Разработка и создание приборов медицинского назначения на основе экспериментального исследования эффектов лечебного воздействия электромагнитного излучения КВЧ- и ТГЧ -диапазонов на биологические среды Креницкий Александр Павлович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Перспективные области и проблемы применения электромагнитного излучения квч- и тгч-диапазонов 31

1.1 Введение 31

1.2 Мировые тенденции применения электромагнитного излучения КВЧ- и ТГЧ-диапазонов в различных областях науки и техники 31

1.3 Проблемы, перспективы и особенности использования электромагнитных волн КВЧ- и ТГЧ- диапазонов в практической медицине и биомедицинских технологиях 38

1.4 Выбор направления исследований 45

1.5 Выводы 49

ГЛАВА 2 Создание аппаратуры для биомедицинских исследований в квч-и тгч-диапазонах 51

2.1 Введение 51

2.2 Передающий тракт, источники излучения, приемники 52

2.3 Установки для исследования воздействия терагерцевого излучения на биологические среды 62

2.4 Установка для измерения частоты и спектральных характеристик 74

2.5 Антенны 79

2.6 Установка для измерения КСВН в квазиоптическом тракте 82

2.7 Установка для измерения ослабления в квазиоптическом тракте 94

2.8 Настройка и измерение радиофизических и метрологических параметров входящих в комплекс установок, приборов и узлов квазиоптического тракта 97

2.9 Малогабаритные генераторы на диодах Ганна 109

2.10 Выводы ПО

ГЛАВА 3 Применение созданной аппаратуры для исследования воздействия на биологические среды электромагнитного излучения квч- и тгч диапазонов, риентированного на профилактику и лечение заболеваний человека 113

3.1 Введение 113

3.2 Предварительные исследования 113

3.3 Исследование зависимости биоэффектов от радиофизических параметров излучения 116

3.4 Применение созданной аппаратуры для исследования воздействия излучения на частотах вращательных спектров поглощения и излучения оксида азота на живые объекты 121

3.4.1 Экспериментальное исследование влияния электромагнитного излучения с частотой 0,24 ТГц на реологические свойства крови больных нестабильной стенокардией 123

3.4.2 Исследование влияния электромагнитного излучения на частоте 0,15 ТГц на микроциркуляцию крови в условиях IN VIVO 129

3.4.3 Клинические исследования эффективности применения электромагнитного излучения на частоте 0,15 ТГц для лечения больных стенокардией 136

3.4.4 Клинические исследования эффективности применения электромагнитного излучения с частотой 0,15 ТГц в комплексном лечении пародонтита 139

3.4.5 Исследование влияния электромагнитного излучения на заживление ожоговых ран 142

3.4.6 Исследование воздействия электромагнитного излучения с частотой 0,4 ТГц на биосреды в условиях IN VITRO 145

3.4.7 Исследование воздействия электромагнитного излучения с частотой 0,15 ТГц на лекарственную устойчивость бактерий Rcoli 147

3.5 Выводы 153

ГЛАВА 4 Применение созданной аппаратуры для исследования воздействия электромагнитного излучения квч- и тгч- диапазонов, ориентированного на лечение заболеваний и оздоровление животных 157

4.1 Введение 157

4.2 Электромагнитная 02-терапия заболеваний органов дыхания у животных 158

4.3 Исследование влияния электромагнитного излучения на частотах молекулярного спектра кислорода О2 на репродукцию животных... 162

4.3.1 Экспериментальное изучение влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на качественные показатели спермы хряков-производителей 164

4.3.2 Исследование воздействия электромагнитного излучения на частотах молекулярного спектра кислорода О2 на воспроизводительные функции свиноматок 168

4.3.3 Изучение влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапазона

на спермопродукцию баранов-производителей 172

4.4 Исследование применения электромагнитного излучения на частотах молекулярного спектра кислорода О2 для лечения и профилактики заболеваний молочной железы у животных 173

4.5 Применение КВЧ-терапии для лечения урогенитальных заболеваний у собак 182

4.6 Лечение и профилактика желудочно-кишечных заболеваний у животных низкоинтенсивным электромагнитным излучением молекулярного спектра кислорода Ch на частоте 0,129 ТГц 185

4.7 Лечение и профилактика животных электромагнитной 02-терапией

при заболеваниях печени 187

4.8 Выводы 190

ГЛАВА 5 Новая ингаляционная молекулярная квч и тгч-акустотерапия 192

5.1 Введение 192

5.2 Молекулярная КВЧ- и ТГЧ-акустотерапия и её модельное представление 193

5.3 Метод ингаляционной КВЧ-акустотерапии 200

5.4 Устройство ингаляционной КВЧ-акустотерапии 202

5.5 Экспериментальная проверка работоспособности макета устройства ингаляционной КВЧ- акустотерапии 205

5.6 Выводы 206

ГЛАВА 6 Аппарат квч-терапии «орбита» 208

6.1 Введение 208

6.2 Назначение, технические характеристики аппарата 208

6.3 Экспериментальное исследование радиофизических характеристик излучения аппарата КВЧ-терапии «Орбита» 211

6.4 О регистрации аппарата КВЧ-терапии «Орбита»в Федеральной службе по надзору в сфере здравоохранения 220

6.5 Выводы 221

Заключение 222

Перечень сокращений и условных обозначений 225

Словарь терминов 228

Список литературы 231

• Проблемы, перспективы и особенности использования электромагнитных волн КВЧ- и ТГЧ- диапазонов в практической медицине и биомедицинских технологиях
• Установка для измерения частоты и спектральных характеристик
• Исследование зависимости биоэффектов от радиофизических параметров излучения
• Исследование применения электромагнитного излучения на частотах молекулярного спектра кислорода О2 для лечения и профилактики заболеваний молочной железы у животных

Введение к работе

Актуальность и степень научной разработанности темы. Характерным для современной микроволновой и терагерцевой техники является всестороннее освоение новых диапазонов частот электромагнитных колебаний и их применение в фундаментальных и прикладных исследованиях. Хорошо известны убедительные примеры применения электромагнитного излучения (ЭМИ) в диапазонах крайне высоких частот (КВЧ) и терагерцевых частот (ТГЧ) в таких областях науки, как биофизика, биология, медицина, а также в традиционных сферах: радиоэлектронике, радиосвязи, радиоспектроскопии и др.

