В.1. Становление медицинской электроники в России

Становление медицинской электроники в России относится ко второй половине 20-го столетия. В начале 50-х годов Правительство СССР создает при ведущих в стране научно-исследовательских институтах (НИИ) радиотехники группы ученых радиофизиков и радиоинженеров для создания приборов для диагностики заболеваний и лечения. В этих приборах использовались токи низкой, высокой и сверхвысокой частоты. По инициативе академика РАН Девяткова Н.Д. в НИИ «Исток» создается направление, получившее в начале 60-х годов название «медицинская электроника». «Суть этого направления заключается в рассмотрении возможности применения в медицине новейших электронных приборов, генерирующих электромагнитные когерентные колебания в различных диапазонах спектра; создании на основе таких приборов терапевтической, хирургической и диагностической аппаратуры, а также разработка медицинских приборов, в которых используется специальная технология электронной промышленности» (см. [1]).

С конца 50-х годов создаются преобразователи химических, биохимических процессов в электрический сигнал, позволяющие анализировать процессы в организме человека. Так были созданы группой ученых: Девятковым Н.Д., Батыгиным В.Н., Линаром Е.Ю., Макеевой Н.С., Новоселец С.А., – зонды для измерения рН, преобразующие параметры среды в электрический ток с регистрацией этого тока с помощью стрелочных приборов, самописцев и, в последнее время, компьютеров.

Электромагнитные колебания частотой около 500 кГц нашли применение в зондах для коагуляции варикозных вен нижних конечностей. Этот электрохирургический инструмент был предложен в СССР в 1965 году врачом С.Р. Лампером. В конце 60-х годов зонды были усовершенствованы группой ученых под руководством С.А. Новоселец. Зонд представляет собой коаксиальный кабель, в нижнем конце которого имеется изолированная головка с кольцевой щелью, вводимая в больную вену. Другой конец коаксиального кабеля подключается к генератору. Увеличением выходного напряжения генератора создаются высокочастотные разряды в щели кольцевой головки, разогревающие внутреннюю слизистую оболочку вены. Хирург постепенно вытаскивает зонд из вены, слегка поджимая пальцем вену к головке, в результате происходит коагуляция вены.

Создание в 40-е – 50-е годы высокочастотных электронно-вакуумных генерирующих и усилительных приборов для радиолокационных станций позволило их применять в УВЧ приборах для медицинских целей, в частности, для прогреваний. В таких приборах генераторы электромагнитных колебаний работают в диапазоне от десятков до сотен мегагерц (МГц).

В 60-е годы для радиоэлектронной техники, используемой в радиолокации, были впервые в мире в СССР созданы лампы обратной волны (ЛОВ). Эти электронно-вакуумные приборы позволили создать генераторы и усилители электромагнитных колебаний в диапазоне от 10 до 3000 ГГц, то есть перекрывающие весь миллиметровый диапазон длин электромагнитных волн. В ходе изучения влияния воздействия миллиметрового диапазона длин волн на биологические объекты было обнаружено их терапевтическое действие. Это действие вызвано тем, что биологические объекты в процессе эволюции не адаптированы к воздействию миллиметровых электромагнитных волн в широком спектре излучения Солнца из-за сильного поглощения этих волн кислородом и парами воды в атмосфере Земли [1, 2]. В 70-х годах первыми применили миллиметровое излучение в клинике Н.С. Черкасов и В.А. Незведский в Одесском медицинском институте и Морском госпитале. Они разработали методики лечения язвенных образований на глазах, а также язвы желудка и двенадцатиперстной кишки. В дальнейшем исследования были проведены в Московской больнице №6, на кафедре 2-го ММИ им. Н.И. Пирогова. К этому времени в НИИ «Исток» были разработаны и освоены в серийном производстве генераторные устройства типа «Явь» на длине волны 7,1 и 5,6 мм, которые в настоящее время используются во многих медицинских организациях для лечения различных заболеваний: онкологических, гастроэнтерологических, гинекологических, сердечнососудистых, урологических, стоматологических и др. Помимо аппаратов «Явь» в настоящее время применяются и более совершенные и удобные для работы в клиниках и домашних условиях аппараты, разработанные в Медико-технической ассоциации «КВЧ» – крайне высоких частот под руководством генерального директора ЗАО «Медико-техническая ассоциация КВЧ» (г. Москва) доктора физико-математических наук, профессора, зав. лаб. ИРЭ РАН О.В. Бецкого. В институте радиотехники и электроники РАН (Российской академии наук) совместно с научно-производственным объединением (НПО) «Форум» созданы лечебно-диагностические комплексы «Шарм», позволяющие определить физиологическое состояние внутренних органов человека, его отклонение от нормы и при помощи воздействия миллиметрового излучения на зоны биологически активных точек (БАТ) привести эти отклонения к норме.

