Обґрунтування інформаційних електромагнітних методів і оптико-електронних систем збільшення продуктивності тварин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка

Спеціальність 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Тема:

Обґрунтування інформаційних електромагнітних методів і оптико-електронних систем збільшення продуктивності тварин

Сасімова Інна Анатоліївна

Харків - 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Мегель Юрій Євгенович, Харківський національний технічний університет сільського господарства, професор кафедри «Кібернетика».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Піротті Євген Леонідович, національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», професор кафедри комп'ютерної математики та математичного моделювання;

кандидат технічних наук, доцент Лисенко Ольга Валеріївна, Таврійський державний агротехнологічний університет, доцент кафедри «Електропостачання сільського господарства».

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Артема 44.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Д. Черенков



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИТСИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розв'язання загальнодержавних проблем у тваринництві на сьогоднішній час можливо на основі ефективних електромагнітних технологій (ЕМ) для лікування тварин і підвищення їх продуктивності.

Застосування інформаційного електромагнітного поля (ЕМП) у тваринництві пов'язане з найменшими витратами енергії та максимальним впливом на інформаційні процеси життєдіяльності біооб'єктів, що залежать не від величини енергії випромінювання, що впливає, а від відповідних частотних і модуляційно-часових параметрів ЕМП. Однак бажані зміни властивостей біооб'єктів можуть бути отримані тільки при оптимальному сполученні біотропних параметрів ЕМП (частота, щільність потоку потужності, експозиція, модуляція та інше).

В основі інформаційного впливу ЕМП на біооб'єкти лежать резонансні явища, ступінь прояву яких залежить від молекулярної організації об'єкта, що опромінюється, і умов опромінення. При цьому електромагнітне випромінювання (ЕМВ) з певними біотропними параметрами може служити, як первинний сигнал, що запускає внутрішні регуляторні механізми біооб'єкта, так і безпосередній регулятор метаболічних процесів, що протікають у біооб'єкті.

Визначення біотропних параметрів ЕМП для впливу на ембріони тварин пов'язано, як з теоретичними роботами, що досліджують процес взаємодії інформаційних ЕМП з ембріонами, та обліком їх морфологічної будови й електрофізичних властивостей, так і системами для визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП.

У той же час, проведений аналіз великої кількості робіт вітчизняних і закордонних досліджень показує, що в них: відсутня розробка методологічних принципів вивчення впливу інформаційного ЕМП на життєдіяльність біооб'єктів; недостатньо вивчається питання створення математичних моделей, здатних дати аналітичний опис процесів, що відбуваються при такому опроміненні, на клітинному, молекулярному та організмовому рівнях організації біооб'єктів; немає методології визначення чисельних значень біотропних параметрів ЕМП, здатних викликати оптимальний відгук біооб'єктів з урахуванням стимулюючого ефекту.

Аналіз існуючих методів і пристроїв для оцінки дії ЕМП на життєдіяльність біооб'єктів показує, що вони засновані на різних фізичних принципах і мають певні області застосування. Їм властива складність апаратурної реалізації, низька інформаційність, неможливість контролю станів біооб'єктів тваринництва й медицини при впливі зовнішніх фізичних факторів різної природи.

Одним зі шляхів рішення даних завдань є розробка математичних моделей, на основі яких визначався б можливий діапазон зміни біотропних параметрів ЕМП, а оптимізацію цих параметрів проводити за допомогою автоматизованих систем одержання біофізичної експрес-інформації для оцінки впливу ЕМП на життєдіяльність біооб'єктів на основі оптико-електронних пристроїв (ОЕП).

Використання оптико-електронних систем (ОЕС) визначення біотропних параметрів інформаційних ЕМП для біооб'єктів тваринництва й медицини надасть можливість створити нові речовини, ліки й ЕМ технології в сільському господарстві та медицині, що дозволить одержати пріоритетні для України результати у тваринництві і медицині.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Тема дисертаційної роботи пов'язана із загальними українськими науковими програмами: державною науково-технічною програмою ГНТП-12 «Енерго- та ресурсозберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві», постанова Кабінету Міністрів України від 24.12.2001 р.; програмою №1716 «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі на 2002...2006 рр.».

За планами НДР Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка були виконані наступні роботи: «Результати експериментальних досліджень з впливу ЕМП крайвисокочастотного (КВЧ) діапазону на біологічні об'єкти», номер ДР 0104003721; «Методи, моделі й засоби автоматизованої оцінки патологічних змін в організмах тварин і птахів», номер ДР 0109002696.

