УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
APPARATUS FOR INVESTIGATING EFFECT OF ELECTROMAGNETIC FIELDS ON BIOLOGICAL OBJECTS

Изобретение относится к области магнитобиологии, в частности к научным исследованиям.
Установлено, что электромагнитные поля (ЭМП) во всех частотных диапазонах оказывают влияние на функционирование живых организмов, причем последствия этого влияния могут быть весьма отдаленными. На биологическую реакцию влияют следующие параметры ЭМП: интенсивность ЭМП (величина); частота излучения; продолжительность облучения; модуляция сигнала; сочетание частот ЭМП, периодичность действия [11, 5]. Физиологическая сущность состояния магниточувствительности заключается в способности организма отвечать физиологической (нормальной) или патологической (стрессорной) реакцией на воздействие гелиогеофизических факторов.
Наиболее чувствительные системы организма млекопитающих: сердечно сосудистая, нервная, иммунная, эндокринная и половая. Однако по поводу механизмов столь высокой чувствительности биообъектов к ЭМП пока нет единого мнения, поскольку исследования проводились на установках, имеющих неодинаковые технические характеристики [10]. В основном эксперименты ведутся методом перебора всевозможных комбинаций параметров ЭМП без предварительного представления о результативности того или иного воздействия и, как правило, без учета внешних воздействий (геомагнитных вариаций и техногенных электромагнитных полей), что приводит зачастую к взаимоисключающим результатам.
Известно устройство для электромагнитного воздействия на биологический объект, содержащее корпус, аккумуляторную батарею, генератор тока, формирующий импульсы, соединенные последовательно, и источник ЭМ воздействия в виде соленоида, внутрь которого помещают емкость с водным раствором [2].
Известна магнитная многополюсная система, включающая блоки полюсов постоянных магнитов и межполюсные постоянные магниты с перпендикулярным направлением магнитносиловых линий полюсных постоянных магнитов. При этом каждый полюсный блок содержит три постоянных магнита с одинаковым направлением магнитного поля, средний из которых выполнен высокоэнергетическим, а два боковых - низкоэнергетическими. Каждый последующий полюсный блок имеет противоположное направление магнитного поля по отношению к предыдущему [3].
Известно устройство для воздействия на биологический объект переменным или/и постоянным магнитным полем, содержащее как минимум 2 источника магнитного поля, расположенные под углом друг к другу. Источником магнитного поля является катушка индуктивности, подключенная к источнику тока, обмотка которой размещена на сердечнике, выполненном в виде стержня [8].
Известно устройство для формирования магнитотерапевтического воздействия, которое выполнено в виде трех источников магнитного поля, которое может быть постоянным и переменным. Оси источников магнитных полей располагаются взаимно перпендикулярно. Эти источники подключены к соответствующим управляемым источникам тока, связанным через усилители мощности с устройством управления. Формирователь магнитного поля выполнен в виде двух взаимно перпендикулярно расположенных индукторов - электромагнитов, длины которых превышают диаметр, и намотанной по их окружности круглой катушки, диаметр которой превышает ее длину, при этом оси индукторов электромагнитов параллельны относительно плоскости круга катушки [9].
Во всех предлагаемых выше устройствах предпринимается попытка создания магнитного поля, расположенного вне конструкции катушек-излучателей. Такой подход позволяет воздействовать на биологические объекты, размеры которых превышают размеры конструкции катушек-излучателей. Однако магнитное поле получается неоднородным [12].
Помимо нарушения однородности магнитного поля и воздействия внешних техногенных полей, следует отметить и потерю возможности произвольной ориентации суммарного магнитного вектора. Ограничения на ориентацию суммарного магнитного вектора обуславливаются типом излучателей и диаграммой направленности. Особенно затруднено в таких случаях изменение направления вектора магнитной индукции на прямо противоположное [1].
В настоящее время общепризнанными основными способами получения магнитных полей очень низкой индукции (гипомагнитных полей) являются: наложение магнитных полей (изменение вектора магнитного поля с помощью полосового магнита); астатизация (компенсация геомагнитного поля с помощью определенного расположений магнитов); экранирование (применение материалов, обладающих очень высокой магнитной проницаемостью); компенсация (использование колец Гельмгольца); сочетание экранирования с компенсацией геомагнитного поля.
