Актуальность проблемы.
Среди известных видов взаимодействий электромагнитное определяет основные процессы в живой природе от атомарного уровня до взаимодействия организмов с внешней средой. Например, межатомные и межмолекулярные силы имеют электромагнитную природу. Вместе с тем механизмы воздействия электромагнитного поля (ЭМП) на биообъекты и его последствия недостаточно изучены. Используя известную терминологию, можно рассматривать стимулирующее жизнедеятельность воздействие ЭМП как адекватное, угнетающее жизнедеятельность - как неадекватное.
Адекватное воздействие повсеместно используется в физиотерапии [1]. К настоящему времени созданы и применяются в клинической практике различные магнитотерапевтические устройства [2], обеспечивающие такое воздействие в широком диапазоне частот [3]. Высокочастотные поля обеспечивают в основном термические эффекты, которые по своей природе не являются избирательными. Наименее изучены воздействия низкочастотных полей, что представляет значительный интерес для биомедицинских исследований. Предполагается, что в результате их действия возможно изменение процессов клеточного дыхания и метаболизма. При частотах менее 1 кГц клеточная мембрана экранирует электрическую составляющую ЭМП.
Существуют литературные данные, свидетельствующие о том, что даже малоинтенсивные (~ 1 мТл) низкочастотные переменные и импульсные магнитные поля (МП) оказывают противовоспалительное, обезболивающее действия, активно влияют на обмен веществ и процессы репаративной регенерации травмированных тканей. Следует отметить, что практика применения таких полей в значительной мере основана на эмпирических данных. К настоящему времени не установлены предельно допустимые уровни и дозировки низкочастотного МП, а так же режимы и методы его воздействия. Вместе с тем, не меньший интерес представляют условия неадекватного воздействия МП на биообъекты, которое в целом ряде случаев может быть полезно для подавления жизнедеятельности, например, патологических клеток. Известны лишь отдельные работы по неадекватному локальному воздействию низкочастотного МП на злокачественные опухоли. Использованные при этом экспериментальные устройства (ЭУ) из-за их несовершенства не получили научного и практического применения. Поэтому разработка и создание ЭУ, позволяющего реализовать такое воздействие, является актуальной задачей для дальнейших экспериментальных исследований в такой области биофизики, как магнитобиология.
Целью настоящей работы является разработка, создание и тестирование экспериментального устройства для неадекватного воздействия на биообъекты импульсным инфранизкочастотным магнитным полем (ИИМП).
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
1. Разработать на основе известных литературных данных ЭУ для неадекватного воздействия инфранизкочастотным МП на биообъекты.
2. Провести теоретический расчёт пространственного распределения магнитного и температурного полей, обеспечивающих требуемый режим воздействия на биообъект.
3. Провести экспериментальное исследование теплового режима действующего ЭУ и на его основе определить условия допустимого термического воздействия на биообъекты.
4. Разработать и изготовить систему управления, включая программное обеспечение для автоматизации работы ЭУ, обеспечивающего неадекватное воздействие ИИМП на биообъекты.
Научная новизна
1. Предложен способ неадекватного воздействия на биообъекты.
2. Разработано и оптимизировано ЭУ локального неадекватного воздействия ИИМП на биообъекты.
3. Разработана система управления и программного обеспечения ЭУ.
Практическая значимость. Разработанное автором ЭУ позволяет осуществлять локальное неадекватное воздействие ИИМП на биообъекты. ЭУ представляет интерес для использования в последующих биофизических и магнитобиологических исследованиях по изучению влияния ИИМП на биообъекты. Особый интерес представляет оценка возможностей применения данного ЭУ для экспериментальных исследований избирательного воздействия на клетки злокачественных опухолей.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанное ЭУ обеспечивает неадекватное локальное воздействие на биообъекты.
2. Разработанное ЭУ обеспечивает допустимые термические условия воздействия на биообъект.
3. Разработанная система управления обеспечивает автоматизацию ЭУ.
Личный вклад автора. Постановка задачи и определение направлений исследований выполнены совместно с научным руководителем. Проведение исследований в основном выполнено непосредственно аспирантом. Изготовление системы управления и измерения магнитного поля проведено совместно с сотрудниками кафедры экспериментальной физики УрФУ к.ф.-м.н., доцентом Хохловым К.С. и доцентом Школой Н.Ф. Апробация воздействия на спонтанные опухоли молочных желёз собак произведена совместно с научным консультантом.
Достоверность полученных результатов обоснована тщательным анализом имеющихся результатов исследований по теме работы, использованием различных методов решений, модельными экспериментами.
Апробация. Основные результаты и положения исследования были представлены и обсуждались на Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-14, г.Уфа, 2008); Научно-практической конференции по неравновесным процессам в современных технологиях УГТУ-УПИ (г.Екатеринбург, 2009); XVII международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники УГТУ-УПИ (г.Екатеринбург, 2010); региональной конференции “Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин” (г.Заречный, 2010); II Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции с международным участием “Перспективы развития информационных технологий” (г.Новосибирск, 2010); 7-ой международной научно-практической конференции, “Найновите постижения европейската наука” (г.София, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в их числе: 3 опубликованы в научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 1 патент на полезную модель, 1 патент на изобретение, 1 учебное пособие.
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста; состоит из введения; четырёх глав: “Глава 1. Воздействие электромагнитного поля на биосистемы”, “Глава 2. Разработка генератора магнитного поля”; “Глава 3. Оптимизация теплового режима”, “Глава 4. Система управления и апробация экспериментального устройства”; заключения; списка литературы, включающего 164 источника отечественных и зарубежных авторов; 9 приложений на 38 страницах. Работа содержит 50 рисунков и 26 таблиц.
1. На основе известных литературных данных предложен способ неадекватного воздействия на биообъекты.
2. Разработан и оптимизирован генератор ИИМП по типу системы катушек Гельмгольца, при этом были удовлетворены разнонаправленные требования к потребляемой мощности (температуре в рабочей зоне), необходимой величине индукции и индуктивности (времени релаксации). Оптимизированный индуктор при потребляемой мощности в 650 Вт генерирует МП с амплитудой индукции (50:150) мТл в рабочей зоне (при амплитуде тока в обмотках 30 А), время релаксации составляет 0,08 с.
3. Двумя независимыми методами проведён расчёт пространственного распределения МП в рабочей зоне. Результаты расчётов совпадают с измерениями поля в импульсном режиме.
4. Допустимый тепловой режим воздействия обеспечивается за счёт естественной конвекции и теплопроводности на элементы конструкции ЭУ. Установлены условия теплоотвода, которые поддерживают приемлемую в рабочей зоне температуру для биообъекта < 310 К при максимальной амплитуде тока в обмотках (30 А).
5. Разработанная система управления предназначена для регулировки амплитуды, скважности и полярности импульсов МП, частоты их следования. Созданная программа управления позволяет задавать режимы воздействия. Пакет дополнительных приложений к программе реализует обработку и анализ экспериментальных данных.
6. Проведенная апробация изготовленного ЭУ по воздействию ИИМП на клетки злокачественных опухолей молочных желез (приповерхностная локализация) у беспородных собак показывает, что предложенный способ и режим облучения ИИМП обеспечивают неадекватное воздействие на клетки злокачественных опухолей.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