Мета й задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка ефективної енергозберігаючої, інформаційної ЕМ біотехнології й автоматизованої ОЕС для визначення оптимальних параметрів ЕМП, що викликають підвищення продуктивності тварин при впливі ЕМП на їх ембріони.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- обґрунтувати біофізичну дію інформаційного ЕМП на мікробіологічні об'єкти тварин для підвищення їхньої продуктивності;

- обґрунтувати необхідність розробки ОЕС для визначення біотропних параметрів ЕМП, що викликають стимуляцію життєдіяльності ембріонів тварин;

- розробити фізико-математичну модель взаємодії інформаційного (низькоенергетичного) ЕМП КВЧ діапазону з ембріонами сільськогосподарських тварин;

- на основі теоретичного аналізу даної моделі визначити діапазон змін біотропних параметрів ЕМП, що приводять до підвищення продуктивності тварин, через опромінення ембріонів;

- теоретично обґрунтувати принцип побудови ОЕС для оцінки ступеня впливу інформаційного ЕМП на ембріони тварин і визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП;

- провести експериментальні дослідження із впливу ЕМВ на ембріони тварин у лабораторних і виробничих умовах.

Об'єкт дослідження. Процес впливу інформаційного ЕМП КВЧ діапазону на мікробіологічні об'єкти тварин для підвищення їх продуктивності.

Предмет дослідження. ОЕС для оцінки ступеня впливу інформаційного ЕМП на життєдіяльність мікробіологічних об'єктів тварин.

Методи дослідження. Для рішення поставленої проблеми були використані: методи теоретичної фізики, електродинаміки, радіоавтоматики; методи рішення диференціальних і інтегродіференційних рівнянь; методи біофізики; методи лабораторних досліджень з мікробіологічними об'єктами тваринництва.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше теоретично досліджено процес взаємодії інформаційного ЕМП із ембріонами тварин і визначений діапазон змін біотропних параметрів ЕМП;

- вперше на основі теоретичних досліджень обґрунтовані принципи побудови ОЕС для оцінки ступеня впливу інформаційного ЕМП на життєдіяльність ембріонів;

- вперше було розроблено метод визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП для впливу на ембріони через швидкість руху ембріонів в ЕМП;

- вперше математично інтерпретована залежність між швидкістю руху ембріонів і параметрами взаємодіючого інформаційного ЕМП.

Практична значимість отриманих результатів. Полягає в тому, що на підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблена автоматизована ОЕС для вивчення механізму впливу інформаційного ЕМП на життєдіяльність мікробіологічних об'єктів тваринництва й визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП для підвищення продуктивності тварин.

Результати дослідження апробовані в господарстві ТОВ «Колос» Вовчанського району в 2007-2008 рр. У експерименті та контролі використано 15 корів. Прибуток від застосування ЕМ технології з впливу інформаційного ЕМВ на ембріони тварин склала 25 тис. грн.

Особистий внесок здобувача в наукових працях, написаних у співавторстві, полягає в наступному:

- в роботі [1] здобувачем наведене обґрунтування біофізичної дії ЕМП на ембріони тварин з метою підвищення їх продуктивності;

- в роботах [2, 3] авторові належить теоретичне дослідження процесу взаємодії ЕМП з біооб'єктами тваринництва й визначення біотропних параметрів ЕМП для стимуляції метаболічних процесів в ембріонах тварин;

- в роботі [4, 5] автором наведено обґрунтування функціональної схеми ОЕС, математичної моделі сигналу на виході телевізійної камери й теоретично визначені параметри фільтра для виділення корисного сигналу на рівні шумів системи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи були заслухані й обговорювалися на: ХIII міжнародній науково-технічної конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, технології, освіта, здоров'я» (Харків НТУ ХПІ, 2005 р.); міжнародній науково-практичної конференції «Використання лазерів у медицині й біології» (Ялта, 2006 р.); міжнародній науково-практичної конференції «Новітні технології в електроенергетиці» (Харків, ХНАМГ, 2009 р.); міжнародних науково-практичних конференціях «Проблеми енергозабезпечення й енергозбереження в АПК України» (Харків, ХНТУСГ, 2005…2008 рр.); науково-практичній конференції «Вплив фізичних факторів на біологічні об'єкти» (Харків, ХНУРЕ, 2008 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 2-х статтях науково-технічних збірників і 3-х статтях науково-технічних журналів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Вона містить у собі 146 сторінок, 12 рисунків, 3 таблиці, 4 додатки на 14 сторінках, список використаних джерел нараховує 127 найменувань на 13 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації формулюється наукове завдання, розкривається сутність і стан цієї задачі, висвітлюється зв'язок роботи з програмами, планами та темами НДР, формулюються напрямки та наукові задачі дослідження, розв'язання яких забезпечує значущість одержаних результатів, визначається наукова новизна та практичне забезпечення одержаних результатів, а також особистий внесок здобувача в надрукованих роботах. Подана інформація щодо апробації дисертаційних досліджень.

