УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИООБЪЕКТ
BIOOBJECT IMPACT DEVICE

Изобретение относится к медицине, ветеринарии, экологии и предназначено для бактерицидной и фунгицидной обработки поверхностей (и жидких субстратов) и стерилизации. Также может быть использовано для подавления темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плисса in vivo.
6
Известно устройство для воздействия на биообъект (Пат. 2067872 Россия, МПКA61L 2/10. Устройство для обеззараживания объектов / В.В.Силуянов, В.В.Синайский, В.М.Романов, Л.М.Женевская, В.А.Шрам. - №93017928/13; заявл. 06.04.93; опубл. 20.10.96.), представляющее собой устройство обеззараживания с изменяющимся ракурсом лучевого воздействия на объекты обработки разрядниками, в качестве которых используются импульсные бактерицидные лампы, снабженные отражателями и объединенные в группы, запускаемые от высоковольтного импульсного генератора. Конструкция устройства обеспечивает наибольший доступ бактерицидного излучения к объекту обработки при различных ракурсах лучевого воздействия на них.
Недостатками устройства являются:
- ограничение зоны воздействия замкнутым объемом камеры, необходимость в дополнительных операциях: загрузки и выгрузки инструмента, приводящие к увеличению времени обработки;
- ограничение области применения (узкое назначение);
- применение большого количества импульсных бактерицидных ламп, требующих сложной системы их поджига и управления ракурсом лучевого воздействия на объект обработки;
- низкая экономичность устройства.
5
-3
2
2
2
Известно устройство для воздействия на биообъект (Пат. 2008042 Россия, МПКA61N 5/06. Способ лечения ран и устройство для его осуществления / А.С.Камруков, Е.Д.Короп, Е.В.Кузнецов, И.И.Теленков, Е.Ю.Ушмаров, В.Н.Федоров, С.Г.Шашковский, М.С.Яловик. - №5046709/14; заявл. 27.03.92; опубл. 28.02.94.), используемое для лечения гнойных ран и поверхностей с высокой бактериальной обсемененностью. Устройство включает в себя импульсный высоковольтный источник питания и разрядник - газоразрядную лампу импульсного ультрафиолетового излучения с длительностью импульса не более 2·10 с, плотностью мощности в зоне обработки не менее 10 кВт/м и суммарной энергетической дозой не менее 10 Дж/м.
Недостатками являются:
- неравномерность воздействия на обрабатываемую поверхность генерируемого излучения, обусловленная линейной структурой «светящегося тела» газоразрядной лампы;
- сложность конструкции излучающего устройства, связанная с наличием специальных импульсных газоразрядных ламп, отражателя и фильтра;
- ограничение функциональных возможностей устройства.
Известно устройство (Пат. 2017506 Россия, A61N 1/32, 1/44, 5/06, A61H 39/00. Устройство для воздействия на биообъект / В.И.Лунев, Т.В.Лунева, В.А.Садовников. - №4902796/14; заявл. 10.10.90; опубл. 15.08.94.), выбранное в качестве прототипа по количеству сходных признаков и решаемой задаче. Данное физиотерапевтическое устройство для воздействия на биообъект включает в себя блок питания в виде импульсного высоковольтного источника питания на основе повышающего трансформатора и соединенный с ним излучатель, в виде разрядника с пассивным и активным электродами, образующими разрядный промежуток в воздухе при атмосферном давлении, в котором импульсные токи высокого напряжения преобразуются в электрический разряд - коронный, который осуществляет одновременно световое, электрическое и аэроионное воздействие. Устройство обеспечивает направленное воздействие на биообъекты электрическим током до 0,2 мА при напряжении ~20 кВ, световым потоком мощностью (0,2-4) Вт и ионизированным газом. Частота воздействующих импульсов составляет (20-100) Гц. Например, при лечении суставов пассивный электрод прикладывают к стороне, противоположной той, на которую воздействуют активным электродом.
Недостатком устройства является ограничение функциональных возможностей аппарата, низкая интенсивность генерируемого излучения, большое потребление энергии и неудобство в эксплуатации.
Задачей, стоящей в данной области техники, является:
- расширение функциональных возможностей;
- создание удобного в использовании универсального со сменными излучателями устройства для:
- бактерицидной обработки поверхностей;
- фунгицидной обработки поверхностей;
- стерилизации (например, медицинского инструмента)
- в биологических экспериментах (в частности, по подавлению темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плисса).
