Фізіотерапевтичні пристрої зі стохастичним просторово-неоднорідним низькочастотним електромагнітним полем

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 615.841+621.3.011.72:621.3.095.2

Ніколов Микола Олександрович

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ФІЗІОТЕРАПЕВТИЧНІ ПРИСТРОЇ ЗІ СТОХАСТИЧНИМ ПРОСТОРОВО-НЕОДНОРІДНИМ НИЗЬКОЧАСТОТНИМ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМ ПОЛЕМ

Спеціальність 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

КИЇВ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лошицький Павло Павлович, НТУУ “КПІ”, м. Київ, професор кафедри фізичної та біомедичної електроніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рибін Олександр Іванович, НТУУ “КПІ”, м. Київ, завідувач кафедри радіоприймання та оброблення сигналів;

кандидат технічних наук Чухраєв Микола Вікторович, виконавчий директор науково-методичного центру “Медичні інноваційні технології”, м. Київ.

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки, кафедра біомедичних електронних пристроїв та систем, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист дисертації відбудеться “12” січня 2006 року о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.19 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корп.12, ауд. 125.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, Вченому секретарю НТУУ “КПІ”.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 03.12.2005р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.19, кандидат технічних наук, доцент Швайченко В.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На даний час інтерес до низькоінтенсивної фізіотерапевтичної апаратури постійно підвищується як з боку науковців, так і з боку лікарів. Виражена біологічна дія низькоінтенсивних фізичних факторів, фізіологічність їх взаємодії з біологічними об'єктами обумовлює бурхливий розвиток подібної техніки. Використання низькоінтенсивної фізіотерапевтичної апаратури пов'язують з підвищенням активності фізіологічних процесів, регуляцією властивостей медичних препаратів, очищенням дрібнодисперсних рідин. На практиці таке регулювання призводить до підвищення ефективності лікувальної дії розчинів, збільшення часу дії препарату, зменшення дозового навантаження лікарського засобу на пацієнта, зменшення часу терапії. Однак, дотепер не існує обґрунтованих висновків і теорії щодо параметрів низькоінтенсивних фізичних факторів (НІФФ), які досить ефективно впливають на лікування. Тому розробка теоретичних моделей такого впливу, його експериментальне підтвердження та розробка нових пристроїв являє собою найактуальнішу задачу в фізіотерапії НІФФ.

При розгляді принципів функціонування біологічних об'єктів і різних розчинів препаратів необхідно враховувати той факт, що вони є не точковими (не зосередженими) системами, тобто існують динамічні неоднорідності в просторі. Такі неоднорідності впливають на швидкості хімічних реакцій, що може призводити до утворення складних просторових структур, для яких характерні автохвильові процеси. Подібні процеси часто залишаються поза увагою виробників і користувачів. Таким чином, створення пристроїв для регулювання біохімічної активності лікарських розчинів і біологічних об'єктів засновані на використанні просторово-неоднорідних НІФФ, зокрема електромагнітних полів (ЕМП), є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень пов'язаний з науковою тематикою і темами навчального процесу кафедри фізичної та біомедичної електроніки факультету електроніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Частина досліджень виконувалась в рамках держбюджетної теми №0101U000516 “Вивчення і визначення інформативності радіонуклідних ознак ренальних функцій для оцінки активності, хронізації та прогресування гломерулонефриту і пієлонефриту у дітей”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка принципів побудови та дослідження фізіотерапевтичних пристроїв, які створюють стохастичне просторово-неоднорідне низькочастотне електромагнітне поле для ефективного впливу на біологічні об'єкти, у тому числі для активації водневих розчинів медичних препаратів. Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

1. Розробити математичну модель зміни властивостей водного середовища під дією низькоінтенсивного електромагнітного поля з метою визначення оптимальних умов опромінення біологічної системи, а також для пояснення фізичних експериментальних даних.

2. Дослідити вплив низькочастотного стохастичного просторово-неоднорідного електромагнітного поля на біологічні об'єкти і системи з метою визначення параметрів пристроїв, що необхідно розробити.

3. Дослідити режими та механізми роботи стохастичного генератора на основі нелінійного напівпровідникового елемента з S-подібною ВАХ для модуляції несної частоти фізіотерапевтичного пристрою, а саме:

· визначити можливі режими роботи стохастичного генератора;

· обґрунтувати механізми переходу генератора в стохастичні режими;

· розробити алгоритм розрахунку параметрів генератора стохастичності.

4. Розробити і реалізувати пристрої, які найбільш ефективно впливають на біологічні системи, з урахуванням отриманих експериментальних даних.

5. Оцінити можливість об'єктивного визначення найбільш ефективної дози опромінення біологічних системи ЕМП і провести клінічні дослідження запропонованих пристроїв.

Об'єкт дослідження: низькоінтенсивні фізіотерапевтичні пристрої та системи, які використовують низькочастотне електромагнітне поле.

Предмет дослідження: просторово-неоднорідне електромагнітне поле; стохастичні генератори.