У першому розділі «Аналіз завдань з застосування електромагнітного поля в тваринництві й обґрунтування напрямків досліджень» розглянуто застосування ЕМП у тваринництві для підвищення продуктивності й безмедикаментозного лікування. Застосування ЕМВ міліметрового діапазону довжин хвиль для впливу на свиноматок, кроликів, корів, птахів дозволило одержати потомство з підвищеною стійкістю до захворювань і з більшою вагою на 7...12% стосовно контролю.

За останні роки накопичився великий експериментальний матеріал з ЕМ методами лікування бронхопневмонії теляти, ефіземи коней, маститу корів. Застосування ЕМВ для лікувань тварин дозволило виключити застосування для цих цілей антибіотиків, які з м'ясом і молоком надходили в організм людини й призводили до появи в нього стійких рас мікробів.

Аналіз дії ЕМВ міліметрового діапазону на різні біологічні системи дозволило встановити, що біологічна дія цього виду випромінювання заснована на резонансному характері впливу й вибірково для різних біологічних систем.

Також, у результаті проведеного аналізу встановлено, що ЕМП із відповідними біотропними параметрами (частота, щільність потоку потужності, експозиція, модуляція) можуть стимулювати обмінні процеси в мікрооб'єктах (сперма, ембріони) і сприяти підвищенню продуктивності тварин.

Інтенсивні дослідження з тематики впливу на біооб'єкти низькоенергетичного ЕМП тривалий час ведуться: в ІРЕ РАН під керівництвом Ю. Гуляєва і Ю. Кобзєва; в інституті біофизики РАН і Інституті проблем керування (м. Красноярськ); у ТулДУ під керівництвом Є. Нефедова; у Челябінськом ТУСГ під керівництвом Ф. Ізакова; у Харківському НТУСГ під керівництвом О. Черенкова, Ю. Мегеля, М. Лисиченко, Н. Косуліної.

Теоретичні експериментальні дослідження останніх років свідчать, що метаболічні процеси в біооб'єктах пов'язані з наявністю інформаційних процесів у ньому на основі ЕМП міліметрового діапазону довжин хвиль. З огляду на те, що основою всіх інформаційних обмінів у ноосфері є ЕМП, варто погодитися з гіпотезою, відповідно до якої в мітохондріях процес біологічного окислювання завершується не створенням АТФ, а утворенням високочастотного ЕМП та іонізуючого протонного випромінювання, які у своїй нерозривній єдності й складають енергонасичене біополе живої клітини. Протонне випромінювання в клітині використовується для передавання енергії квантових взаємодій з ядрами атомів, причому протони, що несуть інформацію, відбивають специфічні спектри білкових молекул.

Новітні дослідження підтверджують концепцію хвильової природи передачі генної інформації.

Вихідна посилка складається в ототожненні живої клітини з фотонною обчислювальною моделлю об'ємного типу з обробкою інформації на ЕМП. Механізм перемикання генної активності в процесі життєдіяльності біооб'єктів є найважливішим при рішенні проблем патогенезу, керування розвитком зародків в ембріогенезі. Аналіз цих процесів переконливо свідчить про механізм цієї передачі, що має хвильову природу - сигналах ЕМП, керуючих генною активністю.

Вивчення первинних механізмів впливу низькоенергетичного ЕМП на клітину повинні йти паралельно з вивченням молекулярних принципів будови й функціонування мембран. Причому специфічні механізми впливу низькоенергетичного ЕМП, що застосовуються, можуть визначати відповідні електричні й магнітні властивості мембранних молекул і процесів з їхньою участю.

Застосування низькоенергетичного ЕМП для підвищення продуктивності тварин доцільніше всього використовувати для впливу на їхні мікробіологічні об'єкти (ембріони, яйцеклітини, сперми). Дана ЕМ біотехнологія вимагає обов'язкової оцінки стану мікробіологічних об'єктів після впливу на них ЕМП із оптимальними біотропними параметрами.

Найбільш перспективним для оцінки стану мікробіологічних об'єктів тварин є прилади на основі ОЕС. Застосування ОЕС із використанням комп'ютерної оцінки параметрів руху живих клітин дозволяє підвищити достовірність інформації про вплив ЕМП на життєдіяльність клітин. Діагностичні системи цього виду функціонують і за кордоном під загальною назвою CASA. Основним недоліком розглянутих систем є те, що вони не проводять одночасних вимірів параметрів рухливості і морфологічних особливостей однієї й тієї ж клітини, не дозволяють аналізувати велику кількість клітин, вимагають великого обсягу пам'яті та високої швидкодії ПЕОМ, якість інформації визначається коефіцієнтом контрастності зображення й відношенням сигнал/шум. Для підвищення якості інформації, з впливу ЕМП на клітини тварин, варто прагнути збільшення відносини сигнал/шум. Це завдання може бути вирішено на основі теорії оптимальної фільтрації.