Однако наиболее распространенными в практике экспериментальных исследований являются способы компенсации и экранирования. Для компенсации геомагнитного поля обычно используют систему колец, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Величина тока в кольцах рассчитывается таким образом, чтобы создаваемое магнитное поле компенсировало магнитное поле Земли. Преимуществом данного варианта является относительная простота реализации для постоянных магнитных полей, недостатком - трудность компенсации случайных переменных составляющих внешних ЭМП. При экранировании рабочий объем экспериментальной установки «отгораживается» от внешней среды с помощью материалов с определенными магнитными свойствами, влияющими на условия прохождения сквозь них внешнего магнитного поля. К преимуществам экранирования следует отнести возможность уменьшения электромагнитных колебаний достаточно широкого диапазона частот путем использования дополнительных покрытий. К недостаткам относятся достаточно высокая стоимость и трудности реализации. Применительно к биологическим экспериментам недостатком является также необходимость обеспечения воздухообмена биологического объекта с внешней средой без нарушения «магнитной целостности» покрытия рабочего объема экспериментальной установки. Для экранирования биологических объектов от электромагнитного поля вначале использовали свинец или сталь. Качество экранирования стало выше с применением сплавов с высокой магнитной проницаемостью (мю-металл, пермаллой и др.). Экраны, изготовленные из указанных сплавов, концентрируют около своих стенок силовые линии геомагнитного поля и, таким образом, создают ограниченное пространство с гипогеомагнитными условиями.
5
Известен ферромагнитный экран для проведения исследования с динамическим коэффициентом экранирования К=10, он представляет собой камеру оригинальной конструкции, состоящую из двух секций, каждая из которых набрана из пермаллоевых пластин толщиной 1.5 мм, между которыми проложены аналогичной толщины медные пластины. Внутренний объем первой секции - 0,06×0,06×0,23 м, второй секции - 0,13×0,13×0,43 м. Каждая секция имеет специальные крышки аналогичной конструкции. Первая секция вставляется во вторую.
-7
-8
-10
-5
5
2
3
Действие экрана основано на том, что магнитный поток через сечение экрана концентрируется в стенках с высокой магнитной проницаемостью и тем самым ослабляет поле во внутреннем пространстве. Ослабленное первой секцией магнитное поле составляет 5×10 Тл, второй секцией - 5×10 Тл, что в собранном виде дает 5×10 Тл. Медные пластины предназначены для экранирования от ЭМП промышленного происхождения (50 Гц и более). Магнитное поле Земли составляет на средних широтах России приблизительно 5×10 Тл, то есть магнитные экраны описанной конструкции позволяют экранировать геомагнитное поле в 10 раз. В то же время использование секций по отдельности позволяет получить дополнительно экранирование в 10 и 10 раз [http://www.centercem.ru/zayav5.html]. В этой установке были получены хорошие характеристики экранирования от ЭМП, но внутренний объем камеры имеет очень маленькие размеры и отсутствие воздухообмена, что позволяет проводить ограниченные по времени и по объектам биологические эксперименты.
Известно устройство для магнитобиологических экспериментов, выбранное нами в качестве прототипа [6], в котором магнитное поле создается тремя парами ортогонально расположенных «квадратных» колец Гельмгольца размером 1×1 м. Рабочая область, в пределах которой неоднородность магнитного поля не превышает 10%, расположена в центре колец и занимает объем около 0.5×0.5×0.5 м. Компьютерная система управления токами через кольца позволяет генерировать сигналы в низкочастотном диапазоне произвольной конфигурации и одновременно регистрировать параметры создаваемой электромагнитной обстановки с помощью магнитометра торсионного типа. Система колец окружена магнитным экраном размером 2×3×2 м, сделанным из мю-металла. Коэффициент экранирования в зависимости от направления составил от 3.85 для Z- и Х-направлений до 19.1 для Y-направления. На каждую пару колец, расположенных внутри магнитного экрана, отдельно подается постоянный или/и переменный ток со специального трехканального усилителя, сопряженного с цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) и управляющим компьютером. Максимальное значение индукции магнитного поля, генерируемого парой колец, составляет ±144 мкТл. Максимальное значение индукции магнитного поля, генерируемого вдоль диагонали куба тремя парам колец, составляет ±249 мкТл.
