Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современный уровень знаний в области полей и излучений, полученный Научной школой академика РАМН Судакова К.В., научными школами академика РАН Девяткова Н.Д. (ИРЭ РАН, Москва), Фесенко Е.Е. (ИБК РАН, Пущино), Ситько С.П. (НИЦ «Видгук», Киев) и Тульской научной школой (НИИ НМТ: Хадарцев А.А., Яшин А.А., Субботина Т.И.) и др., позволяет утверждать: одним из базовых направлений современного медицинского приборостроения, теоретической и экспериментальной биофизики является исследование жизнедеятельности организма человека, а изучение собственных электромагнитных полей (ЭМП) биологических объектов (БО) считается первоочередной задачей.
К настоящему времени хорошо изучены механизмы воздействия на организм ЭМП диапазонов УВЧ и СВЧ с достаточно большой поверхностной плотностью потока энергии (ПППЭ) – УВЧ-теплолечение, СВЧ-диагностика, СВЧ-гипертермия и ЭМП рентгеновского диапазона, электромагнитные волны (ЭМВ) которого обладают высокоэнергетическими квантами. Однако любой живой организм буквально пронизан полями низкой и сверхнизкой интенсивности (электрическими, магнитными, электромагнитными), имеющими как природное, так и техногенное происхождение, отличающимися разнообразием своих характеристик: ПППЭ, спектральный и модовый состав, поляризационные характеристики, киральность и т.д. Более того, биологический объект сам по себе является источником ЭМП.
В настоящее время считается, что ЭМП БО является полем материальной среды, имеющим относительно высокую концентрацию структурных элементов. Физиологические процессы, приводящие к переносу электрического заряда (электрохимические реакции, протекающие в организме; квазиэлектретная поляризация живых тканей; колебания индуцированных зарядов, возникающие вследствие действия атмосферного электричества; вторичное ЭМИ, возникающее в результате воздействия на организм внешних ЭМП и связанное с механическими колебаниями в живом организме на всех его уровнях), создают различные электрические и магнитные поля. Доказано также существование электромагнитного гомеостаза в человеческом организме, т.е. системы, способной обеспечивать взаимодействие ЭМП внешней среды и внутренних ЭМП, генерируемых БО.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что перспективным направлением современного медицинского приборостроения является исследование закономерностей функционирования организма человека, а теоретическое изучение, регистрация и анализ электромагнитных полей и излучений биологических объектов считаются задачами первостепенной важности. Это связано с тем, что изменение ЭМП БО проявляется гораздо раньше внешних и клинических диагностических признаков, что позволяет провести диагностику на самой ранней стадии развития заболевания и дает возможность начать своевременное лечение. Также исследования показывают, что ЭМИ КВЧ может взаимодействовать с живыми объектами вплоть до клеточного уровня, вызывая значительные изменения физиологического состояния клеток и устраняя патологию.
Обзор патентов, проведенный за 1995 – 2006 годы, показал, что имеется определенное количество способов и устройств для снятия и анализа ЭМИ БО. Однако они несут лишь частичную информацию об интегративном поле живого организма. Поэтому задачи создания методик и устройств, позволяющих фиксировать и анализировать в целях диагностики сигнал собственного интегративного электромагнитного поля биологического объекта (СИ ЭМП БО), являются достаточно актуальными. А само это поле максимально информативно и несет большой объем информации как о состоянии отдельных органов БО, так и всей системы организма в целом.
Цель и задачи исследований. Целью работы является автоматизация процесса регистрации, визуализации и исследования интегративных электромагнитных полей живых организмов путем создания программно-аппаратного комплекса, позволяющего фиксировать и анализировать сигналы собственных ЭМП биологических объектов. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
1. Разработка физико-математической модели процессов, протекающих в биологически активных точках кожного покрова БО.
2. Построение электродинамической модели БАТ на крайневысоких частотах.
3. Проектирование и разработка схем интерферометров для прямой регистрации электромагнитного излучения БО, анализ эффективности применения предложенных интерферометров.
4. Разработка методики и соответствующего программно-аппаратного комплекса для косвенной регистрации и анализа ЭМИ БО.
5. Проведение экспериментальных исследований по регистрации интегративных ЭМП живых организмов в норме и патологии.