Особые перспективы использования электромагнитного излучения в диапазонах крайневысоких частот и терагерцевых частот в биофизике, биологии, практической медицине подтверждены результатами исследований ряда отечественных и зарубежных авторов (Н. Д. Девятков, Ю. В. Гуляев, О. В. Бецкий, X.-C. Zhang, B. Ferguson, S. Lucas, D. M. Mittleman, A. G. Davis и др.). Это нашло отражение в решении международной конференции по спектроскопии в г. Лидс (Англия) в 1998 г. об установлении границ «биологического» терагерцевого диапазона частот – от 0,1 до 10 ТГц (длина волны от 3 до 0,03 мм соответственно), т.е. от верхней части КВЧ-диапазона до нижней части ТГЧ-диапазона.

Принципиальной основой эффективности воздействия КВЧ- и ТГЧ-излучения на биосреды, в том числе на ткани и органы человека и животных, является экспериментально подтвержденный факт увеличения реакционной способности молекул-метаболитов (NO, О₂, H₂O и др.) при воздействии электромагнитного излучения на частотах их спектров поглощения и излучения.

К началу 2000-х гг. российскими и зарубежными учеными были открыты и исследованы эффекты воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на живые системы в КВЧ-диапазоне на частотах атмосферного кислорода, воды и других содержащих кислород веществ, созданы отрасль медицины (КВЧ-терапия) и большой парк аппаратов КВЧ-терапии, «лечащих» низкоинтенсивным ЭМИ на частотах поглощения и излучения кислорода в диапазоне 0,041–0,118 ТГц.

Опираясь на уже достигнутые в этой области основополагающие результаты отечественных и зарубежных ученых, представляется перспективным решить следующие проблемы:

– продолжить исследование эффектов лечебного воздействия электромагнитного излучения на биологические среды на еще неисследованных частотах – выше 0,118 ТГц;

– для проведения указанных выше исследований разработать комплекс радиотехнической аппаратуры, функционирующий в диапазоне частот 0,1–0,6 ТГц;

– используя созданную аппаратуру и опираясь на экспериментально выявленные с ее помощью новые научные факты лечебного воздействия электромагнитного излучения на живые системы в неисследованных ранее областях КВЧ- и ТГЧ-диапазонов, осуществить разработку, совершенствование и внедрение в медицинскую практику приборов для лечения заболеваний человека и животных.

Практическая значимость поставленных проблем позволяет считать тему диссертационной работы актуальной.

Цель исследования: выявление эффектов лечебного воздействия на биологические среды низкоинтенсивного электромагнитного излучения в неизученных ранее областях КВЧ- и ТГЧ-диапазонов, разработка и создание на этой основе приборов медицинского назначения.

Объект исследования – приборы медицинского назначения для профилактики и лечения широкого спектра заболеваний человека и животных, использующие воздействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ- и ТГЧ-диапазонов.

Предмет исследования – методики проведения экспериментальных биомедицинских исследований эффектов лечебного воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ- и ТГЧ-диапазонов на живые системы и технические средства их реализации.

Основные задачи исследования:

1. Разработка и создание многофункционального комплекса радиотехнической аппаратуры (далее – комплекс) с квазиоптическим трактом для проведения экспериментальных биомедицинских исследований эффектов лечебного воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на живые системы в неисследованных ранее областях КВЧ- и ТГЧ-диапазонов.

2. Разработка методик настройки и измерения частоты, мощности, плотности мощности, поляризации и различных видов модуляции электромагнитного излучения всех генераторов, входящих в комплекс установок, в полосе частот 0,1–0,6 ТГц.

3. Разработка методик метрологической аттестации установок измерения частоты, ослабления и коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) с привязкой к действующим в РФ стандартам и образцовым средствам измерения частоты и ослабления.

4. Исследование зависимости интенсивности биоэффектов от радиофизических параметров излучения с целью их оптимизации по интенсивности биоэффекта, удобству проведения исследований на базе созданной аппаратуры.

5. Разработка методики проведения и выполнение экспериментальных исследований по оценке влияния на живые системы низкоинтенсивного электромагнитного излучения на частотах поглощения и излучения оксида азота NO.

6. Разработка методики проведения и выполнение экспериментальных исследований по оценке воздействия на живые объекты низкоинтенсивного

электромагнитного излучения на частотах поглощения и излучения кислорода O₂.

7. Обобщение результатов экспериментов, формализация и описание новых научных фактов по выявлению эффекта лечебного воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ- и ТГЧ-диапазонов на живые системы, разработка концепции развития нового класса приборов медицинского назначения, использующих указанные выше эффекты и предназначенных для лечения широкого спектра заболеваний людей и животных.

8. Разработка инженерной методики проектирования и внедрение во врачебную практику приборов для лечения заболеваний человека и животных, основанных на использовании выявленных эффектов лечебного воздействия на биологические среды низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ- и ТГЧ-диапазонов.

Методы исследования. Основным средством проведения исследования явился созданный автором многофункциональный радиотехнический комплекс с квазиоптическим трактом, состоящий из установок и устройств различного назначения, который обеспечил выявление и исследование лечебных факторов воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на живые системы в диапазоне частот 0,1–0,6 ТГц. Для эффективной реализации предложенных автором методов исследований были проведены экспериментальные измерения радиофизических характеристик созданной аппаратуры: частоты излучения генераторов при их настройке на частоты вращательных спектров поглощения и излучения выбранных для исследования молекул; спектральных характеристик излучения при различных видах модуляции; КСВН и ослабления узлов квазиоптического тракта, входящих в состав всех установок комплекса.