Методи дослідження: математичне моделювання зміни властивостей водного середовища під впливом низькоінтенсивного електромагнітного поля ґрунтувалося на літературних теоретико-експериментальних даних. Параметри електромагнітного поля для найбільш ефективного впливу на досліджувальні системи визначались експериментальним шляхом, порівнянням їх з неопроміненими зразками. Стохастичний генератор моделювався з використанням методів теорії нелінійних коливань і математичних методів обчислень на персональному комп'ютері; режими роботи генератора також досліджувались фізичними експериментами. Ефективність дії електромагнітних полів на біологічно активні об'єкти та системи оцінювалась за допомогою методів розділення речовин.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблено нову математичну модель впливу низькоінтенсивного ЕМП на водну компоненту біологічно-активного середовища, яка дозволяє пояснити експериментальні данні, передбачати зміни ефекту впливу в залежності від параметрів біологічної системи.

2. Набули подальший розвиток методи регуляції активності біологічних водних розчинів і біологічних об'єктів за рахунок застосування стохастичного просторово-неоднорідного низькочастотного електромагнітного поля. Визначено основні параметри електромагнітного поля, що дозволяє ефективно впливати на біологічно активні середовища, розчини, об'єкти.

3. Вперше встановлено режими роботи стохастичного генератора на основі нелінійного напівпровідникового елементу з S-подібною вольтамперною характеристикою і виділено три фізичні механізми переходу системи в стохастичний режим.

4. Для об'єктивної оцінки впливу електромагнітного поля на біологічні системи запропоновано використання і набули подальший розвиток методи розділення речовин, які дозволяють за відносно короткий час (1-24 години) оцінити такий вплив.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена нова математична модель впливу низькоінтенсивного електромагнітного поля на водну компоненту дозволяє розрахувати параметри поля, які ефективно діють на біологічні системи.

2. Запропонований алгоритм розрахунку параметрів стохастичного генератору з нелінійним напівпровідниковим елементом з S-подібною вольтамперною характеристикою забезпечує технічну реалізацію подібних генераторів.

3. Розроблені та реалізовані фізіотерапевтичні пристрої дозволяють ефективно регулювати активність лікарських розчинів та біологічних об'єктів.

4. Запропоновані методи розділення речовин дозволяють реальними клінічними засобами та в in vitro умовах за відносно короткий час об'єктивно оцінити вплив електромагнітного поля на біологічні системи.

5. Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи впроваджено в клінічних умовах в опіковому відділенні Київський обласної клінічної лікарні. Результати досліджень стохастичного генератору використовуються в навчальному процесі на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки НТУУ “КПІ” .

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є узагальненням результатів теоретичних і експериментальних досліджень, що проведені автором особисто. У роботах із співавторами здобувачу належить: [1] - проведення експериментальної частини; [2] - проведення експериментальної частини; [3] - проведення експериментальної частини; [4] - проведення експериментальної частини; [5] - проведення експериментальної частини, формалізація висновків; [7] - розробка випромінювача та експериментальна оцінка ефективності приладу; [8] - участь в розробці математичної моделі, проведення математичного аналізу системи рівнянь, формалізація висновків; [9] - статистичний аналіз даних, формалізація висновків; [11] - проведення математичного експерименту, формалізація висновків; [12] - ідея роботи, проведення математичного експерименту, формалізація висновків; [13] - ідея роботи, проведення математичного експерименту, формалізація висновків; [14] - ідея роботи, проведення математичного експерименту, формалізація висновків.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені в дисертаційну роботу, доповідалися на міжнародних конференціях "Проблеми біомедичної електроніки" у 1998р., 2000-2005рр. у м. Києві; на III міжнародному симпозіумі “Актуальні проблеми біофізичної медицини” у Києві в 2002р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 13 статтях у наукових журналах (дві без співавторів), а також в одному деклараційному патенті на винахід України.

Структура й обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, чотирьох додатків. Обсяг роботи - 178 сторінок, включаючи 93 рисунків, 2 таблиці та список використаних літературних джерел, який містить 128 найменувань. Чотири додатки мають обсяг 21 сторінки.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі розкрито важливість досліджень і обґрунтовано їх актуальність, сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи, визначено наукову новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі розглянуто механізми взаємодії низькоінтенсивних фізичних факторів (НІФФ) з біологічними об'єктами (БО), а також сучасне апаратне забезпечення відповідної дії.

Серед механізмів взаємодії НІФФ з БО акцентується увага на створенні вихрових струмів у біологічному середовищі, інформаційному характері дії зовнішнього фактору, резонансній взаємодії, “стохастичному резонансі”, виникненні і зміні швидкості вільно-радикальних реакцій. Серед особливостей взаємодії НІФФ з БО було виділено: залежність ефекту від початкових параметрів БО, існування порога дії НІФФ на БО в залежності від часу впливу, амплітуди, частотного діапазону зовнішнього сигналу, відстрочене проявлення біологічного відгуку, нелінійну залежність доза-ефект, ефект пам'яті, передачу інформації щодо зовнішніх впливів від опроміненого БО до неопроміненого. Слід зазначити, що наявність конкретних діапазонів параметрів зовнішнього сигналу не означає резонансних взаємодій, а може характеризувати нелінійну кінетику біофізичного процесу.

