СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ КВЧ ВОЗДЕЙСТВИЕМ Российский патент 1998 года по МПК G01N22/00 G01N5/00 

Изобретение относится к исследованию объектов, процессов в них, их состояний, структур с помощью КВЧ-воздействия электромагнитных излучений на физические объекты, объекты живой и неживой природы и может быть использован для исследования жидких сред, растворов, дисперсных систем, а также обнаружения особых состояний и процессов, происходящих в них, например аномалий структуры и патологии в живых объектах. Способ может быть использован в области научных исследований, техники, технологий, пищевой и фармацевтической промышленности, метрологии, экологии. Способ относится к технике воздействия в миллиметровом (ММ) диапазоне (длина волны 1-10 мм, частота 300-30 ГГц) электромагнитных излучений (ЭМИ) и использует все его преимущества.

Известны способы исследования объектов, заключающиеся в воздействии на человека и микроорганизмы с контролем степени и результатов воздействия по медицинским и биохимическим анализам [авт. св. N 1754127 кл. A 61 N 5/02], [Девятов Н. Д. , Голанд М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. - М.: Радио и связь, 1991, 168 с.], [Журнал // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 1992, N 1. 1993, N 2.], [Бецкий О. В. Миллиметровые волны в биологии и медицине.// Радиотехника и электроника. 1993, т. 38 в. 10, с. 1760 - 1782.]
Однако исследование воздействия ведется косвенно и пост-фактум по результатам клинических и биохимических анализов объектов в связи с их естественным клиническим и биологическим состоянием.

Однако рассмотренные способы не точны, сложны, трудоемки и малоинформативны, каждый из них узкоспециализирован по отношению к уровню организации биологического объекта - человека или микроорганизмов, ограничивается применением только к живым биологическим объектам и не пригоден для неспецифических физических объектов.

Известен способ определения биологически активной частоты [авт. св. СССР N 1392468, кл. G 01 N 22/00]. Способ заключается в одновременном облучении k порций биосреды на n частотах при длительности облучения 6 ч, и после биохимического анализа биологической среды в каждой из k порций определяют биологически активную частоту воздействия по формуле. В конкретном примере использовалось 6 генераторов, каждый мощностью 5 мВт.

Несмотря на то, что авторы ставили целью изобретения упрощение способа, у него остались проблемы обработки данных, выбора режимов воздействия с помощью специальных расчетных формул, способ усложнился по аппаратному исполнению. Все это таит в себе возможность ошибки, т.е. снижение точности, выдачи дезинформации, а также требует специального облученного персонала. Измерения в данном способе характеризуются завышенными мощностями, кроме того, способ применим только для живых микробиологических объектов.

Известен также способ исследования объекта для определения частот воздействия на биологические ткани [авт. св. N 1209239, кл. A 61 N 5/02]. Способ заключается в облучении ЭМИ ММ-диапазона, мощностью 10 мВт одновременно на нескольких частотах и возбуждении в биологической среде стоячих волн с помощью радиоотражающего экрана, расположенного за облучаемой средой. Для каждой частоты волна характеризуется своим распределением электрической и магнитной составляющих в биологической среде, так что воздействию ЭМИ подвергаются те участки биологической среды, которые находятся в пучностях стоячей волны с периодичностью полволны, в результате чего величина биологического эффекта также является периодической. Измерить в биологической среде расстояние между участками ткани с максимальным изменением ее состояния, можно указать биологически активную частоту из числа всех частот облучающих электромагнитных волн.

Однако данный способ также трудоемок и длителен по времени, так как необходима видимая функциональная реакция биосреды на КВЧ-воздействие. В то же время его применение ограничивается живыми микробиологическими объектами.

Известен также способ нахождения биологически активной частоты путем воздействия на затылочную область головы человека под контролем электроэнцефалограммы [авт. св. N 1233874, кл. A 61 N 5/00]. В данном способе воздействие ЭМИ КВЧ-диапазона проводят под постоянным контролем электроэнцефалограммы в интервале длин волн 3,8 мм (78,9 ГГц) - 5,7 мм (52,6 ГГц) при плотности потока мощности на выходе излучателя, не превышающей 100 мкВт/см². Радиовоздействие осуществляют нарастающими по частоте сигналами продолжительностью 10 - 120 с с последующим сканированием частоты, и по смене на электроэнцефалограмме β - ритма на α-Δ -ритм, характеризующий переход кортикальных элементов коры головного мозга в спокойное состояние, определяют индивидуальную, строго фиксированную частоту, обеспечивающую возникновение биологического эффекта, и осуществляют воздействие по 30 - 90 мин. Достоинством данного способа является его применимость к высокоорганизованному биологическому объекту - мозгу человеку.