Специалистам в области лечения злокачественных заболеваний хорошо известны методы перегрева (гипертермии) злокачественных образований с целью гибели клеток этих образований. Имеют место три зоны гипертермического нагрева: зона 38-40⁰С, при которой может усиливаться рост клеток опухоли; зона 40-42⁰С, когда наблюдается сенсибилизация [<лат. sensibilis – чувствительный; биол., мед. повышение чувствительности организмов, их клеток и тканей к воздействию какого-либо вещества] опухолевых клеток к радиационным и химическим воздействиям; и зона выше 43⁰С – зона термического уничтожения злокачественных клеток [3]. До 60-х годов в клинических процедурах применялся метод нагрева до 41-42⁰С всего тела человека от наружного теплоносителя; наилучшим из теплоносителей оказалась вода. Однако такой способ нагрева вызывал перегрузку сердечнососудистой системы, что ограничивало применение метода – гипертермии. Во второй половине 60-х годов в НИИ «Исток» под руководством Э.А. Гельвича была создана аппаратура, которая с помощью СВЧ – электромагнитных колебаний разогревала опухоль, то есть осуществляла локальный нагрев. Уже в 1968 г. в Минском онкологическом институте под руководством Н.Н. Александрова начались первые экспериментальные работы на собаках с аппаратом, созданным в «Истоке».

Электромагнитная гипертермия потребовала создания совершенно нового класса установок – генераторов электромагнитных колебаний: нагрев опухоли в интервале времени 1-2 часа с точностью в пределах 0,05⁰С должен осуществляться при температуре денатурации белка [лат. denaturare - лишать природных свойств; биол., мед. – изменение естественных свойств белков при изменении физ. и хим. условий среды: температуры, давления и т.п., - проявляющееся в понижении растворимости белков, в повышении вязкости их растворов, нарушении ферментативных и некоторых других свойств].

Значительную роль в создании гипертермического аппарата играет разработка специализированных излучателей. Для СВЧ гипертермии на более высоких частотах разработаны рупорные излучатели, у которых отсутствуют в диаграмме направленности (ДН) боковые лепестки [ДН – зависимость мощности излучения электромагнитных волн (ЭМВ) в равноудалённых от фазового центра излучателя (антенны) точках пространства]. Отсутствие боковых лепестков исключает образование «горячих» пятен вне зоны нагрева. На более низких частотах СВЧ диапазона, антенны (аппликаторы) выполняется в виде полосковых излучателей.

В настоящее время методы электромагнитной гипертермии, впервые разработанные в СССР, широко применяются во многих странах мира. В России в НИИ «Исток» разработаны три типа гипертермических установок промышленного образца: «Яхта-3» (915 МГц), «Яхта-4М» (433 МГц) и «Яхта-5» (13,56 МГц). Разные частоты обеспечивают разогрев тканей на разных глубинах: чем ниже частота генерируемых электромагнитных колебаний, тем больше глубина их проникновения. Первые две установки предназначены для локальной гипертермии, последняя – для общей гипертермии.

При различных заболеваниях тепловое поле человека меняется в соответствии заболеванию. Эта информация не может быть воспринята врачом непосредственно, так как тепловое поле лежит в инфракрасной (ИК) части спектра электромагнитных волн. Для восприятия этой информации необходимо получить электронное изображение на полупроводниковой фоточувствительной к ИК излучению пластине. Затем, как и в обычном телевидении, получают видимое в цвете изображение температурного поля. Цвета соответствуют интенсивности ИК излучения отдельных участков органов человека или всего тела. Этот способ отображения информации получил название «тепловидение». В СССР в 60-е годы разработчиками тепловизоров были П.В. Тимофеев и В.И. Архангельский – Всесоюзный электротехнический институт; А.Г. Жуков – НИИ «Исток». Производство тепловизоров было поставлено на заводе в г. Кстов (Нижегородская обл.).