Основним об'єктом (мішенню) у біологічній систем, на який діє низькоінтенсивне ЕМП, визначене водне середовище біологічної системи чи розчина лікарського препарату. Зміна структурно динамічних особливостей водневих комплексів і кластерів призводить до зміни активності біологічних та біологічно значимих молекул та до їх взаємодії.

Виходячи з цього та низки інших теоретичних та експериментальних даних, при розробці відповідної фізіотерапевтичної апаратури необхідно розглядати опромінювальну систему не як точкову (зосереджену), а як розподілену динамічну систему. Крім того, для будь-якої біологічної системи зі здатністю до самоорганізації та неврівноваженістю принципову роль відіграють флуктуації, перетворення або посилення стохастичної варіабельності параметрів середовища, які здатні призводити до структурування нелінійних систем. Тому для забезпечення ефективної дії ЕМП на БО чи на біологічно значимі речовини необхідно застосовувати стохастичний просторово-неоднорідний вплив.

В розділі наведено порівняльний аналіз відомої електрофізіотерапевтичної апаратури та варіантів реалізації стохастичних генераторів. Обґрунтовано необхідність розробки генератора стохастичності для забезпечення стохастичних властивостей ЕМП.

В другому розділі розглядається нова математична модель зміни властивостей водного середовища під дією низькоінтенсивного ЕМП; приведено експериментальні данні впливу НЧ ЕМП на БО, по результатам яких виведено основні вимоги до характеристик пристроїв, що необхідно розробити.

Основною особливістю впливу НІФФ є те, що квант енергії цих фізичних факторів нетеплової інтенсивності на один - два порядки нижче теплової енергії молекул kТ₀. Так, для міліметрових хвиль (30-300ГГц) це відношення складає разів. Такої енергії достатньо для обертання молекул навколо зв'язків і, можливо, зміни конформаційних станів, але не достатньо для розриву зв'язків в атомно-молекулярних комплексах. Очевидно, що для ефективного впливу на характеристики і властивості матерії при дії настільки низькоінтенсивних факторів особливо в низькочастотній області необхідно, щоб відбувалося накопичення енергії. Існує кілька гіпотез механізму накопичення енергії, основна з яких полягає в накопиченні за рахунок метаболічних процесів на мембрані клітин. Однак, останнім часом з'явилася думка, що вода є перетворювачем енергії фізичного фактора в інші види енергії, які діють на структурні одиниці, що знаходяться у воді, і які не мають мембран і клітинної будови, а мають тільки границі розділу фаз чи середовищ.

Енергія слабких електромагнітних полів, змінюючи розташування молекул у загальній системі, накопичується на її кластерних утвореннях завдяки значно більшому часу релаксації всієї системи в порівнянні з часом релаксації окремої молекули води. Енергія накопичується в системі водяних структур до визначеної межі, після чого відбувається часткове руйнування комплексу, в результаті чого з'являються гідратовані електрони і радикали, концентрація яких і визначає у великій мірі біологічний ефект взаємодії фізичного фактора і водяного розчину.

Виходячи з представлених доводів, було запропоновано нову математичну модель процесів, побудовану подібно до моделі Вальтера, яка має вигляд:

(1)

де Х₀ - число молекул води, які можуть бути зв'язаними (у межах кількості води в системі); Е₀ - енергія, що відповідає енергії розпаду всього комплексу води Х₀ в стані спокою; Х - число зв'язаних молекул води (одиниць); Е - енергія всієї системи водного середовища (кількість одиниць Е₀); R - кількість радикалів води (одиниць); - питома швидкість утворення зв'язків; - коефіцієнт швидкості розриву зв'язків води в залежності від кількості зв'язаних молекул води; - питома енергія зв'язку; k - коефіцієнт, що показує, яка частина енергії розсіюється в середовищі; - коефіцієнт, що враховує зміну швидкості утворення зв'язків у залежності від надходження енергії зовнішнього фактора; c - коефіцієнт швидкості утворення радикалів; - середній час життя радикалів води (кількість одиниць t=1); p - коефіцієнт швидкості рекомбінації радикалів у залежності від їхньої концентрації; - інтенсивність надходження енергії від зовнішнього фізичного фактора (кількість одиниць Е₀).

Аналіз даної системи показує, що в області позитивних Е і Х існує одна особлива точка, яка обумовлена перетинанням головних ізоклін. Показано, що при дотриманні визначених співвідношень між параметрами системи існує деяка область, де особлива точка є нестійким (неврівноваженим) фокусом, навколо якого породжується граничний цикл. Дана область є найбільш цікавою з погляду на утворення і розпад водяних комплексів.

При емпірично підібраних параметрах системи = 24; = 0.03; Е₀ = 1; = 0.09; k = 990; Х₀ = 1100; = 10; с = 0.001; d = 0.001; = 0.13 чисельний розв'язок системи дає різні варіанти кількості зв'язаних молекул води в залежності від інтенсивності зовнішнього фактора в часі.