Проведений аналіз показує, що ефективне використання низькоенергетичного ЕМП, для впливу на мікрооб'єкти тваринництва, з метою підвищення продуктивності тварин, неможливо без розробки фізико-математичних моделей, що враховують параметри ЕМП і електрофізичні характеристики мікробіологічних об'єктів тваринництва, без створення ОЕС для визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП і обробки експрес-інформації про вплив на ЕМП.

У розділі 2 «Математичне моделювання процесу взаємодії монохроматичних електромагнітних хвиль із ембріонами тварин» визначені біотропні параметри ЕМП, які приводять до стимулювання метаболічних процесів в ембріонах тварин.

Встановлено, що залежність метаболічних процесів у біооб'єктах від дії інформаційного ЕМП пов'язана за наявністю інформаційних процесів на основі ЕМП. Проникаючи в біооб'єкти, ЕМВ при певних параметрах (частота, потужність, експозиція, поляризація та інше) трансформуються в інформаційні сигнали, що здійснюють стимуляцію метаболічних процесів. Відсутність теоретичних методів розподілу амплітуди ЕМП у середині біооб'єктів обмежує можливість цілеспрямованого вживання ЕМП, ускладнює аналіз явищ, що виникають при взаємодії біологічних систем з ЕМП і звичайно робить проблематичною постановку питання про створення нових високоефективних інформаційних ЕМ технологій.

Для визначення діапазону змін резонансної частоти ЕМП, що може впливати на інформаційні процеси в ембріонах тварин, була розв'язана задача з дифракції однорідної плоскої Е-поляризованої хвилі на шаруватому діелектричному циліндрі радіусом а₁ і висотою h, який помістили в планарний хвилевід із діелектричною проникністю (е). Ембріони в цій моделі представлені внутрішнім циліндром радіусом а₂ і діелектричною проникністю е₂. Культуральне середовище в циліндричній моделі має діелектричну проникність (ДП) . Для рішення цього завдання використано підхід заснований на зв'язку дифракції плоских хвиль у вільному просторі й дифракції неоднорідних плоских хвиль планарного діелектричного хвилеводу. У цьому випадку вектор напруженість ЕП , як функція змінних x, y задовольняє рівнянню Гельмгольца:

, (1)



де - хвильове число у вільному просторі;

f - частота;

c - швидкість світла в навколишньому середовищі хвилеводу;

- коефіцієнт уповільнення діелектричного хвилеводу.

Рівняння (1) разом із граничними умовами на поверхні розсіювача повністю відповідає двовимірній задачі дифракції -поляризованої однорідної плоскої хвилі з хвильовим числом на шаруватому діелектричному круговому циліндрі. У циліндричній системі координат з рівнянь Максвелла компонента Е_z вектора напруженості ЕП повинна задовольняти рівнянням Гельмгольца для падаючої поляризованої хвилі:

, при r > a₁,(2)

, при а₂ < r < a₁,(3)

, при ,(4)

де , , а₁ і a₂ відповідно радіуси зовнішнього й внутрішнього циліндрів.

Отримана система рівнянь вирішувалася методом узагальнених власних коливань.

Основною електродинамічною величиною, яка характеризує взаємодії ЕМВ з біооб'єктом (сукупність ембріонів) є середнє значення напруженості ЕП за областю, займаної цим об'єктом.

Єдина відмінна від нуля компонента ЕП отримана у вигляді ряду за власними функціями в області, що містить біооб'єкт.

, (5)

де ;

;

- корінь похідної функції Бесселя .

,

де , циліндричні функції Бесселя й Ханкеля першого роду, .

.

m = 0, 1, 2, ....; P = 1,2,...

Тоді на підставі (5) середнє значення напруженості буде мати вигляд:

,(6)

де

(7)

,

,

де - амплітуда плоскої хвилі, що збуджується.

Чисельні розрахунки показали, що максимальне значення амплітуди електричної складової ЕМП у середовищі ембріонів лежить у діапазоні 36...38 ГГц. Використовуючи рівняння для критичного потенціалу на мембрані ембріонів було встановлено, що для опромінення ембріонів великої рогатої худоби щільність потоку потужності повинна бути в діапазоні 5...10 мкВт/см² при експозиції 20...60 с.

У розділі 3 «Теоретичне обґрунтування оптико-електронної системи для оцінки ступеня впливу електромагнітного поля на ембріони тварин» наведено обґрунтування функціональної схеми й на основі теорії оптимальної фільтрації визначені основні параметри фільтра на виході телевізійної камери.

ОЕС телевізійного типу повинні забезпечити одержання інформації з дослідження мікробіологічних об'єктів тварин, при впливі на них фізичних факторів ЕМ природи. Такі системи повинні визначати оптимальні біотропні параметри ЕМП для впливу на ембріони тварин при вимірюванні параметрів руху. Рух ембріонів заснований на взаємодії електричного ядра клітин з ЕП певної напруженості. Електричний заряд ядра не тільки супроводжує процесом, що відбуваються в ньому та у клітині, але й в певній мірі їхньою причиною. Тому дані за динамікою зміни електричних властивостей клітинного ядра є досить інформаційним матеріалом для оцінки властивостей біооб'єктів. біотропний електромагнітний продуктивність тваринництво

При побудові ОЕС необхідно враховувати характеристики джерела випромінювання, властивості біооб'єкту,що досліджується, параметри ОЕС і приймача випромінювання.