Значительный вклад в развитие тепловидения и его применение в медицине внес коллектив физиков и врачей в Ленинграде под руководством директора Оптического института чл.-корр. РАН М.М. Мирошникова [4]. Были составлены альбомы тепловизионных изображений тела человека при различных заболеваниях, проявляющихся на изменении картины теплового поля на поверхности тела. Фундаментальные исследования возможности применения тепловизионной экспресс-диагностики очаговой патологии нервной системы были проведены в 1978-79 гг. под руководством проф. Л.Б. Лихтермана в Горьковском НИИ травматологии и ортопедии [5]. Результаты исследований позволили рекомендовать данный метод для внедрения в широкую практику неврологических и нейрохирургических медицинских организаций.

Тепловизионная диагностика нашла применение для онкологических заболеваний (проф. С.Д. Плетнёв, НИИ онкологии им. П.А. Герцена).

Несколько раньше, чем тепловидение, в СССР получило направление рентгеновидение, суть которого также в получении изображения с помощью полупроводниковой пластины (мишени), чувствительной к рентгеновскому излучению. В 1925 г. А.А. Чернышовым (в дальнейшем академиком АН СССР) была выдвинута идея передающей телевизионной трубки с фотопроводящей мишенью на основе селена, использующей явление внутреннего фотоэффекта. На телевизионный передатчик с такой трубкой им был получен патент №5598. Однако, только в 50-х годах в НИИ «Исток» начали разрабатываться такие трубки, получившие название видиконов. Рентгеновидиконы классифицируются в зависимости от диаметра входного отверстия, через которое проходят рентгеновские лучи, и диапазона жёсткости излучения. Рентгеновидикон ЛИ-423 с большим рабочим полем, с большими токами видеосигнала, прямым преобразованием рентгеновского изображения в видимое изображение на экране монитора применяется в медицинской рентгенодиагностике. Для получения цветного рентгеновско-видимого изображения в «Истоке» разработано электронное устройство «Телеван». Это устройство позволяет получать изображение на экране обычного цветного телевизора. С помощью «Телевана» можно по желанию врача-рентгенолога выделять на общем фоне изображение наиболее интересных деталей, придавая им различную окраску.

Если 50-е годы можно отнести к зарождению квантовой электроники, то 60-е годы безусловно определяют её становление в различных областях и в том числе в медицине. Офтальмология стала первой по применению квантовых генераторов – лазеров. В 1965 г. советскими офтальмологами совместно с физиками-специалистами в области квантовой электроники был создан один из первых в мире лазерный импульсный офтальмокоагулятор на искусственном рубине ОК-1 (В.И. Рыбалко и др.) [6]. В основе биологического эффекта немодулированного лазерного излучения на ткани глаза лежит термический эффект при поглощении энергии излучения тканями глаза. В 1972 г. академиком АМН СССР М.М. Красновым в содружестве с НИИ «Плюс» (М.Ф. Стельмах и др.) был создан рубиновый лазер с модуляцией добротности «Ятаган-1» для лечения открытоугольной формы глаукомы путём импульсного воздействия на сосуды глаза. В результате укорочения длительности импульса в установке «Ятаган» до 10^-7с термическое воздействие лазерного излучения сведено к минимальному. В то же время механический разрушающий компонент воздействия стал преобладающим. Дальнейшие работы по применению лазеров в офтальмологии показали эффективность применения газовых аргоновых и гелий-неоновых лазеров для лечения ряда заболеваний глаз.

Широкое применение гелий-неоновые лазеры получили в физиотерапии. Установка лазерная физиотерапевтическая – УЛФ-01 была разработана Н.И. Степанищевой. Серийно выпускается на заводе электровакуумных приборов в г. Дятьково Брянской области. Применяется для лечения (в комплексе с др. методами) воспалительных заболеваний околочелюстных мягких тканей, хронических воспалений слюнных желёз и др. болезней.