При інтенсивності зовнішнього фактора нижче деякої межі кількість молекул води в кластері залишається незмінною і тримається на визначеному рівні. У випадку, якщо інтенсивність впливу дуже велика, має місце руйнування кластерной структури, вода стає більш аморфною. Якщо зовнішній фактор попадає в деякий діапазон (в область нестійкості), спостерігається коливальний процес утворення і розпаду кластерів. У момент розпаду комплексу утворяться вільні радикали, зміна концентрації яких показана пунктирною лінією.

Дана модель дозволяє пояснити як ряд відомих експериментальних фактів, так передбачити і пояснити нові на основі наступних тверджень і висновків:

біологічні ефекти електромагнітного поля низької інтенсивності визначаються продуктами розкладу води, тобто е^-, Н і ОН, концентрація яких значно менша, ніж при класичних явищах радіолізу;

біологічний ефект має граничний характер і виходить на насичення при збільшенні інтенсивності електромагнітного поля і визначається добутком двох механізмів: збільшенням частоти виникнення імпульсів і зменшенням їхньої амплітуди;

ефект впливу фізичного фактора, у тому числі і біологічний ефект, збільшується: зі збільшенням площі (поверхні розділу фаз) водяного розчину; при наявності іонних домішок, які стабілізують структуру водяних кластерів; при наявності газових домішок, що збільшують ефективну поверхню розділу фаз.

Для отримання біологічного ефекту дії низькоінтенсивних ЕМП потрібно визначити відповідні параметри такої дії та величини доз, які обумовлюють ефект активації або ефект гальмування відповідних процесів. З цією метою було проведено відповідні експерименти, опис яких наведено у дисертаційній роботі.

Оскільки БО безпосередньо не опромінювався, можна зробити висновок, що саме зміна властивостей водного середовища призводить до таких наслідків. Крім того, оскільки мінімум активності БО не опускається нижче 0,9, то можливо припустити, що БО використовує тільки “активовану”, “біологічно активну” воду.

При дослідженні дії просторово-неоднорідного електромагнітного поля на БО випромінювальна система “оберталася” за рахунок комутації сигналу електронним способом на незалежні випромінювачі.

Виходячи з цих та низки інших експериментальних даних, що наведені у дисертаційній роботі, ефективними характеристиками розроблених пристроїв являються (в дужках наведені значення параметрів, які було реалізовано):

· форма сигналу - прямокутні імпульси типу “меандр”;

· частота несного сигналу - 80-140 кГц (100 кГц);

· частотний діапазон стохастичної модуляції - 4-20 Гц (4-20 Гц);

· частота комутації складного випромінювача - 50-70 Гц (60 Гц);

· амплітуда сигналу - 5-10 В (5 В);

· випромінювач - конденсаторного типу.

У третьому розділі розглянуто принципи побудови фізіотерапевтичного пристрою, який створює стохастичне просторово-неоднорідне електромагнітне поле, аналіз та розрахунок стохастичного генератору.

Для реалізації стохастичного просторово-неоднорідного електромагнітного поля запропоновано наступну блок-схему пристрою.

При роботі напруга живлення з блоку 1 подається на всі електронні компоненти 2-8. Імпульсний генератор 2 генерує прямокутні імпульси несної частоти порядку 100 кГц, які модулюються стохастичним модулятором 3 інфранизьких частот 4-20Гц. Модульований сигнал подається на комутатор 6, який відповідно до частоти керуючого генератора 7 (60 Гц) по черзі і по колу підключає одну з комірок випромінювача. Оскільки випромінюваний сигнал має форму низькочастотних прямокутних імпульсів, то випромінювач доцільно виконати у вигляді блоку пластин конденсаторів. Для забезпечення просторової неоднорідності в загальному випадку таких блоків, які випромінюють ЕМП по черзі і за заданим законом, повинно бути декілька. При подачі електричного сигналу на один з блоків випромінювача створюється крайове електромагнітне поле, що безпосередньо діє на опромінюваний об'єкт. Як допоміжний фізичний фактор (сочетаний фактор), що діє на об'єкт, доцільно використовувати пасивний елемент, наприклад, постійний магніт чи електретну матрицю, які в стані спокою мають відповідні властивості або елемент, здатний безпосередньо перетворювати електромагнітне випромінювання в інший фізичний фактор. Це, наприклад, акустоелектричні компоненти, такі, як п'єзоелектрики. Наведені випромінювачі є оригінальними і захищені патентом України.

Найбільш складною частиною даного пристрою є стохастичний генератор (СГ) з S-подібною вольтамперною характеристикою (ВАХ) нелінійного напівпровідникового елементу НЕ. Незважаючи на простоту схеми, до недавнього моменту були тільки рекомендації до розрахунку подібних схем. Аналіз переходу різного роду генераторів до стохастичного режиму ґрунтується на аналізі деяких абстрактних математичних параметрів системи, які ігнорують фізичні процеси переходу до стохастичності, що практично зводить нанівець реальну реалізацію таких пристроїв. Тому метою аналізу даного СГ було виявлення фізичних механізмів переходу даної електронної схеми до стохастичного режиму та розробка методики розрахунку таких схем.

Серед варіантів переходу генератора в стохастичний стан було виділено три основних режими:

- робоча точка (РТ) знаходиться в околі точки перемикання диністора з відкритого в закритий стан (точки утримання);

- РТ знаходиться в околі точки перемикання диністора з закритого в відкритий стан (точки перемикання);

- режим, оснований на ефекті dU/dt диністора.