Оценка эффективности воздействия ЭМИ на живые объекты осуществлялась методами сравнения облученных и необлученных объектов по вязкости крови, параметрам ее элементов (тромбоцитов, эритроцитов) или по времени восстановления пораженных заболеванием участков, органов или систем организма.

В процессе выполнения диссертационной работы использовались методы теории излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн, основы статистического анализа, методы спектрального анализа, а также накопленный опыт и методики исследований по изучению влияния электромагнитного излучения на реакционные способности молекул-метаболитов.

Научная новизна работы:

1 Создан многофункциональный комплекс радиотехнической аппаратуры с квазиоптическим трактом для проведения экспериментальных исследований по воздействию электромагнитного излучения на живые объекты

в неисследованных ранее областях КВЧ- и ТГЧ-диапазонов. Принципиально новые аппараты и устройства, входящие в данный комплекс, запатентованы.

2. Экспериментально подтверждена гипотеза о наличии лечебного фактора воздействия на организмы человека и животных низкоинтенсивного электромагнитного излучения в неисследованных ранее областях КВЧ- и ТГЧ-диапазонов и определены радиофизические параметры излучения (частота, плотность мощности, поляризация, вид модуляции), при которых это лечебное действие проявляется.

3. Предложена концепция и создана методологическая основа для разработки и совершенствования нового класса приборов медицинского назначения, использующих эффекты лечебного воздействия на живые системы низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ- и ТГЧ-диапазонов.

4. Экспериментально получена функциональная зависимость проявления лечебных биоэффектов от частоты в пределах выбранного, ранее еще неисследованного диапазона частот, а также от других радиофизических параметров электромагнитного излучения (мощности, плотности мощности, поляризации, вида модуляции). Установлено, что лечебный биоэффект имеет максимальное значение для правоциркулярной поляризации по сравнению с другими видами поляризации при прочих одинаковых параметрах излучения.

5. Проведенные в процессе клинических испытаний исследования воздействия электромагнитного излучения на частотах поглощения и излучения молекул оксида азота NO, выполненные на базе разработанного комплекса, позволили установить следующие новые научные факты:

– получен ярко выраженный терапевтический эффект в результате применения электромагнитного излучения на частотах вблизи 0,15 и 0,24 ТГц для лечения больных сердечно-сосудистыми заболеваниями;

– доказана эффективность применения электромагнитного излучения на частоте вблизи 0,15 ТГц в комплексном лечении пародонтита;

– установлено, что воздействие электромагнитного излучения на частоте вблизи 0,15 ТГц в 5–7 раз сокращает время заживления ожоговых и послеоперационных ран.

6. Выявленные в процессе клинических испытаний эффекты лечебного воздействия ЭМИ молекул оксида азота NO вблизи частот 0,15 и 0,24 ТГц позволили создать новые медицинские приборы и способы лечения больных людей, которые запатентованы и подтверждены соответствующими протоколами испытаний и актами внедрения в отечественных медицинских учреждениях.

7. Разработан новый метод молекулярной ингаляционной КВЧ- и ТГЧ-акустотерапии, основанный на совместном использовании биомедицинских эффектов воздействия как КВЧ- и ТГЧ-волн, так и акустических волн в атмосферном воздухе. Реализующее его устройство ингаляционной КВЧ- и ТГЧ-акустотерапии признано изобретением.

8 Впервые были выполнены исследования и подтверждены результаты лечебного воздействия ЭМИ молекулярного спектра кислорода O₂ вблизи частоты 0,129 ТГц на сельскохозяйственных животных, позволившие обнаружить возникновение в крови животных эндогенного кислорода. Были разработаны, запатентованы и внедрены в ветеринарную практику приборы и способы лечения, оздоровления и повышения продуктивности сельскохозяйственных животных.

Аргументированность, достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием современных методов расчета на основе общепринятых физических и биологических моделей процессов, происходящих при заболеваниях человека и животных; статистической обработкой результатов экспериментов, согласованием основных теоретических положений с результатами экспериментов, а также их признанием научной общественностью.

Достоверность полученных результатов также подтверждается их проверкой и использованием в практической деятельности медицинских и ветеринарных учреждений Москвы, Саратова и Саратовской области, о чем свидетельствуют протоколы медицинских испытаний и акты внедрения, представленные в приложениях к диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1 Разработанный многофункциональный комплекс радиотехнической
аппаратуры с квазиоптическим трактом для исследования воздействия низ
коинтенсивного электромагнитного излучения на биологические среды,
позволивший обеспечить:

– проведение исследований степени воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на частотах поглощения и излучения вращательных спектральных линий молекул оксида азота и кислорода на живые системы в диапазоне частот 0,1–0,6 ТГц;

– исследование зависимости интенсивности биоэффектов от радиофизических параметров излучения;

– настройку и измерение частоты, мощности, поляризации и вида модуляции излучения на требуемые для проведения исследований значения;

– изоляцию образцов биосред, помещенных внутрь квазиоптического тракта, от воздействия внешних естественных и искусственных электромагнитных полей во время проведения экспериментальных исследований.

Разработанные методики метрологической аттестации и поверки входящих в комплекс установок измерения частоты и спектральных характеристик излучения, ослабления и КСВН в квазиоптическом тракте привязаны к действующим в РФ стандартам и существующим образцовым средствам измерения частоты и ослабления.

2 Новые подходы, основанные на воздействии на организмы больных
людей низкоинтенсивного электромагнитного излучения молекул оксида
азота NO вблизи частот 0,15 и 0,24 ТГц при помощи разработанного

комплекса и позволившие установить эффективность терапевтического лечения больных сердечно-сосудистыми заболеваниями, лечения пародонтита, больных с ожоговыми и послеоперационными ранами, больных с поражением периферической нервной системы и ряда других заболеваний человека.

3. Новые подходы, основанные на лечебном воздействии низкоинтенсивного электромагнитного излучения молекул кислорода O₂ вблизи частоты 0,129 ТГц на сельскохозяйственных животных и позволившие разработать, запатентовать и внедрить в ветеринарную практику приборы и способы лечения, оздоровления и повышения продуктивности сельскохозяйственных животных.