Недостатком служит неприменимость к микробиологическим и физическим объектам, трудоемкость и длительность, а также возможная неадекватность энцефалограмм мозга биореакции других органов, хотя он применялся при лечении язвенной болезни желудка и 12-персной кишки.

Наиболее близким к предлагаемому способу, который выбран прототипом, является способ, в котором определяется оптимальный эффект воздействия на регуляцию функции клетки, относящийся к молекулярной генетике [авт. св. N 1392468, кл. G 01 N 22/00]. Способ заключается в облучении биологической среды ЭМИ нетепловой интенсивности с малыми энергиями, например, волнами миллиметрового диапазона с контролем активности синтеза колицина при воздействии ЭМИ на бактериальную взвесь в диапазоне длин волн от 5,7 мм (52,6 ГГц) до 8 мм (37,5 ГГц) в непрерывном режиме с мощностью 100 мВт. Бактериальная взвесь в питательной среде помещается между излучательной рупорной антенной источника ЭМИ и приемной рупорной антенной измерителя мощности и регистрируется величина проходящей мощности, а эффект воздействия оценивается по формуле для коэффициента индукции. Способ основан на регистрации увеличения коэффициента поглощения ЭМИ в биосреде в связи с развивающимися в ней естественными биологическими процессами. В конкретном примере в результате многочисленных опытов проводилось облучение биосреды микроорганизмов на волне 7,1 мм (42, 25 ГГц и 6,5 мм (46,15 ГГЦ) в течении 2 ч при плотности мощности 1 мВт/см² был достигнут коэффициентом индукции 3-4 т.е. трех-четырехкратный биоэффект облученной среды по сравнению с контрольной. Достоинством метода является физическая регистрация естественных изменений состояния микробиологической среды в процессе воздействия ЭМИ КВЧ.

Однако облучение и прием ЭМИ в этом способе ведется на одной и той же из выбранных частот ММ-волн. Это ограничивает объем исследуемого объекта скин-слоем, который в миллиметровом диапазоне составляет доли миллиметра, поэтому получаемая информация относится только к поверхности объекта и не содержит данные о свойствах объекта в объеме. Способ также трудоемок и длителен по времени. Биологически активные частоты оцениваются по результатам биохимических анализов и поэтому не обеспечивают достаточной точности и достоверности. Его использование принципиально ограничено только живыми микробиологическими объектами малого объема. Способ не пригоден для высокоорганизованных биологических объектов реальных объемов и принципиально не применим к различным физическим объектам.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа (за счет повышения информативности) при упрощении и сокращении времени проведения воздействия.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе исследования объектов КВЧ-воздействием, включающем направление ЭМИ КВЧ на эталонной и исследуемый объекты, снятие зависимостей контролируемых параметров от частоты, мощности и времени воздействия ЭМИ, сравнение их, по результатам которого судят об исследуемом объекте, КВЧ-воздействие проводят с мощностью, не превышающей 10 мкВт, изменяют частоту в КВЧ-диапазоне с шагом не более 0,1 ГГц, с временной выдержкой не более 5 с, при поддержании величины температуры постоянной, снимают амплитудно-частотную зависимость (КВЧ-спектр) радиоотклика объектов в более длинноволновом диапазоне: сантиметровом, дециметровом, метровом и/или радиодиапазоне ЭМИ и фиксируют в КВЧ-спектре резонансные (активные) частоты.