Безумовно, існують й інші варіанти переходу даного кола до стохастичного режиму, наприклад, так званий ударний пробій НЕ, коли можливий коливальний процес у відкритому стані диністора, однак у даній роботі вони не розглядалися.

Аналіз роботи схеми здійснювався за допомогою аналітичного і чисельного аналізу системи диференційних рівнянь (2) в системі MatLab, в системі схемотехнічного моделювання Pspice, результати якого перевірялось фізичним експериментом.

(2)

де , Е - напруга джерела живлення, U₀, U₁ - напруга на ємностях С₀ і С₁ відповідно, I_НЕ - струм нелінійного елементу.

Перший режим представленого СГ, коли РТ знаходиться в околі точки утримання диністора, демонструє стохастичний режим за так званим механізмом перемежовування. Тут відбувається конкуренція між відкритим і закритим станом НЕ. Так, якщо НЕ переходить у закритий стан, то якийсь час, до закінчення формування потенційного бар'єра, прилад слід вважати ще відкритим, не дивлячись на те, що струм НЕ є мінімальним. Достатньо найменшої зовнішньої флуктуації, щоб НЕ знову перейшов у “повноцінний” відкритий стан.

Другий режим заснований на виборі РТ в околі точки переключення диністора. Тут вихідні імпульси мають значно більшу тривалість, ніж в попередньому випадку. Стохастичність генерації сигналу досягається тим, що швидкість заряду ємності С₀ в околі пробою НЕ прагне до мінімальної. У цьому випадку навіть малі зовнішні флуктуації здатні перевести НЕ у відкритий стан, і, як наслідок, тривалість імпульсу буде увесь час різною. Спектральні характеристики даного режиму показують, що механізм переходу до стохастичного режиму близький до механізму подвоєння періоду. На відміну від попереднього випадку спектр коливань є більш низькочастотним.

Наступним режимом стохастичної генерації сигналу є режим, який засновано на залежності dU/dt диністора. Тут при наближенні швидкості заряду конденсатора С₀, який включений паралельно до диністору, до критичної точки швидкості наростання напруги на диністорі коливальний режим за механізмом подвоєння періоду здобуває усе більш “складну” форму - від звичайних релаксаційних коливань з постійним періодом, до чергування серії відносно високочастотних коливань і одиночного довготривалого імпульсу. При максимальній “складності” відзначається надзвичайна чутливість до шумових процесів. Так, під впливом деякого шуму, амплітуда якого менша за 10 мВ, чисельне моделювання показує стохастичний характер коливального процесу. При цьому відзначається стохастичність не тільки за часом між відносно довготривалими імпульсами, але і за амплітудою високочастотних коливань. стохастичний електромагнітний генератор

За аналізом схеми роботи СГ розроблено алгоритм розрахунку параметрів схеми:

Робоча точка в околі точки утримання диністора	Робоча точка в околі точки перемикання диністора	Ефект dU/dt диністора
1. Вибір робочої точки в околі точки утримання при E/(R0+R2)Ih-0	1. Вибір робочої точки в околі точки перемикання та утримання E/(R0+R2)Ih-0	1. Вибір робочої точки в околі точки утримання E/(R0+R2)Ih-0
2. зарС0 вимк Д	2. розрС0~ вмик Д dUC0 /dt0 при UДUперемик	2. dUC0 /dt (dUД /dt)гр
3. розрС1> (5-10)розрС0	3. розрС1> (10-1000)зарС0	3. зарС1> (102-103)зарС0
4. зарС1/ розрС11-0	4. розрC1/зарC1 =3-5	4. розрС1> (103-104)зарС0

У четвертому розділі розглянуто методи об'єктивного визначення найбільш ефективної дози впливу електромагнітного поля на біологічно активні середовища. Найбільша увага приділяється методам розділення речовин. Також приведено результати клінічної оцінки ефективності лікування стохастичним просторово-неоднорідним електромагнітним полем, які показали високу ефективність при лікуванні опікових уражень шкіри.

Найважливішою задачею у фізіотерапії й активації лікарських препаратів НІФФ є визначення оптимуму опромінення БС, оскільки її реакція є нелінійною і немонотонною. На етапі оцінки ефективності опромінення БС різними НІФФ неодноразово застосовувалися методи розділення речовин. Відносно добре повторювані залежності з виразними змінами в стані БС після опромінення дають підставу вважати, що методи поділу речовин досить добре підходять для визначення залежностей доза-ефект. Основною перевагою методів розділення для визначення залежності доза-ефект є можливість реальними клінічними засобами оцінити ефективність впливу в in-vitro умовах, оцінити сприйнятливість пацієнта до активованого препарату та ефективність фізіотерапевтичної процедури, виключаючи такі ефекти, як затримка прояву біологічного ефекту.

Як приклад демонструється зміна електрофоретичної рухливості сироваточного альбуміну людини (САЛ) під дією ЕМП без низькочастотної модуляції та за її наявності.