4. Результаты экспериментального исследования зависимости интенсивности биоэффектов от радиофизических параметров ЭМИ, подтвердившие увеличение лечебного воздействия ЭМИ с возрастанием его частоты в пределах выбранного, ранее неисследованного диапазона частот. Эффект имеет максимальное значение для правоциркулярной поляризации по сравнению с другими видами поляризации при прочих одинаковых параметрах излучения.

5. Результаты исследования биомедицинских эффектов совместного воздействия на живые системы акустических, КВЧ- и ТГЧ-волн, которые позволили разработать и запатентовать прибор ингаляционной КВЧ- и ТГЧ-акустотерапии.

6. Созданный, запатентованный и разрешенный Росздравнадзором к производству, продаже и применению на территории Российской Федерации аппарат КВЧ-терапии «Орбита», предназначенный для лечения широкого спектра заболеваний людей и животных низкоинтенсивным электромагнитным излучением на частотах вблизи 0,129 ТГц и 0,15 ТГц.

Практическая значимость работы. Созданная радиотехническая аппаратура (комплекс с квазиоптическим трактом и терапевтические аппараты с излучателями на диодах Ганна) была применена для исследования эффектов воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на организм людей и животных на ранее неисследованных частотах. Результаты этих исследований нашли практическое применение в создании приборов медицинского назначения для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, ожоговых и послеоперационных ран, пародонтита, для лечения больных с поражением периферической нервной системы и других заболеваний человека, а также в ветеринарии для лечения, оздоровления и повышения продуктивности сельскохозяйственных животных. Эффективность применяемых методов электромагнитного облучения больных людей и животных подтверждена шестью протоколами медицинских испытаний, проведенных в ряде медицинских и ветеринарных учреждений Москвы и Саратова, а также пятью актами внедрения, представленными в приложениях к диссертации. Получены 15 патентов на устройства, аппараты и способы лечения раз-8

личных заболеваний людей и животных с применением этих приборов. Созданный по результатам выполненных исследований аппарат КВЧ-терапии «Орбита» прошел технические и медицинские испытания в учреждениях Министерства здравоохранения РФ, по результатам которых приказом Рос-здравнадзора разрешено его производство, продажа и применение на территории Российской Федерации. Аппарат запатентован, организовано его производство.

Перспективность проведенных исследований определяется следующими факторами:

– созданный многофункциональный комплекс радиотехнической аппаратуры с квазиоптическим трактом открыл новые возможности в исследовании лечебных биомедицинских эффектов не только вблизи частот 0,129, 0,15 и 0,24 ТГц, которые уже реализованы соискателем в конкретных приборах медицинского назначения, но и на частоте 0,4 ТГц, что позволит создать новые приборы медицинского назначения для лечения различных заболеваний человека и животных;

– с учетом того что диапазон частот спектральных линий оксида азота, кислорода и других молекул-метаболитов простирается до 1,5 и более тера-герц, после разработки новых типов генераторов и приемников, работающих на этих частотах, станет возможным создание терапевтических приборов новых поколений;

– созданный комплекс, кроме медицинского применения, обеспечивает возможность проведения исследований и в радиоэлектронике. Он, в частности, был эффективно использован в качестве важного элемента технологического процесса исследования и разработки специальных устройств поляризации электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот, предназначенных для приемопередающих трактов радиолокационных станций. Устройства поляризации запатентованы и уже внедрены в современных системах вооружения военной и специальной техники.

Личный вклад автора. Признание научной общественностью уникальной роли молекул оксида азота в жизнедеятельности и отсутствие к началу настоящей работы сведений об исследованиях биоэффектов на частотах поглощения и излучения молекул оксида азота NO позволили автору определить основное содержание диссертации, заключающееся в разработке многофункционального комплекса радиотехнической аппаратуры с квазиоптическим трактом для биомедицинских исследований и выявления с его помощью эффектов лечебного воздействия ЭМИ КВЧ- и ТГЧ-диапазонов на биологические среды, в создании на основе результатов этих исследований нового поколения высокоэффективных медицинских приборов для лечения заболеваний человека и животных. Личный вклад автора состоит также в обосновании и постановке основных задач экспериментальных исследований, результаты которых отражены в разделах «Научная новизна» и «Положения, выносимые на защиту», в обосновании методов их решения, в про-

ведении расчетов, измерений, в обсуждении и формулировании научных выводов. При непосредственном участии автора диссертации проводились: разработка узлов квазиоптического тракта и входящих в состав комплекса установок, разработка методик измерения их радиофизических характеристик, методов измерения радиофизических параметров излучения в КВЧ- и ТГЧ-диапазонах, разработка, совершенствование и внедрение во врачебную практику новых медицинских приборов.

Разделы диссертации, связанные с анализом и проверкой результатов применения КВЧ- и ТГЧ-терапии в различных сферах клинической практики лечения заболеваний человека, выполнены совместно с докторами медицинских наук, профессорами Саратовского государственного медицинского университета В. Ф. Киричуком, А. В. Лепилиным, Н. В. Островским и руководимыми ими сотрудниками. Раздел, связанный с применением ЭМИ-терапии в ветеринарии для лечения, оздоровления и повышения продуктивности животных, выполнен совместно с доктором ветеринарных наук, профессором Саратовского государственного аграрного университета В. С. Авдеенко и его учениками. Все совместно полученные результаты защищены соответствующими публикациями соискателя в соавторстве с указанными выше лицами.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждались: на XII, XIII и XIV Российских симпозиумах с международным участием «Миллиметровые волны в биологии и медицине» (г. Звенигород, 2000, 2003 и 2007 гг.); VII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 24–26 апреля 2001 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем» (г. Санкт-Петербург, 2001 г.); VIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (г. Нижний Новгород, 22–24 сентября 2004 г.); Международной конференции по гемореологии в микро- и макроциркуляции (г. Ярославль, 2005 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в медицине» (г. Саратов, СГМУ, 2001 г.); 60-й научной сессии, посвященной Дню радио (г. Санкт-Петербург, 17–19 мая 2005 г.); 3th International Conference on Computational Electromagnetics and Its Applications (Beijing, Китай, 1–4 ноября 2004 г.); Международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Волгоград, 6–12 сентября 2004 г.); III Всемирном конгрессе по клинической патологии и реабилитации в медицине (г. Паттайя, Таиланд, 4–11 февраля 2005 г.); Второй всероссийской научной конференции с международным участием «Клиническая гемостазиология и гемореология в сердечно-сосудистой хирургии» (г. Москва, февраль 2005 г.); 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13^th International Conference on Terahertz Electronics (Williamsburg, VA, США, 19–23 сентября 2005 г.); 17th International Crimean Conference «Microwave and Telecommuni-