Основними характеристиками ОЕП є: чутливість приймача випромінювання, розрізнювальна здатність, параметри виявлення (умовна ймовірність правильного виявлення й умовна ймовірність появи помилкової оцінки), величина відносин сигнал/шум на виході фотоприймача.

Узагальнена функціональна ОЕС для одержання інформації з параметрів руху ембріонів, після впливу на них низькоенергетичного ЕМП КВЧ діапазону.

У системі використано: джерело випромінювання - лампа накалювання мікроскопа; у якості форитичної комірки - предметне скло із двома паралельними електродами, між якими будуть розміщується ембріони; у якості оптичної системи - мікроскоп; у якості приймача - ПЗС-матриця; у якості блоку фільтрації шуму - оптимальний формуючий фільтр; у якості блоку обробки інформації - апаратура для обробки телевізійного зображення з ПЕОМ; блоки 7, 8, 9, 10 призначені забезпечувати рух ембріонів в електрофоретичної комірці.

На основі функціональної схеми рис. 2 на виході телевізійної камери формується телевізійний сигнал (з покадровим скануванням), що містить інформацію про параметри руху ембріонів. Інформація про рух ембріонів у реальному масштабі часу не може бути виділена на виході телевізійної камери з шумів без застосування спеціальних фільтрів.

Задача виділення сигналу на фоні шумів може бути вирішена на основі теорії оптимальної фільтрації, що зводиться до того, щоб на виході фільтра сигнал мінімально відрізнявся від корисного сигналу о(t), виділюваного з адитивної суміші:

x(t) = о(t) + з(t),(8)

де о(t) - реалізація сигнального компонента;

з(t) - реалізація шумового компонента.

З умови мінімуму середньоквадратичної помилки визначені структурна схема й параметри фільтра на вхід якого надходив корисний сигнал о(t) і перешкода з(t).

Сигнал на виході телевізійної камери отримано у вигляді наступної функції:

, (9)

де ;

;

- освітленість елемента ПЗС-матриці, що створюється світловим променем, що не пройшов через біооб'єкт;

- коефіцієнт поглинання біооб'єкта;

- опір елемента матриці;

- напруга джерела живлення;

- коефіцієнт пропорційності.

Вираз для спектральної щільності сумарного процесу на виході телевізійної камери має вид:

(10)

Отримано вираз для коефіцієнта передачі оптимального фільтра:

, (11)



де ;

- відношення спектральних потужностей сигналу й перешкоди;

;

;

.

При збільшенні спектральної щільності перешкоди зростає помилка викликана складовою фільтрації руху ембріонів. Для того щоб зменшити її, у фільтрі необхідно зменшити коефіцієнт передачі К_е та звузити його смугу пропускання шляхом збільшення постійної часу Т_е. Для збільшення постійної часу в схемі варто використовувати інтегратор на операційному підсилювачі.

З виразу для дисперсії помилки фільтрації:

.(12)

Для зменшення помилки фільтрації необхідно звужувати смугу пропускання фільтра, тобто збільшувати постійну часу Т_е та зменшувати коефіцієнт передачі К_е. Проведені розрахунки показують , що постійна фільтра повинна дорівнювати Т_е = 70 с, коефіцієнт передачі фільтра повинен дорівнювати К_е = 0,24.

У розділі 4 «Результати експериментальних досліджень із ембріонами тварин» зроблена перевірка вірогідності теоретичних підходів і моделей, що описують процес впливу ЕМП на ембріони тварин, а також підтверджені можливості практичної реалізації ОЕС системи для визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП, що визивають стимуляцію метаболічних процесів в ембріонах.

У результаті теоретичного й експериментального дослідження виготовлено експериментальний зразок ОЕС з параметрами:

- частота вертикального розгортання F_в = 50 Гц;

- частота горизонтального розгортання F_г = 15625 Гц;

- кількість елементів, що розкладаються за вертикаллю в одному напівкадрі N_y = 287,5;

- кількість елементів розкладання за горизонталлю N_x = 765;

- пропускна здатність паралельного інтерфейсу не менш 14,7 Мбайт/с;

- частота роботи АЦП 34,6 МГц;

- потужність ПЕВМ не менш 1 ГГц;

- відношення сигнал/шум на виході фільтра не менш 11.