Інший приклад демонструє зміну ізоферментного складу лактатдегідрегенази (ЛДГ) у сироватці крові пацієнтів в залежності від діагнозу. З метою перевірки ефективності роботи розроблених пристроїв, які отримали назву “Ораторія-8”, були проведені клінічні дослідження в Київський обласній клінічній лікарні в опіковому відділенні. Дослідження було проведено у 35 хворих з гнійними ранами й у 42 хворих з ранами, що гранулюються (у різному ступені зрілості). В результаті досліджень було встановлено: гнійні рани під впливом дії апарата “Ораторія-8” відносно швидко очищуються; мікрофлора стає більш чутливою до антибіотиків; трансформація великозернистої грануляції в рані в дрібнозернисту відбувається в більше стислий термін, що зменшує строки оперативного та загального лікування; адаптаційні реакції здобувають характер тренування або активації, за допомогою яких і реалізується лікувальний процес; проявляється виражене зниження больового синдрому.

У додатках наведено теоретичні та експериментальні дані методів проточного фракціонування з поперековим полем та хроматографії на попері для визначення залежності дози-ефект, звіт про результати клінічних досліджень розроблених пристроїв, акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено і проаналізовано нову математичну модель зміни структурно-динамічних властивостей води під дією низькоінтенсивного ЕМП, яка базується на тому, що вода розглядається як система самоорганізованих кластерів, і яка відображає коливальний характер розмірів кластерів води за умов знаходження інтенсивності і частоти електромагнітного поля у визначеному діапазоні. При цьому під час відносно швидкого розпаду кластеру з'являються продукти розкладання води, тобто гідратовані електрони е^-_aq, Н і ОН, концентрація яких значно менша, ніж при класичних явищах радіоліза.

2. Проведено експериментальні дослідження дії низькочастотного стохастичного ЕМП на модельні біологічні системи і визначено основні параметри пристроїв для активації медичних препаратів і фізіотерапії, які використовують просторове-неоднорідне ЕМП, а саме:

частота несного імпульсного сигналу - 80-140кГц;

амплітуда імпульсів - 5-8В;

частотний діапазон стохастичної модуляції несного сигналу - 4-20 Гц;

параметри просторової неоднорідності:

частота комутації комірок випромінювача - 50-70 Гц

або

- швидкість току рідини - 1,3 мл/хв та 4 мл/хв;

орієнтовний час дії електромагнітного поля на біологічний об'єкт - 5-10 хв.

3. Досліджено режими та механізми роботи стохастичного генератору на основі напівпровідникового нелінійного елементу з S-подібною ВАХ для модуляції несної частоти фізіотерапевтичного пристрою, та вперше встановлено:

три режими роботи стохастичного генератору, які засновані на виборі робочої точки на S-подібній ВАХ нелінійного напівпровідникового елемента в околі критичних точок даного елементу;

механізми переходу генератора в стохастичні режими, які обґрунтовані з фізичної точки зору і основані на інерційних явищах в околі критичних точок нелінійного елементу, а також їх гіперчутливістю до низьких рівнів власних шумів схеми;

розроблено алгоритм розрахунку параметрів генератора стохастичних сигналів.

4. Розроблено і реалізовано пристрої для ефективної дії стохастичного просторово-неоднорідного низькочастотного ЕМП на біологічні системи. Для створення просторово-неоднорідного низькочастотного ЕМП розроблено два оригінальних випромінювача конденсаторного типу. Перший випромінювач забезпечує просторову неоднорідність ЕМП за рахунок постійного руху водневого розчину медичного препарату. Другий випромінювач безпосередньо створює просторово-неоднорідне ЕМП за рахунок почергової комутації комірок випромінювача.

5. Запропоновано і якісно перевірено методики для об'єктивної оцінки найбільш ефективної дози і часу опромінення біологічної системи, які засновані на стандартних методах поділу речовин (електрофорез, гельелектрофорез, проточне фракціонування в поперечному полі, хроматографія на папері), яки показують їх високу інформативність для розв'язання задач оптимізації дози опромінення. При цьому основна перевага полягає в тому, що оцінка здійснюється в in vitro умовах за відносно короткий час (1-24 години).

Проведені клінічні дослідження розроблених фізіотерапевтичних пристроїв показують високу ефективність дії стохастичного просторово-неоднорідного низькочастотного ЕМП на опікові ураження шкіри. При цьому, зокрема, проявляється виражене зниження больового синдрому. Основною перевагою розроблених пристроїв в порівнянні з іншими низькочастотними електрофізіотерапевтичними пристроями є відсутність електричного контакту між поверхнею ураженої шкіри та електродами.

СПИСОК РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Николов Н.А., Лошицкий П.П., Аль Синжлави Ш. Электрические характеристики некоторых водных растворов белков// Электроника и связь.- 1998.- №4, часть 1. - С. 134-136.

Николов Н.А., Гемба В.Н., Коростинская О.С., Лошицкий П.П. Выбор оптимальных параметров воздействия низкоинтенсивными электромагнитными полями на биологические объекты// Электроника и связь. - 1998. - №4, часть 1. - С. 110-112.

Николов Н.А., Лошицкий П.П., Аль Синжлави Ш. Устройство для регулирования активности биологических объектов// Электроника и связь. - 2000. - №8. - С. 48-51.

