірювань показників клітин БЕ у хворих які отримували КВЧ-аутогемотерапію в динаміці до та після лікування. Дані, отримані за допомогою БЦБФ методу, корелюють з клінічними дослідженнями: за суб'єктивними критеріями спостерігалося клінічне поліпшення стану хворих: в почутті «підйому сил», «просвітлення» в голові, зниження рівня та тривалості головного болю, стомлюваності. Крім цього, спостерігалося поліпшення неврологічного стану: зменшення лицьової асиметрії, вестибуло-атактичного синдрому, поліпшення емоційного стану. Зниження вираженості неврологічних симптомів за шкалою Total Symptoms Score (TSS) становило 78 % в основній групі та 65 % в контрольній від начальних показників. Показано, що можливо ефективно визначати індивідуальну чутливість пацієнтів до КВЧ-терапії, проводити процедуру КВЧ-аутогемотерапії, а також здійснювати контроль ефективності лікування цереброваскулярних захворювань в рамках одного апаратного комплексу.Dissertation for the degree of candidate of technical sciences in the specialty 05.11.17 "Biological and medical devices and systems" - O.Ya. Usikov Institute of Radiophysics and Electronics National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2021. The urgent scientific and applied problem of creating a hardware complex for diagnostics, treatment and monitoring of the effectiveness of treatment of patients with discirculatory encephalopathy using electromagnetic radiation of the EHF range has been solved. A multifunctional cytobiophysical (MCBPh) method has been developed that allows, within the framework of one hardware complex, to carry out an individual selection of EHF-therapy, and to determine the effectiveness of the EHF-autohemotherapy action at all stages of treatment. The urgency is substantiated, the scientific problem, the goal and objectives of the research, scientific novelty and practical significance of the work are formulated. The possibility of using EHF radiation of the millimeter range is shown, both for therapy and for determining the state of biological objects. The practical directions of application of modern devices and devices for EHF therapy and the possibility of obtaining various biological effects in clinical practice are considered. The universal nature of the action of EHF-therapy with the use of electromagnetic waves with the lengths of electromagnetic radiation of 7.1 mm and 5.6 mm on the systems of human organs with a fairly wide range of pathological processes has been determined. The efficiency of application of classical EHF-therapy in the treatment of diseases of the central and peripheral nervous system is shown. The application of various devices and devices for EHF-diagnostics of a wide range of diseases is described. It is shown that EHF-therapy has demonstrated the polytherapeutic effect of millimeter waves. It is characterized by the absence of adverse long-term results and side effects. In addition, it provides the possibility of effective prevention and treatment of severe and complex diseases. It has been established that the EHF-therapy method can be successfully used for the treatment of cerebrovascular diseases. The application of various methods and methods for determining individual sensitivity to EHF-therapy at the cellular level is considered. It is shown that during and after the action of EM radiation on the human body, monitoring of the physiological state of the body is required. It has been shown that buccal epithelium (BE) cells, available for intravital cytological examination, can serve as a source of important diagnostic and prognostic information about the state of health, the influence of environmental factors and pathology on the human body. In accordance with this, the control of the dynamics of the EHF-therapy action and the study of the functional state of a person can be determined by the change in the electrokinetic properties of cell nuclei by the method of intracellular microelectrophoresis of human BE cells. It was revealed that the existing methods and devices do not allow, within the framework of one hardware complex, to carry out an individual selection of EHF-therapy, treatment and monitoring of the effectiveness of EHF-therapy at all stages of treatment. Thus, there is no comprehensive approach to diagnosis, treatment with EHF-therapy and control of the effectiveness of treatment of cerebrovascular pathology, both medicamental and physiotherapeutic methods. The research framework has been determined: hypotheses about the physical nature of the biological action of microwaves, as well as the influence of EHF EMR on biological objects of different levels of organization: cells, tissues, organs and systems of human organs are considered. In particular, the effect of EHF radiation on blood cells increases the ability of blood erythrocytes to transport oxygen, leads to a decrease in the aggregation index, an increase in the deformation index and resistance of erythrocyte membranes, an increase in the coagulation potential of blood, and a change in the ability of platelets to aggregate. A mathematical model of millimeter-wave electromagnetic fields penetration into the absorbing fluid has been developed, based on two-dimensional scalar electrodynamic equations for objects of cylindrical configuration, which allows to find the distribution of electromagnetic field in devices used for EHF diagnostics and EHF therapy of cerebrovascular diseases. The description of the EHF-autohemotherapy method in the treatment of cerebrovascular diseases is presented. The method is a fusion of two techniques: EHF-therapy and autohemotherapy. The advantages of the EHF-autohemotherapy method is to minimize the contacts of the blood dose taken from the patient with the external environment, in this case, a high probability of sterility. The effect of millimeter radiation on the circulatory system in the complex treatment of cerebrovascular pathology accelerates the healing process of damaged tissues, stimulates the immune system and detoxifies the body. An approach to assessing the physiological state of a person by intracellular electrophoresis of buccal epithelial cell nuclei is proposed. The biophysical foundations of the method of intracellular microelectrophoresis are described. Electrophoretic mobility of cell nuclei