6. Разработка и построение различных архитектур нейронных сетей для прогнозирования состояния БО на основе информации об ЭМИ его организма.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы исследования, соответствующие следующим основным дисциплинарным направлениям: биофизика полей и излучений и биоинформатика; кибернетика, теория управления и теория информации; электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, а также теория построения и исследования нейронных сетей. Первому направлению соответствуют основные методы анализа взаимодействия электромагнитных полей с живым веществом, включая методы генерации ЭМП биообъектами. При исследовании по остальным направлениям использовались основные методы структурного анализа теории автоматического управления и регулирования, методы экспериментальных исследований характеристик КВЧ-радиометров, основы теории элементарных и микрополосковых антенн и теории первичной обработки КВЧ-сигналов.
Научная новизна. Выполнено комплексное теоретико-экспериментальное исследование, демонстрирующее возможность обнаружения и регистрации отраженного от кожного покрова БО сигнала КВЧ поля и выделения на основе предлагаемого технического решения сигнала собственного интегративного ЭМП живого организма, отражающего текущее физиологическое состояние БО, а также текущие патологические изменения. Предложена методика анализа собственных полей живых организмов на основе применения нейронных сетей. При этом:
1. Создана непротиворечивая физико-математическая модель, которая в первом приближении способна качественно и количественно объяснить все наблюдаемые экспериментально эффекты генерации ЭМП биообъектами.
2. Предложены схемы многофункциональных интерферометров для прямой регистрации ЭМИ живых организмов.
3. Разработана методика косвенной регистрации сигнала собственного интегративного ЭМП живого организма, отражающего текущее физиологическое состояние биологического объекта.
4. Предложена методика, позволяющая прогнозировать состояние биообъектов на основе нейросетевого анализа сигналов СИ ЭМП БО. Исследована эффективность использования различных архитектур нейронных сетей для прогнозирования поведения сигналов СИ ЭМП БО.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в здравоохранении, в медицинском приборостроении и в клинических научно-исследовательских учреждениях для создания многофункциональной высокочастотной диагностической аппаратуры, не оказывающей вредного воздействия на организмы пациентов; для изучения эффектов воздействия низкоинтенсивных КВЧ ЭМП на живой организм в экспериментальной биологии и биофизике. Также развиваемый подход может применяться для создания немедикоментозных методов лечения на ранних стадиях развития патологии и при разработке чувствительных устройств, измеряющих параметры ЭМП биообъектов. Предложенные нейросетевые структуры могут быть адаптированы для анализа широкого спектра сигналов в различных областях науки и техники.
Внедрение результатов работы в практику. Результаты диссертации внедрены в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы ГУП НИИ новых медицинских технологий; в учебный процесс кафедры МБД (ТулГУ, медицинский факультет). Полученные результаты исследований внедрены в биомедицинскую тематику работ ОАО «Шунгит-Био» (г. Тула); в научно-исследовательскую работу и в учебный процесс Естественнонаучного факультета ТГПУ, а также в Курском государственном техническом университете. Разработанное программное обеспечение для анализа сигналов СИ ЭМП БО использовано в технологическом процессе ООО НИЦ «Матрикс», г. Москва.
Положения, выносимые на защиту:
1. Физико-математические модели рецепторов в областях биологически активных точек кожного покрова биообъектов, позволяющие объяснить наблюдаемые экспериментально эффекты генерации ЭМП живыми организмами.
2. Схемы многофункциональных радиометров для прямого съема информации об ЭМИ биообъектов и его характеристиках.
3. Методика косвенной регистрации СИ ЭМП живого организма.
4. Структурная схема и алгоритм работы автоматизированного программно-аппаратного комплекса, предназначенного для регистрации и анализа СИ ЭМП БО.
5. Результаты экспериментальных исследований интегративных полей живых организмов.
6. Методика и алгоритмы проектирования различных архитектур нейронных сетей, позволяющие исследовать сигналы СИ ЭМП БО.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на XXX международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2004 г.), постоянно действующем семинаре МНТО РЭС им. А.С. Попова «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот» (Москва, 2004 – 2007 гг.), III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов по медицине (Тула, 2004 г.), III, IV и V международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, Нижний Новгород, Самара, 2004 – 2006 гг.), XXII научной сессии, посвященной Дню Радио (Тула, 2005 г.), XLIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2005 г.), XXIV научно-технической конференции, посвященной Дню Радио (Тула, 2006 г.), 16-ой международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Украина, Крым, 2006 г.).
Публикации по теме диссертации. Основные материалы диссертации опубликованы в 17 работах, в том числе 1 монографии, библиография которых приведена в списке литературы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, пяти приложений и списка отечественной и зарубежной литературы (209 наименований). Работа содержит 171 страницу машинописного текста, 65 иллюстраций и 4 таблицы.