До складу ОЕС входять наступні елементи й блоки: мікроскоп Р-11; термостатируючий столик; ПЗС матриця типу ДО1200М7 (число комірок 260х380); блок сполучення й сигналізації; персональний комп'ютер (процесор Intel Core 2Duo E6550); відеокарта NVIDIA GeForce 8800GT; вінчестер Seagate ST325 256Gb; материнська плата Asus P5k; накопичувач зі змінним носієм ASUS DRW-1612BL; монітор 172T; операційна система Windows XP SP3.

Змінюючи величину напруги на електродах електрофоретичної комірки, за допомогою мікроамперметра фіксуються мінімальні значення струму при якому відбувається зміщення ембріонів, а за допомогою ОЕС визначається швидкість руху ембріонів. Даний спосіб забезпечує можливість дати кількісну оцінку електричних властивостей ембріонів після впливу на них інформаційного ЕМП.

Метою експерименту було уточнення оптимальних біотропних параметрів інформаційного ЕПМ КВЧ діапазону, які б забезпечували підвищення продуктивності тварин при опроміненні їх ембріонів.

Для визначення оптимальних параметрів ЕМП (частота, щільність потоку потужності, експозиція) проведений багатофакторний експеримент, у якому як відгук ембріонів на ЕМ вплив, взято мінімальне значення струму при зміщенні ембріонів у постійному ЕП і їхня швидкість руху. Для опромінення ембріонів у культуральному середовищі виготовлена циліндрична кювета радіусом 10 мм і висотою 3 мм, яка розміщена у планарному хвилеводі експериментальної установки для опромінення ембріонів. Значення факторів в експерименті змінювалися в межах: частота 36…38 ГГц; щільність потоку потужності 7…9 мкВт/см²; експозиція 60…120 с.

Після проведення вимірів і розрахунків отримані рівняння регресії, які пов'язані з параметрами руху ембріонів і параметрами інформаційного ЕМП:

;(13)

,(14)

де - мінімальне значення струму при зміщенні ембріонів в електрофоретичній комірці;

- швидкість руху ембріонів.

У результаті експерименту, для рівняння (13) отримані наступні значення факторів:

,

що відповідають таким значенням природних параметрів: частота ЕМП - 36,3±0,02 ГГц; щільність потоку потужності - 7,6±0,2 мкВт/см²; час впливу ЕМП на ембріони - 96 ± 3 с.

Для рівняння (14) значення факторів склали:

,

що відповідають таким значенням природних параметрів: частота ЕМП - 36.2 ± 0,02 ГГц; щільність потоку потужності - 7,6 ± 0,2 мкВт/см²; час впливу ЕМП на ембріони - 96 ± 3 с.

Виробничі випробування з ембріонами ВРХ опромінених інформаційним ЕМП КВЧ діапазону з параметрами: частота 36,2 ГГц; щільність потоку потужності 7,5 мкВт/см²; експозиція 96 с; були проведені в господарстві «Колос» Вовчанського району під керівництвом співробітників управління ветеринарної медицини цього району. Дані виробничого досліду представлені в табл. 1.

Таблиця 1

Етологічні показники новонароджених телят від ембріонів опромінених інформаційним ЕМП

Показники життєздатності новонароджених телят ВРХ	Дослідна група 15 корів	Контрольна група 15 корів
Народилося живих телят, шт.	17	15
Жива маса одного новонародженого теляти, кг	30...31	26...27
Час вставання на ноги, хв.	25...26	40...41
Інтервал часу між вставанням на ноги й смоктанням вим'я матері, година.	0,8...1	1,3...1
Втрати маси тіла на одне новонароджене теля в перші 5 днів, %	1,6	5
Захворюваність телят, %	11,7	40
Виживаність новонароджених телят через 20 днів, %	100	60

Аналіз таблиці свідчить про те, що в дослідній групі народилося на 11,7% телят більше чим у контрольній групі, а вага новонароджених телят в експерименті була більше чим у контрольній групі на 13,3%.

Також слід зазначити, що час вставання на ноги в експериментальній групі склало 25...26 хв, а в контрольній 40...41 хв.

Зразковою також є залежність між часом підняття на ноги й смоктанням вим'я матері: для телят експериментальної групи цей час від 0,8 до 1 години, а для контрольної групи від 1,3 до 1,8 години. Важливим параметром життєздатності новонароджених телят є зниження ваги вперше 3...6 днів після народження. У експерименті втрати маси тіла на одне новонароджене теля в перші 5 днів життя склали 1,6% для експериментальної групи й 5% для контрольної групи. Ветеринарами фахівцями зафіксовані випадки хвороби новонароджених телят кишково-шлунковими й легеневими захворюваннями. У експериментальній групі цими хворобами хворіло 11,7% теляти, а в контрольній - до 40%. Смертність телят після 20 днів життя склала в контрольній групі 40%, а в експериментальній вижили всі телята.