cation Technology» (Ukraine, Crime, Sevastopol, September 10–14 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Стратегия развития радиоэлектронного комплекса в России» (г. Нижний Новгород, 12–14 сентября 2007 г.); 13th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless communications (Poland, Wroclaw, May 19–21 2008 г.); XV Российском симпозиуме с международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии» (г. Москва, 2009 г.).

Разработанная аппаратура была представлена на пяти научно-технических выставках и ярмарках. Аппарат КВЧ-терапии «Орбита» был удостоен золотой медали первой Саратовской ярмарки медицинских технологий (2008).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 71 научной работе. В их числе 32 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, пять монографий, три публикации в ведущих зарубежных журналах, 15 патентов Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 204 наименований. Работа изложена на 281 странице, содержит 41 рисунок, 51 таблицу и 13 приложений, содержащих протоколы медицинских испытаний, регистрационные удостоверения Росздравнадзора и пять актов внедрения аппарата КВЧ-терапии «Орбита» в медицинскую и ветеринарную практику.

Проблемы, перспективы и особенности использования электромагнитных волн КВЧ- и ТГЧ- диапазонов в практической медицине и биомедицинских технологиях

В разделе 5.2 для исследования процесса прохождения ЭМИ с частотами вращательных спектральных линий поглощения и излучения молекул через дыхательную систему в кровь была предложена электродинамическая модель дыхательной системы человека в виде разветвленных с уменьшением диаметра отрезков полого диэлектрического лучевода, соответствующих трахее, бронхам и бронхиолам дыхательной системы, каналы которых образованы диэлектрической тканью, поглощающей электромагнитное излучение в КВЧ- и ТГЧ-диапазонах. Каналы дыхательной системы и полого диэлектрического лучевода имеют близкие формы поперечного сечения.

Для подтверждения соответствия дыхательной системы предложенной модели были проведены измерения ослабления отрезков лучевода длиной 100 мм и трахеи той же длины с внутренним диаметром около 20 мм в диапазоне частот 150 - 400 ГГц. Результаты измерений показали, что частотные зависимости ослабления отрезков лучевода близки к идентичной зависимости трахеи. Полученный результат позволил применять для исследования прохождения электромагнитного излучения КВЧ и ТГЧ по дыхательной системе соотношения для распространяющихся по лучеводу полей. На частотах 0,15, 0,24, 0,4, 0,75 и 1,0 ТГц были рассчитаны для выбранных значений радиуса лучевода и длины каждого участка: погонное ослабление и ослабление каждого участка, ослабление ветви как сумма ослаблений всех участков и ослабление дыхательной системы как сумма ослаблений всех ветвей.

В разделе 5.3 описан метод ингаляционной КВЧ-акустотерапии, заключающийся в использовании ультразвукового ингалятора, заполненного водой с аскорбиновой кислотой, как генератора молекулярного потока N0 в аэрозоль и резонансного квазиоптического генератора ЭМИ на частотах вращательных спектров излучения и поглощения N0 как возбудителя молекулярного потока N0 в аэрозоле, модулированного по плотности низкочастотной акустической волной. В разделе 5.4 представлено описание устройства ингаляционной КВЧ-акустотерапии, реализующего предложенный метод лечения человека и животных.

В разделе 5.5 приведены результаты экспериментальной проверки работоспособности макета устройства ингаляционной КВЧ-акустотерапии. Проверка работоспособности была проведена в условиях IN VIVO на модели, имитирующей нарушения в крови при стрессе. В качестве модели использовался иммобилизационный стресс, возникающий при жесткой фиксации крыс. Методика исследования и использованная аппаратура были идентичны применным в главе 3. Исследование крови животных после окончания процедуры показало снижение по сравнению с кровью группы контроля функциональной активности тромбоцитов и частичную нормализацию других изменённых при стрессе свойств крови, что является подтверждением эффективности устройства. Предложенный новый перспективный метод молекулярной ингаляционной КВЧ-акустотерапии может использоваться для лечения электромагнитным излучением с частотами молекулярных вращательных спектров поглощения и излучения и других (кроме N0) молекул веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности. Глава 6 посвящена описанию технических характеристик, конструкции и результатов испытаний разработанного автором диссертации и реализующего эффекты лечебного воздействия электромагнитного излучения на живые системы аппарата КВЧ-терапии «Орбита». В разделе 6.2 приведены сведения о конструкции и основных технических характеристиках аппарата.

В аппарате применены генераторы (излучатели) на диодах Ганна типов КВЧ-1 (129 ГГц) и КВЧ-2 (150 ГГц). Аппарат создан в трёх исполнениях: 01 - с излучателями КВЧ-1 и КВЧ-2, 02 - с излучателем КВЧ-1 и 03 -с излучателем КВЧ-2. Разработаны комплекты конструкторской и эксплуатационной документации и технические условия для серийного изготовления аппаратов. В разделе 6.3 приведены результаты экспериментальных исследований радиофизических характеристик излучения аппарата КВЧ-терапии «Орбита».