- повышение эффективности воздействия за счет как пофакторного, так и комбинированного (синергизма) действия: мощных короткоимпульсных некогерентных световых излучений (НСИ) видимого и УФ-диапазона длин волн; химически активных частиц (свободных радикалов, активных форм кислорода, перекиси водорода), нарабатываемых под воздействием жесткого УФ-излучения; акустических импульсов, сопровождающих открытые импульсные электрические разряды в воздухе;
- повышение качества воздействия НСИ и УФ-излучений в зависимости от решаемых задач как путем формирования широкого ракурса лучевого воздействия, так и локализации его на ограниченной площади обрабатываемой поверхности путем регулирования апертуры излучения, доставки излучения в скрытые полости;
- сокращение продолжительности времени воздействия при фунгицидной и бактерицидной обработке объектов;
- создание необходимых сервисных услуг;
- создание экономичного прибора, в сравнении с известными устройствами подобного назначения.
3
2
2
При коротковолновом ультрафиолетовом излучении наряду с непосредственной фотодиссоциацией образуются активные частицы (активные формы кислорода, озон и радикалы молекул). Химически активные частицы (О, О, ОН-, НО и т.д.), вырабатываемые в результате сильноточных электрических разрядов, взаимодействуют с молекулами веществ окружающей среды, окисляя их.
Известно, что наиболее сильный бактерицидный эффект вызывается УФ-излучением с λ от 180 до 295 нм (спектр поглощения нуклеиновых кислот имеет два максимума: на длине волны 260 нм, на который сориентированы широко применяемые бактерицидные ртутные лампы с длиной волны 254 нм, и более интенсивный пик фотопоглощения вблизи длины волны 190 нм).
При сплошном широкополосном спектре высокоинтенсивного облучения скорость подавления патогенной микрофлоры в ранах значительно превышает скорость ее роста (обусловленного собственным разложением и внешним обсеменением). При этом отсутствует адаптация микроорганизмов к УФ-излучению, что связано с многоканальным деструктивным воздействием на биомолекулы фотонов с широким энергетическим спектром. При широкополосном УФ-излучении также требуются меньшие энергетические дозы для достижения профилактического и лечебного эффекта. Одновременно уменьшается вероятность появления отрицательных побочных эффектов УФ-воздействия как фотобиологического (эритема, нарушение микроциркуляции, шелушение), так и фотохимического характера (наработка озона в значимых количествах и др.).
Образование активных форм кислорода, радикалов, перекиси водорода, УФ-излучения и других действующих факторов может быть использовано для стимуляции каскада свободно-радикальных реакций в опухолевых клетках, вызывающих повреждение мембран, клеточного аппарата, деструкцию опухоли.
Открытые электрические разряды, проводимые в воздушной среде, сопровождаются формированием ударных волн (УВ) и акустических импульсов. При поднесении акустического излучателя к кожному покрову в нем и прилегающих тканях формируется бесконтактное вибромассажное воздействие, амплитуда которого достаточна для возбуждения механорецепторов наружной поверхности кожи.
Сочетательное действие физико-химических факторов может взаимно усиливать друг друга, в результате комплексного воздействия повышается общая эффективность за счет эффекта синергии.
Высокая интенсивность излучения заявляемых источников для обработки медицинского инструмента, стерилизации биологических объектов и др. может в десятки раз снизить время обработки, чем при использовании известных УФ-излучателей (эксимерные лазеры, парортутные лампы низкого давления). Кроме того, цена лазерных фотонов достаточно высока и оправдана лишь при выпуске дорогостоящей продукции. Ртутные лампы, кроме низкой интенсивности, представляют собой значительную экологическую опасность.
Заявляемое устройство генерирует высокоинтенсивное световое излучение в широком спектральном диапазоне, включая диапазон фотопоглощения ДНК бактерий и вирусов.
Измерения энергии излучения светового потока искрового разрядного промежутка в спектральном диапазоне от 310 нм до ИК диапазона заявляемого устройства проводились с помощью калориметра ИМО-2Н с диафрагмой диаметром 12 мм. При подводимой к разрядному промежутку энергии ~4 Дж/имп. с длительностью импульса ~1 мкс на расстоянии 48 мм от разрядника-излучателя полученный полный поток излучения составил 75 кВт и распределен по диапазонам излучения в следующих пропорциях:
- в УФ-диапазоне спектра (Δλ=310-380 нм) содержится 17% полного потока излучения;
- в видимом (Δλ=600-700 нм) - 49%;
- в инфракрасном диапазоне спектра (λ>700 нм) - 33%.