Принципиальным отличием предлагаемого способа от аналогов и прототипа и его новизна заключается в том, что воздействие на объект осуществляют радиоволнами в миллиметровом диапазоне (КВЧ-диапазон): длина волны 1-10 мм, частота 300-30 ГГц), а контроль за уровнем воздействия ведут в более длинноволновом диапазоне длин радиоволн в СВЧ-диапазоне (длина волны порядка 1-10² см, частота 30-0,3 ГГц) и/или в радиодиапазоне (длина волны более 1 м, частота нижу 0,3 ГГц). В этом случае исключается прямое воздействие генератора на приемник и резко возрастает отношение полезного сигнала к шуму. Радиоотклик объекта в более длинноволновом диапазоне возникает в результате диссипации энергии КВЧ-радиоволн и их трансформации по закону Планка в длинноволновую часть теплового шума и, в частности, в сантиметровый, дециметровый, метровый диапазоны радиоволн. Таким образом, объект является активным элементом в радиотехнической структуре способа. При этом, поскольку глубина радиозондирования определяется толщиной (L) скин-слоя, связанной с длиной волны (λ) и диэлектрической проницаемостью (ε) в объекте соотношением
L = λ/νε.
то радиоотклик объекта в более длинноволновом диапазоне: сантиметровом, дециметровом, метровом и/или радиодиапазоне снимается с объемов объекта, сравнимых с длиной волны. Для сравнения, в случае регистрации радиоотклика объекта в миллиметровом диапазоне, контроль ведется за воздействием миллиметровых волн на объект с субмиллиметрового слоя объекта, т.е. о его поверхности, и не отражает объемных свойств объекта. Этим объясняется низкая информативность способа по сравнению с прототипом (отсутствие возможности регистрации амплитудно-частотных спектров радиоотклика объекта). Режимы КВЧ-воздействия на объект определены экспериментально и реально осуществляются в поддиапазонах 30-60 ГГц, 60-90 ГГц, 90-120 ГГц и далее до 300 ГГц. В условиях резонансного взаимодействия ММ-радиоволн с объектом для эффективного КВЧ-воздействия достаточны мощности, порядка менее 10 мкВт. Выше этих значений характер взаимодействия ЭМИ КВЧ с объектом переходит из стационарного режима в стохастический, и КВЧ-воздействие становится неконтролируемым. Шаг перестройки ЭМИ КВЧ не более 0,1 ГГц выбран потому, что больший шаг сравним с деталями спектра, что приводит к уменьшению точности регистрации спектра. Ограничение времени выдержки 5 с при перестройке частоты вызвано необходимостью исключить влияние на свойства объекта ЭМИ КВЧ, т.к. свыше этого времени начинается активное влияние ЭМИ на свойства и КВЧ-спектр объекта. КВЧ-воздействие на исследуемый объект ведут на резонансных частотах эталонного объекта в связи с тем, что в исследуемом объекте могут присутствовать аномальные, "паразитные" (патологические) резонансы, воздействие на которых может привести к нежелательному результату.

Способ осуществляют следующим образом. Используются объекты, такие как жидкости, растворы, твердые и газообразные объекты в виде дисперсных систем или живые биологические объекты в целом.

Эталонный объект с конкретными известными параметрами, например, концентрацией, заданным объемом исследования, приводят в контакт с приемной антенной и проводят КВЧ-воздействие на него радиоволнами миллиметрового диапазона, мощностью, не превышающей 10 мкВт. Меняют частоту радиоволн в КВЧ-диапазоне с шагом прохождения диапазона не более 0,1 ГГц, с временной выдержкой не более 5 с. Одновременно ведут непрерывную регистрацию амплитудно-частотной зависимости (КВЧ-спектра) радиоотклика эталонного объекта в более длинноволновом диапазоне радиоволн: сантиметровом, дециметровом, метровом и/или радиодиапазоне. Аналогичные операции проводят с исследуемым объектом. Полученные таким образом КВЧ-спектры эталонного и исследуемого объектов анализируют, сравнивают между собой и по результатам судят о характеристиках исследуемого объекта, его состоянии, и процессах, происходящих в нем. По максимумам амплитуд КВЧ-спектров определяют резонансные (активные) частоты.

Далее при необходимости изменения состояния исследуемого объекта и процессов, происходящих в нем, на исследуемый объект ведут КВЧ-воздействие на резонансных частотах эталонного объекта, при этом непрерывно регистрируют в более длинноволновом диапазоне: сантиметровом, дециметровом, метровом и/или радиодиапазоне амплитудно-временную зависимость радиоотклика исследуемого объекта, и считают воздействие на объект достаточным по достижении насыщения радиоотклика.

Для осуществления способа в конкретных примерах, описываемых ниже, использовали генератор Г4-141 с мощностью ЭМИ в пределах до 10 мВт, с возможностью перестройки частоты в диапазоне 37,5-53,6 ГГц ± 1,5 % и шагом в интервале 0,01 - 10 ГГц с любой выдержкой по времени. Излучателем служила рупорная антенна. В качестве приемника ЭМИ использовался СВЧ-радиометр дециметрового диапазона с частотой радиоприемника 1 ГГц (длина волны 30 см) в полосе 50 ГГц и флуктуационной чувствительностью 0,1 ГГц (10^-20Вт) с лепестковой антенной-аппликатором диаметром 20 мм, настроенной на прием магнитной компоненты ЭМИ.