Были измерены: частота, ширина спектральной линии по уровню 0,5 от максимальной мощности, мощность излучения в режиме непрерывной генерации (НГ), спектр излучения с включенной частотной модуляцией, поляризация, диаграмма направленности и нестабильность частоты. Измерения проводились с излучателями КВЧ-1 (2 шт.) и КВЧ-2 (6 шт.).

По результатам выполненных измерений были сделаны следующие выводы: 1 Ширина спектральной линии излучения по уровню 0,5 от максимума составляет несколько мегагерц, что значительно больше расчетного значения интервала между спектральными линиями в спектре частотной модуляции. 2 Ширина спектра близка к 2Аю (ю - девиация частоты), а за нижней и верхней границами спектра сигнал отсутствует, что согласуется с ранее сделанной оценкой спектра излучения для частотной модуляции при больших значениях индекса модуляции т (т 1,5-106) и частоте модуляции П 100 Гц. 3 Анализ спектра излучения аппарата с излучателем КВЧ-2 показывает, что при измеренных значениях центральной частоты и ширины спектра излучение аппарата перекрывает диапазон от 150,392 до 150,039 ГГц, в который попадают частоты шести из десяти спектральных линий первой полосы оксида азота. 4 Вид измеренной АЧХ спектра определяется изменением мощности излучения диода Ганна при перестройке частоты, АЧХ внешнего смесителя анализатора спектра и выбранными значениями полосы разрешения анализатора спектра. Полученные результаты с излучателями КВЧ-2 экспериментально проиллюстрировали значение точности настройки частоты излучения на середину полосы спектральных линий N0 для получения наибольшего терапевтического эффекта.

Установка для измерения частоты и спектральных характеристик

К началу настоящей диссертационной работы необходимая для исследований стандартная аппаратура в диапазоне частот выше 118 ГГц либо отсутствовала, либо выполняла небольшую часть отдельных исследовательских функций [65-71]. Поэтому для проведения исследований с живыми объектами в высокочастотной области КВЧ- и ТГЧ-диапазонов было необходимо создать специальную аппаратуру с требуемыми параметрами.

Это определило необходимость создания панорамно-спектрометрического комплекса [72-75], способного решать разные задачи исследования взаимодействия КВЧ- и терагерцевого излучения с биологическими объектами.

Основная трудность при создании комплекса возникла при выборе линии передачи, определяющим требованием к которой являлась возможность размещать исследуемые объекты не только в свободном пространстве, но и внутри линии передачи для изоляции их от воздействия внешних электромагнитных полей. Из последнего требования следует, что применение передающей линии типа стандартных волноводов КВЧ- и ТГЧ-диапазонов невозможно из-за малых размеров их поперечного сечения. Применение в терагерцевом диапазоне зеркальных и линзовых линий передачи, используемых в оптическом и инфракрасном диапазонах, невозможно по причине их открытого устройства. Поэтому в КВЧ- и ТГЧ-диапазонах оказалось необходимым использование новых технических приёмов конструирования узлов и элементов аппаратуры. Использование при проведении исследований описанной в [72] аппаратуры выявило необходимость её существенной доработки. Описание комплекса созданной радиотехнической аппаратуры [76] приведено в настоящей главе. Комплекс состоит из ряда новых, специально созданных аппаратов, устройств, узлов и приборов, а также отдельных серийных приборов и устройств, позволяющих компоновать установки различного функционального назначения и содержит: -комплект установок в диапазонах 0,12-0,16 ТГц, 0,16-0,26 ТГц, 0,26 - 0,535 ТГц для выявления и исследования лечебных эффектов на выбранных частотах спектральных линий молекул биосреды; -установки для измерения частоты и спектральных характеристик излучения; -установки для измерения коэффициента ослабления и КСВН в квазиоптическом тракте; -установки для настройки и тестирования исследовательских приборов на требуемые параметры излучения: частоту, мощность, плотность мощности, вид поляризации (левоциркулярная, правоциркулярная, линейная), время облучения, вид модуляции; -макеты малогабаритных генераторов на диодах Ганна с частотами излучения вблизи 0,129 ТГц и 0,15 ТГц, предназначенные для выполнения исследований в условиях медицинских учреждений и исследовательских лабораторий.

Основными компонентами комплекса, входящими в состав всех установок, являются узлы квазиоптического тракта, генераторы излучения и приёмники.

В качестве передающей линии был применён квазиоптический тракт из узлов полого диэлектрического лучевода (ПДЛ).

В Центральном научно-исследовательском институте измерительной аппаратуры на основе проведенных исследований [77] автором диссертации с участием сотрудников этого института была выполнена опытно-конструкторская работа [78], в которой была разработана конструкторская и технологическая документация, технические условия на комплект квазиоптических узлов на основе полого диэлектрического лучевода (ПДЛ), а также изготовлена партия этих узлов.

Полый диэлектрический лучевод представляет собой цилиндрический воздушный канал в диэлектрике. Основная часть энергии распространяется внутри этого канала в виде спектра собственных типов волн, каждый из которых обладает определённой постоянной затухания и фазовой скоростью.

Теоретическое исследование структуры электромагнитного поля в ПДЛ [79-81] выполнено решением уравнения Максвелла для лучевода в виде круглого цилиндрического отверстия в бесконечном диэлектрике при следующих условиях 27Г 8 КХа = — » (2.1) «1, где S и К - постоянные распространения соответственно в лучеводе и в свободном пространстве, Unm - m-YL корень уравнения ]n-X{JJn7 ) = 0, где J функция Бесселя первого рода, Є = I— - комплексный коэффициент преломления на границе д/2 внешней и внутренней сред. я Физические условия (2.1) предполагают рассмотрение случая, когда а мало и волны имеют малые потери, т.е. их постоянные распространения в лучеводе и в свободном пространстве близки. В спектре собственных типов волн ПДЛ существуют поперечно-электрические ТЕот, поперечно-магнитные ТНот и гибридные ЕНПт вОЛНЫ. Постоянные затухания каждого типа волны имеют вид где п Ve2-1 с2 n Ve2-1 ґи \2 л2 ttn» = (- -J Re (n) - для волн типа Шош (п = 0), — для волн типа ТНот (п = 0)) (2.2) п = 0,5 (2+1) V2-l для волн типа ІІТ/ИШ (n 0). Постоянная затухания апт пропорциональна —. Поэтому, выбирая радиус лучевода достаточно большим по сравнению с длиной волны X, можно получить затухание в требуемых пределах. Из формулы (2.2) видно, что затухание лучевода возрастает пропорционально Xі и зависит от Є. Компоненты поля для гибридных волн типа ЕНпт (п ф 0) в цилиндрической системе координат имеют вид [79-81], представленный ниже. Компоненты с индексами / и е относятся к полям внутри цилиндра и вне его соответственно. Из формул (2.1-2.6) видно, что амплитуда продольной компонеты поля в - раз а поперечных.