Николов Н.А., Аль Синжлави Ш. Выбор параметров аппаратуры, использующей низкочастотные электромагнитные поля нетепловой интенсивности// Электроника и связь.- 2000.- №8. - С. 131-133.

Ніколов М.О., Карпенко В.І., Коростинська О.С., Лошицький П.П. Вплив електромагнітних полів нетеплової інтенсивності на активність біологічних об`єктів// Наукові записки. Біологія та екологія.- 2000. - Т.18. - С. 51-55.

Николов Н.А. Возможности хроматографии на бумаге для построения зависимостей доза-эффект при воздействии электромагнитным излучением на воду// Электроника и связь. -2001.- №11. - С. 62-63.

Пристрій для активації розчинів лікарських і біологічних препаратів: Деклараційний патент на винахід № 50167А України. МКИ А61Т2/00 / П.П.Лошицький, М.О.Ніколов - №2001117466; Заявлено 01.11.2001; Опубл. 15.10.2002, Бюл. №10.

Николов Н.А., Лошицкий П.П., Курик М.В. Реакция водных систем на действие низкоинтенсивных физических факторов// Электроника и связь. - 2002.- №16. - С. 80-84.

Николов Н.А., Лошицкий П.П., Коростинская О.С., Лавриненко Л.Д., Маркович Д.И. Влияние шумового КВЧ излучения на ферменты сыворотки крови человека// Электроника и связь. - 2002. - №14. - С. 155-158.

Николов Н.А. Проточное фракционирование биологических растворов в поперечном поле// Электроника и связь. - 2003. - №18. - С.6-8.

Николов Н.А., Лошицкий П.П., Аль Синжлави Ш. Сложные колебания простых систем с S-образной вольтамперной характеристикой// Радиоэлектроника и інформатика. - 2004. - Т. 28, №3. - С. 37-41.

Николов Н.А., Лошицкий П.П., Аль Синжлави Ш. Усилители стохастичности// Электроника и связь. - 2004. - №23. - С. 33-37.

Николов Н.А., Лошицкий П.П. Режимы стохастичности RC-генератора с S-образной ВАХ нагрузки// Электроника и связь. - Тематический выпуск “Проблемы электроники”. - 2005. -Часть 1. - С. 52-61.

Николов Н.А., Лошицкий П.П. Стохастическое поведение RC-генератора с S-образной ВАХ нагрузки при выборе рабочей точки в окрестности точки гашения// Электроника и связь. -2005. - №26. - С. 48-53.

АНОТАЦІЯ

Ніколов Микола Олександрович. Фізіотерапевтичні пристрої зі стохастичним просторово-неоднорідним низькочастотним електромагнітним полем. - Рукопис (російською мовою).

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Україна, Київ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки принципів побудови фізіотерапевтичної апаратури, яка утворює стохастичне просторово-неоднорідне низькочастотне електромагнітне поле та його взаємодії з біологічними об'єктами.

Особливістю розробки приладів у даному діапазоні є те, що біологічні об'єкти, які містять значну кількість води, є нелінійними системами, тому взаємозв'язок між характеристиками зовнішнього сигналу та реакцією біологічної системи досить складний. У зв'язку із цим у роботі показано, що для одержання оптимального впливу низькоінтенсивного фізичного фактора на біологічні системи підвід зовнішнього фактора до об'єкта повинен здійснюватися неоднорідно в просторі й часі до поверхні опромінення.

У роботі розроблено математичну модель впливу низькоінтенсивного електромагнітного поля на водну компоненту біологічних систем, аналіз якої дає ряд важливих закономірностей щодо ефективності впливу таких полів, зокрема показано механізм утворення радикалів води й вплив домішок на ефективність впливу.

Розроблено принципи побудови фізіотерапевтичних пристроїв для просторово-неоднорідного стохастичного впливу. Для цього розроблено два варіанти випромінювачів електромагнітного поля низьких частот. Для забезпечення стохастичних властивостей сигналу досліджено генератор стохастичності на напівпровідниковому нелінійному елементі (НЕ), який має S-подібну вольтамперну характеристику (ВАХ). Виділено три фізичних механізми переходу електронної системи в стохастичний режим, засновані на виборі робочої точки на ВАХ НЕ в околиці його критичних точок, точок фазового переходу і інерційних явищах поблизу даних точок. Розроблено алгоритм розрахунку подібних схем.

У роботі розроблено методи оцінки ефективності дози опромінення біологічно активних систем, засновані на методах поділу речовин.

Ключові слова: просторово-неоднорідне поле, генератор стохастичності, фізіотерапевтичні пристрої, низькоінтенсивний фізичний фактор.

АННОТАЦИЯ

Николов Николай Александрович. Физиотерапевтические устройства со стохастическим пространственно-неоднородным низкочастотным электромагнитным полем. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - Биологические и медицинские приборы и системы. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Украина, Киев, 2006.

Диссертационная работа посвящена вопросам принципов построения физиотерапевтических устройств, которые генерируют стохастическоое пространственно-неоднородное низкочастотное электромагнитное поле и его взаимодействию с биологическими объектами.