У результаті виробничих випробувань встановлено, що прибуток від впровадження ЕМ технології в даному господарстві склав 25 тис. грн.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі теоретичних і експериментальних досліджень створена ОЕС для визначення біотропних параметрів ЕМП, що викликають цілеспрямовані зміни в розвитку біооб'єктів при обробці інформаційним ЕМП. Отримані результати дозволили створити біотехнологію для підвищення продуктивності тварин через вплив ЕМП на ембріони.

1. На підставі аналізу літературних джерел встановлено, що підвищення продуктивності сільськогосподарських тварин можливо на основі ЕМ біотехнологій.

2. Створення ЕМ технології для підвищення продуктивності тварин можливо через ембріони, після впливу на них ЕМП із оптимальними біотропними параметрами.

3. На основі теоретичних досліджень встановлено, що оптимальні біотропні параметри ЕМП для впливу на ембріони тварин варто визначати в діапазоні частот 36...38 ГГц.

4. З метою збереження мембрани ембріонів, опромінення ЕМП варто проводити із щільністю потоку потужності в діапазоні 5...10 мкВт/см² і експозицією 60…120 с.

5. Для оцінки впливу низькоенергетичного ЕМП на ембріони тварин необхідно застосовувати ОЕС на основі процесу мікроелектрофорезу ембріонів з комп'ютерною обробкою телевізійної інформації.

6. Виділення інформаційних сигналів з руху ембріонів, які порівнювались з рівнем шумів системи, варто проводити за допомогою оптимального фільтра, у якого постійна фільтру Т_е = 70 с, а коефіцієнт передачі К_е = 0,24.

7. Визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП для впливу на ембріони тварин пов'язане із застосуванням електрофоретичної комірки з параметрами:

- товщина електродів 1·10^-4…5·10^-4 м;

- величина напруги, що стабілізується 25...45 В;

- величина струму в межах 1...20 мкА.

8. Для визначення швидкості руху ембріонів в електрофоретичній комірці необхідно застосовувати ОЕС з параметрами:

- частота вертикального розгортання F_в = 50 Гц;

- частота горизонтального розгортання F_г = 1562 Гц;

- кількість елементів, що розкладаються з вертикаллю в одному напівкадрі N_у = 287,5;

- кількість елементів з горизонталлю N_х = 765;

- частота горизонтальної дискредитації F_х = 14,7 МГц;

- пропускна здатність паралельного інтерфейсу не менш 14,7 Мбайт/с;

- частота роботи АЦП 34, 6 МГц;

- потужність ПЕОМ не менш 1 ГГц;

- відношення сигнал/шум на виході фільтра не менш 11.

9. Для підвищення продуктивності тварин ВРХ ембріони варто опромінювати ЕМВ КВЧ діапазону з параметрами:

- частота 36,2 ± 0,02 ГГц;

- щільність потоку потужності 7,6 ± 0,2 мкВт/см²;

- експозиція 96 ± 3 с.

10. Виробничі дослідження показали, що застосування ЕМ технології для впливу на ембріони тварин ВРХ дозволить одержати потомство вагою 30...31 кг із 100% виживанням та прибутком 25 тис. грн. з розрахунку 15 корів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕОМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сасимова И.А. Обоснование биофизического действия информационных электромагнитных излучений на микробиологические объекты животноводства / И.А. Сасимова, Л.Ф. Кучин // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2008. - №4/2 (34). - С. 27-29.

2. Сасимова И.А. Аналитическое исследование процесса взаимодействия ЭМИ с биообъектами животного происхождения / И.А. Сасимова, Ю.Е. Мегель // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2009. - №1/7 (37). - С. 47-57.

3. Сасимова И.А. Теоретическое определение параметров ЭМП для стимуляции метаболических процессов в эмбрионах животных / И.А. Сасимова // Cистеми обробки інформації. - 2009. - №4. - С. 118-123.

4. Сасимова И.А. Обоснование оптико-электронной системы для оценки степени влияния ЭМП на эмбрионы животных / И.А. Сасимова, Ю.Е. Мегель // Общегосударственных научно-производственный журнал. Энергосбережение. Энергетика, Энергоаудит. - 2008. - №9. - С. 18-24.

5. Сасимова И.А. Синтез фильтра оптико-электронных систем методом оптимальной линейной фильтрации / И.А. Сасимова, М.А. Черная // Вестник ХНТУСХ Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. - 2008. - Вип. 73. - С. 149-152.



АНОТАЦІЯ

Сасимова И.А. Обґрунтування інформаційних електромагнітних методів і оптико-електронних систем збільшення продуктивності тварин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, Харків, 2009.

В дисертаційній роботі розв'язано науково-технічну задачу зі збільшення продуктивності тварин через вплив на їх ембріони інформаційного ЕМП з оптимальними біотропними параметрами, які визначені за допомогою розробленої ОЕС.