is the migration of human BE cell nuclei in an electric field. It has been shown that the electric potential plays an important role in the transport of substances between the nucleus and the cytoplasm, and its maintenance at a certain level is necessary for the normal functioning of the cell and the organism as a whole. The method of quantitative assessment of the electronegativity of the nuclei of human buccal epithelium cells was taken as the basic method for determining the physiological state of the patient's body for the development of the MCBP method. The technique of microelectrophoresis of cell nuclei and determination of the electronegativity of the nuclei of BE cells to determine the basic parameters of the MCBPh technique is presented. The advantage of the MCBPh method in comparison with the existing methods and methods for assessing individual sensitivity to EHF-therapy at the cellular level is shown. Possibility is indicated to quickly (the time of the study is 15 - 20 minutes) to monitor the effectiveness of any type of therapy, including EHF-therapy for timely correction at all stages of treatment. The analysis of existing devices showed the absence of hardware complexes that allow to determine individual sensitivity to EHF-therapy at the cellular level, as well as to carry out treatment by the method of EHF-autohemotherapy and at the same time to monitor the effectiveness of therapy at all stages of treatment of cerebrovascular pathology. The structure of the hardware complex for diagnostics, treatment and control of the effectiveness of treatment with EHF-therapy is described. The distribution of the field in the device for irradiation of human biological fluids was investigated. A modified design of the resonator is proposed, which makes it possible to irradiate BE cells in an aqueous medium. To increase the accuracy and reduce the research time, an improved design of the microelectrophoresis chamber is proposed. The work of the hardware complex for diagnostics, treatment and control of the effectiveness of treatment with EHF-therapy is described. The method of EHF-autohemotherapy for treatment and MCBPh method for determining the physiological state of the patient's body, determining individual sensitivity to EHF-therapy, and monitoring the treatment process are considered as the main methods. The results of the use of the hardware complex using the MCBPh technique for diagnostics, treatment and control of the effectiveness of treatment by the method of EHF-autohemotherapy of patients with discirculatory encephalopathy are presented. To study the relationship between the parameters of the MCBP method, characterizing the result "healthy", the device for irradiation of BE cells of conventionally healthy donors was tested. The selection criterion was the absence of chronic and acute diseases in donors, in particular, cerebrovascular pathology. As a result of the study, it was found that the parameters of BE cells from healthy donors are equal within the error, i.e., the effect of mm irradiation has practically no effect on BE cells from healthy donors. Experimental studies have shown the possibility of diagnosing pathological conditions of the body in cerebrovascular diseases by recording changes in the functional activity of BE cells. The main object of the study was the cellular material of 127 patients with dyscirculatory encephalopathy (DE) I II degree and acute cerebrovascular accident before and after treatment in the period 2011-2019. All examined persons were inpatient treatment in KNP «MKL № 7» KHMR, Kharkiv. The possibility of using the MCBPh method for determining the response of EB cells of patients with cerebrovascular pathology in vitro to the action of EHF radiation with two wavelengths λ = 7.1 mm and λ = 5.6 mm was investigated. Experimental studies have shown that, according to the nature and magnitude of the response of BE cells, the total number of patients was divided into four groups with characteristics of the change in the magnitude and direction of indicators characteristic of each group. The comparison of the response of BE cells to the used radiation of the EHF range is carried out. In this case, an identical reaction of patients is recorded at the frequencies used. In accordance with the results obtained, an approach was formulated for the diagnosis of individual sensitivity to EHF-therapy. The effectiveness of the MFC method in determining the patient's sensitivity to EHF-therapy has been confirmed. The identical responses of BE cells to blood irradiation by the method of EHF-autohemotherapy and the direct effect of this radiation on BE cells are recorded. It was found that under the influence of EHF radiation there is an effect of changing the values of electronegativity of BE cells in patients with discirculatory encephalopathy. The in vitro modeling of the action of EHF-autohemotherapy on human BE cells was carried out; the effectiveness of this treatment method was shown. The research results show that the MCBPh method can be used with high efficiency to determine the state of the patient with DE and the productivity of the conducted EHF-therapy. The analysis of repeated measurements of BE cells in patients who received EHF-autohemotherapy as monotherapy in dynamics before and after treatment was carried out. An analysis of repeated measurements of BE cells in patients receiving EHF autohemotherapy in the dynamics before and after treatment. The data obtained using the BCBF method correlate with clinical studies: according to subjective criteria, there was a clinical improvement in the condition of patients: a feeling of "lifting strength", "enlightenment" in the head, reducing the level and duration of headache, fatigue. In addition, there was an improvement in neurological status: reduction of facial asymmetry, vestibulo-atactic syndrome, improvement of emotional state. Reduction in the severity of neurological symptoms on the Total Symptoms Score (TSS) scale was 78% in the main group and 65% in the control from baseline. The effectiveness of using the MCBPh method for determining individual sensitivity to EHF-therapy, assessing the dynamics of the course of the disease and the effectiveness of therapy in patients with DE was experimentally confirmed.