Исследование зависимости биоэффектов от радиофизических параметров излучения

Полученные решением электродинамической задачи соотношения позволили рассчитать параметры поляризаторов в зависимости от геометрических размеров и длины падающей электромагнитной волны. Поляризаторы предложенной автором конструкции имеют более высокую надежность, что позволило применять их не только в узлах квазиоптических трактов установок комплекса, но и ВЧ-трактах радиолокаторов. При настройке и испытании установок, а также при исследовании биосред входящие в комплекс узлы и приборы выполняют следующие функции. Квазиоптический поляризационный аттенюатор 3 в полом диэлектрическом лучеводе предназначен для плавного калиброванного изменения мощности в квазиоптическом тракте и сконструирован по классической схеме с тремя поляризаторами в виде сеточных решёток. Решётки расположены в лучеводе под углом 30 к его оси. Отражённое от решёток излучение поглощается в диэлектрической трубе лучевода. Крайние решётки неподвижны, а средняя вращается вокруг оси лучевода. Расчётное значение изменения ослабления нанесено на его шкалу в соответствии с формулой А(дБ) = 40 logsес в. Аттенюатор позволяет изменять ослабление А (в децибелах) в пределах от 0 до 25 дБ с погрешностью ±0,2+0,02А. Остальные характеристики аттенюатора приведены в таблице 2.2.

Устройства 7, 8 и 9 предназначены для преобразования линейной поляризации излучения генератора в левоциркулярную и правоциркулярную.

Волномер 10 служит для контроля частоты генераторов 1 при их настройке. В волномере использован квазиоптический резонатор Фабри - Перо, образованный отрезком полого диэлектрического лучевода с двумя плоскими зеркалами. Связь резонатора с лучеводом осуществляется через частично прозрачное зеркало, в качестве которого используется решётка - поляризатор. При линейной поляризации излучения вращением решётки вокруг её оси возможно изменение пропускания. Это зеркало можно юстировать в двух направлениях для получения наибольшего сигнала при резонансе. Подвижное зеркало является полностью отражающим и может перемещаться в пределах от 0 до 10 мм посредством безлюфтового микрометрического винта, имеющего шкалу с ценой деления 5 мкм и нониус с ценой деления 0,5 мкм. При подготовке к измерениям волномер присоединяют к выходу Б делителя луча 4 (см. рисунок 2.2). Настройка волномера в резонанс индицируется приёмником 5 по уменьшению отражённого от волномера сигнала. Резонансы в волномере расположены на расстоянии половины длины волны. Измеряя расстояние L между 1-ми 10-м максимумами, длину волны X в лучеводе при одноразовом измерении рассчитывают по формуле

Очевидно, что от точности настройки частоты зависит проявление и интенсивность биоэффекта. Поэтому была разработана приведённая ниже в разделе 2.4 методика метрологической аттестации волномера, по которой была выполнена его аттестация.

Результаты аттестации волномера по погрешности на выбранных частотах приведены в разделе 2.6 настоящей главы.

Для измерения средней мощности излучения, поступающей на выход Б делителя луча, применяют калориметрический измеритель поглощаемой мощности 11. Приёмник 5 используется при измерении частоты генераторов с помощью квазиоптического волномера, при настройке и контроле поляризации и для контроля присутствия мощности излучения в тракте. Анализатор спектра 12 предназначается для измерения частоты при настройке генераторов и спектральных характеристик излучения генератора при непрерывной генерации и при его модуляции (амплитудной, частотной, фазовой, шумовой). Возможно использование анализатора спектра в качестве чувствительного приёмника. ЭВМ 14 предназначается для автоматизации исследований в диапазонах 0,12-0,16 ТГц и 0,16-0,26 ТГц и содержит программы для автоматического выполнения следующих функций генератора: 1 Управление процессом исследования с установкой нужной частоты и мощности непрерывного излучения, включение и выключение генератора по заданной программе; оформление результатов исследования с распечаткой протокола. 2 Амплитудная модуляция излучения генератора. 3 Амплитудная модуляция излучения генератора низкочастотным шумом с заданным частотным распределением (фрактальным, Пуассона или Гаусса) амплитудных шумов в спектре. 4 Частотная модуляция небольшой частотой с девиацией до 500 МГц. Программа пользователя представляет собой набор модулей, написанных на языке Object Pascal и оформленных в среде Delphi версии 5.0 в виде приложений, работающих под управлением Windows. Обмен данными осуществлялся по стандартному протоколу обмена IEEE 488.

Вследствие небольшого уровня мощности применённых генераторов проблема поиска методов увеличения интенсивности биоэффекта требует специального рассмотрения.

Известно, что излучение искусственных источников по техническим причинам имеет собственную шумовую модуляцию, т.е. спектральные линии имеют некоторую шумовую составляющую вокруг центральной частоты. Многолетними исследованиями на частотах 1-й полосы кислорода [45] установлено, что биоэффект проявляется при облучении среды в некоторой полосе частот (вблизи 1 МГц для генераторов на ЛОВ-О) вокруг резонансной частоты молекул-метаболитов. Следовательно, биосреду возможно и необходимо облучать шумоподобным сигналом, частотный интервал которого не меньше полосы частот поглощения вращательной спектральной линии молекулы.