Для визначення діапазону зміни резонансної частоти ЕМП, яка може впливати на інформаційні процеси ембріонах тварин, розв'язана задача о дифракції однорідної Е-поляризованої хвилі на діелектричному циліндрі з ембріонами. Визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП, що визивають стимуляцію метаболічних процесів в ембріонах, здійснено на розробленій ОЕС з виділенням корисного сигналу параметрів руху ембріонів із шумів. Виробнича перевірка підтвердила достовірність отриманих результатів.

Ключові слова: інформаційні ЕМ технології, ембріони, велика рогата худоба, біотропні параметри ЕМП, ОЕС.



АННОТАЦИЯ

Сасимова И.А. Обоснование информационных, электромагнитных методов и оптико-электронных систем повышения продуктивности животных. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - Биологические и медицинские устройства и системы. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко. Харьков, 2009.

В диссертационной работе решена научно-техническая задача по повышению продуктивности животных через воздействие на их эмбрионы информационным ЭМП с оптимальными биотропными параметрами, которые определялись с помощью разработанной ОЭС.

Применение низкоэнергетического ЭМП для влияния на биологические объекты связаны с наименьшими затратами энергии при максимальном влиянии на информационные процессы жизнедеятельности биообъектов, что зависит не от уровня энергии излучения, которое действует, а от соответствующих модуляционно-временных и частотных параметров поля, конкретных для каждого биологического объекта с учетом стимулирующего или ингибирующего эффекта.

Предыдущие теоретические и экспериментальные исследования показали, что желательное изменение хода информационных процессов в биологическом объекте возможно только при оптимальном значении биотропных параметров воздействующего ЭМП.

Одним из путей решения этой проблемы есть разработка математических моделей, на основе которых определялся бы возможный диапазон изменений биотропных параметров, а оптимизацию этих параметров проводить с помощью специальных автоматизированных систем.

Для определения диапазон изменений резонансной частоты ЭМП, которая может влиять на информационные процессы в эмбрионах животных, была решена задача о дифракции однородной плоской поляризованной волны на диэлектрическом цилиндре с эмбрионами и культуральной средой. Для решения этой задачи использован подход, основанный на связи дифракции плоских волн в свободном пространстве и дифракции плоских волн планарного диэлектрического волновода. Анализ полученного решения показал, что максимальное значение амплитуды электрической составляющей ЭМП в среде эмбрионов лежит в диапазоне 36…38 ГГц.

Используя выражение для критического потенциала на мембране эмбрионов было установлено, что для облучения эмбрионов крупного рогатого скота плотность потока мощности должна быть в диапазоне 5…10 мкВт/см² при экспозиции 20…60 с.

Для определения оптимальных биотропных параметров ЭМП вызывающих стимуляцию метаболических процессов в эмбрионах, была разработана ОЭС. В данной системе была решена задача, на основе теории оптимальной фильтрации, по выделению полезного сигнала о параметрах движения эмбрионов из шумов сравнимых с уровнем сигнала. Отношение сигнал шум на выходе составлял не менее 11.

В работе установлено, что для биостимуляции эмбрионов КРС их облучение следует проводить информационным ЭМП с параметрами: частота 36,2 ГГц; плотность потока мощности 7,5 мкВт/см²; экспозиция 96 с.

Производственные испытания с эмбрионами КРС показали, что облучение эмбрионов информационным ЭМП КВЧ диапазона приводит к увеличению веса телят в опыте на 13,3% больше, чем в контроле. В опытной группе кишечно-желудочными, легочными заболеваниями болели 11% телят, а в контрольной - 40%. Смертность телят после 20 дней жизни составила в контрольной 40%, а в опытной выжили все. Прибыль от применения информационных биотехнологий составила 25 тыс. грн.

Ключевые слова: информационные ЭМ технологии; эмбрионы, крупный рогатый скот, биотропные параметры ЭМП, ОЭС.



SUMMARY

Sasimova I.A. is Ground of informative electromagnetic methods and optics - electronic systems of increase of the productivity of animals. It is a manuscript. Dissertation on the competition of graduate degree of candidate of engineering's sciences for specialties 05.11.17 are biological and medical devices and systems. It is the Kharkov national technical university of agriculture of the name of Petro Vasilenko, Kharkov, 2009.

In dissertation work a scientific and technical task is untied from the increase of the productivity of animals through influence on their embryos of the informative electro ЕМF of s by optimum biotropnik parameters, yaks were certain by the developed ОЕS.

For determination of turn-down of resonance frequency of EMF, which can influence on informative processes embryos of animals, there was the untied task oh to diffraction of homogeneous E-polarized of wave on a dielectric cylinder with embryos. Determination of optimum biotropnik parameters of EMF, which generating stimulation of metabolic processes in embryos, was carried out on the developed ОЕS with the selection of useful signal oh parameters of motion of embryos from noises. Production verification validated the got results.

Keywords: information ЕМ technologies, embryos, cattle, biotropnik parameters of EMF, ОЕS.

Размещено на Allbest.ru

...