Однако описанная установка имеет следующие недостатки:
1) создаваемое магнитное поле имеет достаточно большие нелинейные искажения, обусловленные применением типовых компьютерных плат в системе «компьютер-ЦАП» [11],
2) малую степень экранирования магнитного поля,
3) зависимость степени экранирования установки от ее ориентации в пространстве.
Получаемое при этом магнитное поле не является полностью однородным в заявленном рабочем объеме (остаточная намагниченность от используемого в экране мю-металла и проходящие из-за недостаточной степени экранирования сильные высокочастотные составляющие внешнего магнитного поля складываются с искусственно создаваемым магнитным полем).
Настоящее изобретение решает задачу улучшения характеристик формируемого магнитного поля.
Решение поставленной задачи достигается следующим образом. Экспериментальная установка для исследования влияния электромагнитных полей на биологические объекты различной степени сложности представляет собой каркас в виде куба, изготовленный из немагнитного материала (например, алюминий), с размером стороны 0.4 м. Куб располагается внутри сферы (радиус 0.5 м), покрытой специальным магнитоэкранирующим материалом. Экранирующая сфера сделана разъемной для обеспечения свободного доступа внутрь и состоит из трех слоев, каждый из которых имеет различные магнитоэкранирующие свойства. Внешний и средний слои изготовлены с помощью современных нанотехнологий из различных сплавов аморфного магнитомягкого материала [7, 4] и обеспечивают экранирование от высокочастотных и низкочастотных составляющих внешнего магнитного поля. Последний внутренний слой состоит из металла-диамагнетика, например меди. Экран, изготовленный таким образом, обеспечивает экранирование по постоянной и переменной составляющим магнитного поля с коэффициентом экранирования не менее 10000 независимо от ориентации установки в пространстве.
На ребрах куба на основе колец Гельмгольца смонтирована трехкоординатная система генерации искусственного электромагнитного поля с задаваемыми параметрами. Она состоит из шести одинаковых излучающих рамок, расположенных так, что их плоскости образуют грани куба. Рамки, расположенные на противоположных гранях куба, соединяются последовательно, образуя единую излучающую систему. Магнитное поле пары рамок перпендикулярно их плоскостям. Включая поочередно пары рамок, можно получать ориентацию вектора магнитного поля по трем ортогональным осям. Если включить одновременно две или три пары рамок, то подбором тока в рамках можно получить любое направление поля в установке. Таким образом, формируется магнитное поле с требуемым значением напряженности и однородности. Неоднородность магнитного поля в рабочем объеме размером 0.2×0.2×0.2 м не превышает 6%. Полученного рабочего объема вполне достаточно для размещения в нем мелких лабораторных животных, насекомых и пробирок с другим биологическим материалом.
Система генерации искусственного ЭМП в рабочем объеме экспериментальной установки рассчитана на исследования в области сверхслабых постоянных и сверхнизкочастотных магнитных полей. Индукция генерируемого постоянного магнитного поля может изменяться в диапазоне от 0,01 мкТл до 200 мкТл. Выбор частотного диапазона обусловлен характером проводимых исследований и определен в диапазоне от 0,01 Гц до 100 Гц с регулируемым шагом изменения от 0,01 Гц до 1 Гц. Требуемые характеристики искусственного магнитного поля определяются параметрами токов, протекающих по ортогонально расположенным обмоткам Гельмгольца, что позволяет целенаправленно изменять величину и направление вектора суммарного магнитного поля в рабочем объеме экспериментальной установки. Реализация системы генерации искусственного магнитного поля осуществлена на базе специально сконструированных компонентов: генератора, 3-х канального усилителя с плавной регулировкой постоянного и переменного сигнала по каждому каналу. Это позволило уменьшить нелинейные искажения в 2-3 раза на выходе усилителя.
Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения. В рабочем объеме экспериментальной установки достигается высокая степень экранирования внешних ЭМП, в том числе геомагнитного поля, по всем составляющим. Формируемое при этом магнитное поле является достаточно однородным и не зависит от ориентации установки в пространстве. Это повышает качество и достоверность получаемых научных результатов. Установка имеет небольшие размеры и вес, что обеспечивает удобство работы с нею и легкость транспортировки.
Сущность изобретения поясняется блок-схемой установки (фиг.1). Экран сферической формы разделен на две половины: верхнюю (1) и нижюю (2). Для доступа к рабочему объему установки верхняя половина поднимается за ручку (3). Ортогонально расположенные обмотки Гельмгольца фиксируются на рамке (5) кубической формы, расположенной в центре сферы. Каждая пара рамок получает сигнал от 3-х канального усилителя, каждый канал (6, 7, 8) которого имеет самостоятельную, независимую друг от друга, настройку. Усилитель управляется генератором (9).
Работа с установкой осуществляется следующим образом. После включения установки и прогрева ее в течение 15-20 мин производится настройка магнитного поля в рабочем объеме по величине и направлению вектора магнитной индукции с помощью магнитометра (на фиг.1 не показан). В рабочий объем помещается биологический объект, закрывается крышка магнитного экрана и проводится эксперимент по запланированному протоколу. Вывод коммуникационных проводов и воздуховодных трубок из внутреннего объема экранированной камеры осуществляется через Z-образную трубку (4), покрытую теми же экранирующими материалами.
Изменение коэффициента экранирования электромагитного поля в зависимости от частоты излучения в диапазоне от 0 Гц до 1 МГц магнитоэкранирующей камерой представлен на фиг.2. Коэффициент экранирования камеры по постоянному магнитному полю (F=0 Гц) составляет 11000. При увеличении частоты внешнего магнитного поля (на графике изображена в логарифмическом масштабе) коэффициент экранирования имеет тенденцию к увеличению с проявлением локальных максимумов в районе 5 КГц и 100 КГц, что коррелирует с частотными характеристиками используемых материалов.
Измерения индукции магнитного поля снаружи и внутри камеры проводились с помощью магнетометра Fluxmaster (Stefan Mayer Instruments, Germany).
Список использованной литературы
1. Бинги В.Н., Савин А.В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы. УФН. - 2003. - Т. 173, №3. - С.265-300. - Библиогр.: 143.
2. Заявка на изобретение №2006110502, кл. A61N 2/00, 2006 г.
3. Заявка на изобретение №2006128842, кл. B03C 1/00, 2006 г.
4. Кузнецов П.А., Аскинази А.Ю., Фармаковский Б.В. Материалы на основе аморфных магнитомягких сплавов как средство защиты от магнитных полей промышленной частоты. Инновации, №7, 2004 г.
5. Любимов В.В. Биотропность естественных и искусственно созданных электромагнитных полей. Аналитический обзор. Препринт No.7 (1103) М: ИЗМИР АН, 1997. - 85 с.
6. Мартынюк B.C., Темурьянц Н.А., Яценко А.Е., Анисимов И.А. «Компьютерная система генерации низкочастотных магнитных полей для магнитобиологических экспериментов». Ученые записки Таврического национального университета им. В.И.Вернадского. Серия «Биология, химия». Т. 16 (55). №1. С.71-73. 2003.
7. Патент РФ №2274914, кл. G12B 17/02, 2004 г.
8. Патент РФ №2285551, кл. A61N 2/00, 2004 г.
9. Патент РФ №2322273, кл. A61N 2/00, 2006 г.
10. Птицина Н.Г., Виллорези Дж., Дорман Л.И., Юччи Н., Тясто М.И. Естественные и техногенные низкочастотные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья. // УФН. 1998. Т. 168, №7, С.767-791.
11. Рагульская М.В., Любимов В.В. Приборное изучение воздейстий естественных магнитных полей на БАТ человека: методы, средства, результаты. // Журнал радиоэлектроники. №11. М.: Наука, 2000.
12. Темурьянц Н.А. О биологической эффективности слабого электромагнитного поля инфранизкой частоты. // Проблемы косм. биологии. М.: Наука, 1982. Т.43. С.128-138.