Исследования воздействия излучения гелий-неонового лазера на живую ткань показали, что при малых дозах облучения, исключающих деструктивные изменения в тканях, когерентный монохроматический свет может действовать как биологический стимулятор. Это позволило применять лазерное излучение для воздействия на БАТ человека при лечении ряда неврогенных заболеваний.

Высокоэнергетические лазерные установки на основе активного вещества газа CO₂ (CO₂ - лазер), разработанные в «Истоке» в 1967 г. нашли применение в онкологии, ожоговой и гнойной хирургии при операциях желудочно-кишечного тракта. Эти лазерные установки оснащены удобным для хирурга зеркальным манипулятором с несколькими степенями свободы движения наконечника с оптической системой, дающей возможность фокусировать луч до диаметра 0,3 мм или расфокусировать его до большего диаметра. Мощность непрерывного излучения регулируется от 10 Вт до 100 Вт.

Созданные в «Истоке» лазеры на закиси углерода (CO^-) – CO-лазеры имеют мощность излучения 12 Вт и длину волны 5-6 мкм. Применение их в НИИ онкологии им. П.А. Герцена позволило выявить следующие преимущества: более глубокое проникновение луча в ткань, чем луч CO₂-лазера; происходит коагуляция рассекаемых сосудов большего диаметра; увеличивается скорость рассекания тканей.

Из краткого обзора становления медицинской электроники в России следует, что её развитие и внедрение в медицинские учреждения было обусловлено развитием технологий в радиоэлектронной промышленности. Новый этап развития электроники наступил на рубеже 20-го и 21-го веков – это нанотехнологии. Нанотехнологии главным образом ориентированы на решение проблем здравоохранения – продолжительности жизни человека.

B.2. Цели и задачи учебной дисциплины «Радиотехника»

Широкий спектр задач в разных областях радиоэлектроники, трудно систематизировать по технической реализации устройств и систем для изучения их фундаментальных основ. Наиболее целесообразным является классификация по частотному диапазону: приборы и устройства постоянного тока, низкочастотные приборы и установки, высокочастотные и сверхвысокочастотные приборы (установки и каналы передачи информации). Переход от одного частотного диапазона к другому связан с изменением элементной базы и, следовательно, физических процессов, наиболее проявляющихся в данном диапазоне длин волн. Функционально радиоэлектронные устройства и системы различного назначения, решают главную задачу – передача информации от объекта к анализатору. Информация об объекте получается, как правило, в процессе преобразования неэлектрической физической величины в электрическую с помощью различных датчиков (устройств) преобразования (например, в телевидении – оптоэлектронных преобразователей).

Так как информация об объекте отражена в параметрах электрического сигнала, то в процессе всех преобразований сигнала в электронных устройствах эти параметры должны быть пропорциональными интенсивности воздействия объекта на устройство преобразования неэлектрической физической величины в электрическую. Такие электронные устройства и системы являются линейными.

Для анализа линейных систем применяется спектральный метод. В соответствии с ним создана контрольно-измерительная аппаратура для настройки электронных устройств и систем. В связи с этим студентам необходимо изучить основы спектрального анализа и овладеть на практике методикой настройки аппаратуры с целью неискажённой передачи основной части спектра сигнала.

Радиоэлектронные устройства и системы любого назначения состоят из пассивных и активных цепей. Пассивные цепи могут состоять из дифференцирующих, интегрирующих и разделительных по постоянному и переменному току цепей, из фильтров и резонансных цепей. В эти цепи входят пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, разделительные и согласующие трансформаторы, переключатели и др.

К активным цепям относятся цепи, преобразующие сигнал по мощности, частоте и форме. К ним относятся генераторы электромагнитных колебаний, усилители, смесители, детекторы, оптоэлектронные преобразователи и др.

Для того, чтобы подготовить студентов к схемотехническому анализу радиоэлектронных устройств и систем, необходимо изучение основных пассивных и активных цепей и принципов их расчёта, а также проведения лабораторных работ по их исследованию. Методическую основу лабораторного практикума должны составлять теоретические положения линейных цепей и спектрального анализа.