Особенностью разработки приборов в данном диапазоне является то, что биологические объекты, содержащие значительное количество воды, являются нелинейными системами, поэтому взаимосвязь между характеристиками воздействующего сигнала и ответной реакции биологически активной системы весьма сложная. Кроме того, рассматривая различные растворы препаратов, необходимо учитывать тот факт, что они являются не точечными, т.е. имеются неоднородности в пространстве по концентрациям. Такие неоднородности влияют на скорости реакций, что может приводить к возникновению образования сложных пространственных структур, для которых характерны автоволновые процессы. В связи с этим в работе показано, что для получения оптимального воздействия низкоинтенсивного физического фактора на биологические системы и биологически активные среды подвод внешнего фактора к объекту должен осуществляться неоднородно в пространстве и времени к поверхности облучения.

В работе разработана математическая модель влияния низкоинтенсивного электромагнитного поля на водную компоненту биологических систем, анализ которой дает ряд важных закономерностей об эффективности воздействия таких полей, в частности показан механизм образования радикалов воды и влияние примесей на эффективность воздействия.

Разработаны принципы построения физиотерапевтических устройств для динамического пространственно-неоднородного стохастического воздействия. Для этого были разработаны два варианта излучателя электромагнитного поля низких частот. Первый излучатель представляет собой несколько независимых ячеек конденсаторного типа, электрический сигнал на которые поочередно коммутируется по заданному закону. Второй вид излучателя представляет собой излучатель конденсаторного типа, но предназначен для воздействия на движущиеся растворы (например, по трубке капельницы).

Для обеспечения стохастических свойств сигнала был исследован генератор стохастичности на полупроводниковом нелинейном элементе (НЭ), имеющий S-образную вольтамперную характеристику (ВАХ) (динистор, тиристор, симистор и т.д.). Выделено три физических механизма перехода электронной системы в стохастический режим, основанные на выборе рабочей точки на ВАХ НЭ в окрестности его критических точек, точек фазового перехода, и инерционных явлениях вблизи данных точек. Анализ работы схемы проводился аналитически, численными методами и подтверждался физическими экспериментами. Разработан алгоритм расчета подобных схем.

В работе разработаны методы оценки эффективности дозы и времени облучения биологически активных систем, основанные на методах разделения веществ. Разработанные устройства прошли клинические исследования в ожоговом отделении Киевской областной клинической больнице, которые показывают достаточно высокую эффективность устройств, получивших название “Оратория-8”.

Ключевые слова: пространственно-неоднородное поле, генератор стохастичности, физиотерапевтические устройства, низкоинтенсивный физический фактор.

ABSTRACT

Nikolay NIKOLOV. Physiotherapeutic devices based on stochastic spatially non-uniform low frequency electromagnetic field. - The Manuscript.

Dissertation for the degree of the Candidate of Technical Sciences (PhD) in the Speciality No.05.11.17 - “ Biological and Medical Devices and Systems”. - National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”, Ukraine, Kiev, 2006.

This thesis deals with the design and development physiotherapeutic equipment based on the stochastic spatially non-uniform low frequency electromagnetic field that interacts with biological objects.

The key feature of the development of such devices takes into account quite complex correlation between the parameters of the effecting signal and the response of biologically active systems, which are of non-linear nature due to the considerable amount of water containing in them. Moreover, it is important to consider non- homogeneous concentration distribution of the medication solutions. These non- homogeneities affect the response rate, which could cause the creation of complex spatially distributed structures with auto-undulatory characteristics. This thesis established that in order to have an optimum effect of low-intensity physical factor upon biological systems and biologically active media, this external factor admission to the irradiation surface must be non-uniform in space and time. This work presents the developed mathematical model of the effect of flow-intensity electromagnetic field onto the aqueous constituent of biological systems. This model analysis highlights several important mechanisms concerning the efficiency of such fields. In particular, the mechanisms of water radicals' formation and the effect of impurities on efficiency are shown.

The design principles of physiotherapeutic devices for stochastic spatially non-uniform effect were discussed. Based on them, two types of low-frequency electromagnetic field emitters were developed. The first one consists of several independent capacitor-type cells, which are communicated by electrical signal according to the fixed program. Second type emitter has the structure of capacitor and is designed to affect moving solutions, such as within the dropper tube. To ensure stochastic properties of the signal, the stochastic generator based on semiconductor non-linear element (NE) with S-type current-voltage characteristic (I-V characteristics) was examined. The transition of the electronic system into the stochastic mode can follow three physical mechanisms based on the selection of NE operating point in I-V characteristics critical areas, points of phase transition and inertial processes near them. The theoretical analysis of the system operation was supported with experimental and software modelled data. The algorithm for the analysis of similar systems is presented. The thesis also shows the estimation methods for biologically active systems irradiation dose and time efficacy, based on substances separation standard methods. All developed devices went through clinical trials in the Burns Department of Kiev Regional Hospital and manifested themselves as high-efficiency devices. They were named Oratoria-8.

Key words: spatially non-uniform field, stochastic generator, physiotherapeutic devices, low-intensity physical factor.

Размещено на Allbest.ru

...