Максимальный биоэффект достигается при совмещении частоты воздействующего непрерывного излучения с резонансной частотой вращательной спектральной линии излучения и поглощения выбранной молекулы биосреды.

Точная настройка при облучении среды в режиме непрерывной генерации на частоте одной спектральной линии может оказаться невозможной из-за недопустимо большой погрешности измерения частоты, нестабильности частоты за время облучения и конечной ширины спектральной линии излучения генератора. Искусственное расширение спектра шумоподобного излучения генератора возможно с применением его амплитудной и частотной модуляции. Этот приём позволяет не только повысить величину перекрытия спектральной области поглощения молекулы, но и уменьшить в допустимых пределах требования к погрешности установки частоты излучения генератора.

Амплитудная и частотная модуляция возможна для генераторов, предназначенных для работы на частотах вокруг 0,129, 0,15 и 0,24 ТГц. Генераторы на ЛОВ субмиллиметрового диапазона и на диодах Ганна такой возможностью не обладают.

На всех выбранных частотах интенсивность биоэффекта может быть значительно увеличена одновременным облучением среды на частотах всех входящих в полосу спектральных линий. Максимальный биоэффект достигается при совмещении частоты излучения генератора с резонансной частотой выбранной молекулы биосреды. Для генераторов всех типов, примененных в настоящей работе, эта задача может быть решена применением частотной модуляции.

Исследование применения электромагнитного излучения на частотах молекулярного спектра кислорода О2 для лечения и профилактики заболеваний молочной железы у животных

Исследование зависимости интенсивности биоэффектов от параметров низкоитенсивного излучения на выбранных частотах вращательных спектров поглощения и излучения молекул оксида азота N0 и кислорода Ch необходимо было выполнить по следующим причинам. Во-первых, было необходимо получить сведения о вкладе каждого параметра излучения в интенсивность биоэффекта для выбора оптимальных значений параметров излучения применяемой для исследований аппаратуры. Во-вторых, к началу настоящей работы отсутствовали сведения о проведении подобных исследований на выбранных частотах. В настоящем разделе приведены результаты исследования влияния на интенсивность биоэффекта частоты, плотности мощности, поляризации и вида модуляции излучения.

Исследования выполнялись на установках, описанных в главе 2 (см. раздел 2.3). Зависимость интенсивности эффекта от плотности мощности и поляризации исследовалась на эталонных штаммах бактерий Е.coli К12 методом АВЗВ. С помощью ротационного вискозиметра АКР-2 определялась вязкость в условиях IN VITRO до и после облучения. Изменение вязкости в результате облучения являлось проявлением воздействия ЭМИ на биосреду. Все генераторы работали в режиме непрерывной генерации.

Для исследования из международной базы HITRAN было выбрано по одной спектральной линии в каждой из полос: 0,1295; 0,150438; 0,240493 и 0,405206 ТГц по следующему критерию: частотный интервал между выбранной и соседними спектральными линиями должен быть больше абсолютной погрешности измерения частоты при её настройке.

Настройка на выбранные частоты в диапазоне 0,12-0,26 ТГц контролировалась по анализатору спектра с относительной погрешностью 10 6. Настройка на частоту 0,405206 ТТц контролировалась волномером с относительной погрешностью 4 10 3.

Исследования зависимости биоэффекта от плотности мощности были выполнены при следующих условиях:

Для увеличения мощности облучающего поля установки по схеме рисунка 2.2 были изменены следующим образом: делитель луча 4 с присоединёнными к нему узлами отсоединялся от выхода поляризационного аттенюатора 3, и к нему подключалась согласованная нагрузка 6, в которую в колбе Эппендорфа помещались исследуемые образцы. Подаваемая в согласованную нагрузку мощность измерялась ваттметром поглощаемой мощности типа МЗ-75/6 с приёмным преобразователем в волноводном канале сечением 1,6x0,8 мм2, который подключался к выходу поляризационного аттенюатора 3 через волноводно-лучеводный переход (ВЛП) (см. таблицу 2.2). В погрешность измерения мощности ваттметром вносились поправки на потери в ВЛП и на отражения от приёмного преобразователя и ВЛП. Мощность на каждой частоте измерялась при установке на 0 дБ шкалы поляризационного атенюатора 3 (рисунок 2.2). При измерениях на частотах вблизи 0,129 ТГц и 0,15 ТГц между выходом генератора 1 и ВЛП 2 (рисунок 2.2) включался волноводный поляризационный аттенюатор АП-19 в канале 1,6x0,8 мм2, что позволило расширить диапазон изменения плотности мощности на 70 дБ. Поляризация облучающего поля - линейная. Время облучения всех образцов - 15 минут. Плотность мощности в режиме непрерывной генерации около 1 мВт/см2. При расчёте плотности мощности использовалась площадь поперечного сечения соосного ВЛП цилиндра, диаметр которого равен диаметру колбы Эппендорфа и в котором находилось по выполненным оценкам около 80 % распространяющейся по ВЛП мощности.

Были проведены экспериментальные исследования зависимости интенсивности биоэффекта на примере изменения вязкости крови больных стенокардией от радиофизических параметров излучения (частоты, плотности мощности, поляризации и вида модуляции) в условиях IN на каждой VITRO. Результаты измерения зависимости биоэффекта от изменения плотности мощности на выбранных частотах приведены в таблице 3.1. мощности, Вт/см2 Исследование влияния поляризации излучения на интенсивность биоэффекта было выполнено на установках для исследования биосред (см. главу 2) облучением крови больных стенокардией людей при следующих условиях. На всех выбранных частотах плотность мощности была около 5-Ю"4 Вт/см2, а экспозиция - 15 мин. Для повышения достоверности результатов на каждой частоте применялись многократные измерения с разными образцами крови. Все биоэффекты частоте были нормированы на эффект того типа циркулярной поляризации, где он имел максимальное значение.