Пример 1. Для биохимических целей исследовали предлагаемым способом воду. В качестве исследуемого объекта использовали свежеприготовленный в темноте бидистиллят воды, а в качестве эталона - бидистиллят воды, выдержанный в течение суток на свету. Объекты объемом 10 см³ поочередно помещали в контактирующую с поверхностью антенны-аппликатора кювету из радиопрозрачного материала. Затем облучали объекты ЭМИ КВЧ в диапазоне 37,5-53,6 ГГц мощностью 1 мкВт с прохождением диапазона с шагом 0,1 ГГц с временной выдержкой на каждом шаге 5 с. Одновременно вели непрерывную регистрацию амплитудно-частотной зависимости радиоотклика объектов в дециметровом диапазоне (длина волны 30 см) по показаниям СВЧ-радиометра. Снятые таким образом КВЧ-спектры анализировали и сравнивали между собой.

На фиг. 1 приведен КВЧ-спектр биодистиллята воды, полученного и выдержанного сутки на свету (эталонный объект); на фиг. 2 - КВЧ-спектр биодистиллята воды, свежеприготовленного в темноте (исследуемый объект).

Сравнение спектров показало, что эталонный объект имеет две резонансные частоты 50,3 ГГц и 51,8 ГГц, а исследуемый объект имеет резонансные частоты 49,5 ГГц и 50,7 ГГц, смещенные относительно эталонных резонансов в сторону низких частот.

Это указывало на то, что исследуемый объект имеет аномальную структуру, отличную от структуры эталонного объекта.

В дальнейшем оказали КВЧ-воздействие на исследуемый объект на резонансных частотах эталонного объекта, в частности на частоте 50,3 ГГц, с непрерывной регистрацией радиоотклика исследуемого объекта в дециметровом диапазоне на частоте 1 ГГц (длина волны 30 см).

На фиг. 3 приведена частотно-временная зависимость радиоотклика исследуемого объекта на КВЧ-воздействие.

Как видно из фиг. 3, насыщение радиоотклика объекта на КВЧ-воздействие наступило через 275 с. На этом воздействие было прекращено.

Затем был снять КВЧ-спектр бидистиллята воды, свежеприготовленного в темноте, после воздействия КВЧ ЭМИ на частоте 50,3 ГГц.

На фиг. 4 приведены КВЧ-спектр бидистиллята воды, свежеприготовленного в темноте (исследуемый объект), после воздействия КВЧ-ЭМИ на частоте 50,3 ГГц. Видно, что резонансные частоты исследуемого объекта сравнялись с эталонными частотами 50,3 ГГц и 51,8 ГГц.

Из сравнения фиг. 1, 2, и фиг. 4 видно, что структура исследуемого объекта изменилась под воздействием ЭМИ КВЧ.

Резонансные частоты чистой воды кроме 50,3 ГГц и 51,8 ГГц наблюдаются также в других диапазонах вблизи 65 ГГц, 100 ГГц ± 10 % и других комбинационных резонансах.

Технико-экономический эффект изобретения заключается в повышении информативности, что позволяет расширить его функциональные возможности и повысить достоверность исследований. Это крайне важно для технических отраслей применения, но особенно важно для медицинских и биологических исследований.

Использование: при исследовании объектов процессов в них, их состояний, структур с помощью КВЧ-воздействия электромагнитных излучений; для исследования жидких сред, растворов, дисперсных систем, а также обнаружения особых состояний и процессов, происходящих в них. Способ включает воздействие электромагнитным излучением КВЧ на эталонный и исследуемый объекты, снятие зависимостей контролируемых параметров от частоты, мощности и времени воздействия и сравнение их. КВЧ-воздействие проводят с мощностью, не превышающей 10 мкВт, изменяют частоту в КВЧ-диапазоне с шагом не более 0,1 ГГц, с временной выдержкой не более 5 с, при поддержании величин температуры постоянной, снимают амплитудно-частотные зависимости сравниваемых объектов по радиоотклику, выделенному в более длинноволновом диапазоне электромагнитных колебаний, регистрируя в нем резонансные активные частоты. 4 ил.

Способ исследования объектов КВЧ-воздействием, включающий воздействие электромагнитным излучением КВЧ-диапазона на эталонный и исследуемый объекты, снятие зависимостей контролируемых параметров от частоты, мощности и времени воздействия, сравнение их, по результатам которого судят о исследуемом объекте, отличающийся тем, что КВЧ-воздействие проводят мощностью, не превышающей 10 мкВт с перестройкой по частоте, при этом через интервалы не более 0,1 ГГц осуществляют временную выдержку не более 5 с при поддержании постоянной температуры и измеряют амплитудно-частотные зависимости сравниваемых объектов по радиоотклику, выделенному в более длинноволновом диапазоне электромагнитных колебаний, регистрируя в нем резонансные активные частоты.