-3
2
2
22
Световая энергия излучения (для λ=250 нм) составляет 0,9·10 Дж/см. Интенсивность светового потока - 0,9 кВт/см. Мощность излучения со средней длиной волны, равной 250 нм, составляет 11 кВт (Ф=1,4·10 фотон/с).
Техническим результатом устройства является расширение функциональных возможностей, удобство при эксплуатации и повышение эффективности работы. Дополнительным техническим результатом, который можно достичь при применении заявляемого устройства, является безопасность при эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства для воздействия на биообъект, которое содержит блок питания и излучатель, заявляемое устройство содержит набор сменных излучателей на основе искрового и скользящего разрядов, преобразующих импульсы высокого напряжения микросекундного диапазона длительностей в открытый электрический разряд в разрядном промежутке в воздухе при атмосферном давлении, а блок питания включает генератор высоковольтных электрических импульсов с однократным и частотным режимами работы.
Сменные излучатели на основе искрового разряда расположены в диэлектрических корпусах с возможностью подстыковки к ним световодов для передачи светового излучения к труднодоступным и удаленным местам воздействия и имеют в одном исполнении - два противостоящих заостренных электрода, закрепленных в изолирующей трубке из кварцевого стекла, и в другом исполнении - коаксиально расположенные электроды с возможностью перемещения их внутри диэлектрического корпуса, вдоль оси. Сменный излучатель на основе скользящего разряда (третье исполнение излучателя) выполнен в виде протяженных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга с одной стороны диэлектрического основания, изготовленного из материала с относительной диэлектрической проницаемостью, в пять и более раз превышающей диэлектрическую проницаемость воздуха.
В заявляемом устройстве излучатели размещены в диэлектрическом корпусе, что удобно при эксплуатации за счет повышения безопасности при работе, расширяет функциональные возможности применения, так как позволяет свободно перемещать его в пространстве и устанавливать в любом положении, что также повышает эффективность работы.
Возможность перемещения электродов вдоль оси в диэлектрическом корпусе (в излучателе по фиг.1) дает возможность изменять угол раствора конуса генерируемого излучения в пределах от 0 до 2π стерадиан и производить локальное облучение с регулируемой площадью светового пятна на обрабатываемой поверхности, что приводит к повышению эффективности и удобству при эксплуатации, а также повышению безопасности за счет уменьшения риска облучения здоровых тканей. Коаксиальное исполнение электродной системы, например, в виде стержня и втулки приводит к увеличению ресурса работы излучателя за счет равномерного уноса материала электродов при сильноточных разрядах, и это является удобством при использовании устройства, так как не требует частой замены разрядника, являющегося наиболее слабым звеном в устройствах подобного типа и повышает эффективность работы. Следует также отметить, что коаксиальная конструкция позволяет оптимизировать компоновочное размещение ее в корпусе и упростить процесс перемещения вдоль оси внутри корпуса без применения дополнительных приспособлений по фиксированию, что расширяет функциональные возможности.
Излучатель (фиг.3, 4), содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены электроды, а к противоположной стороне примыкает электропроводящая пластина, электрически соединенная с одним из электродов и выполняющая роль обратного токопровода. Излучатель предназначен для формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрика. Известно, что излучение скользящих разрядов открытого типа, имеющих две стадии в их развитии - незавершенную и завершенную, содержит интенсивную коротковолновую компоненту НСИ и обладает большей светимостью по сравнению с другими искровыми разрядами. (Карлов Н.В., Кузьмин Г.П., Прохоров A.M. Газоразрядные лазеры с плазменными электродами // Известия АН СССР. Серия физическая. - 1984. - Т.48. - №7. - С.1430-1436). Таким образом, разрядник на скользящем разряде характеризуется высокой интенсивностью излучения с равномерным распределением светового потока в пределах обрабатываемой поверхности и комплексного действия многих физических и химических факторов, сопровождающих открытые импульсные электрические разряды в воздухе, что приводит к расширению функциональных возможностей, повышению эффективности и сокращению времени обработки - это также удобно при применении заявляемого устройства. Использование в излучателе на принципе скользящего разряда диэлектрической пластины с диэлектрической проницаемостью, в пять и более раз превышающей диэлектрическую проницаемость воздуха, позволяет повысить эффективность свечения за счет высокой плотности формируемых плазменных каналов.
Удобство и простота при эксплуатации прибора обеспечиваются встроенным в блок питания генератора высоковольтных электрических импульсов микросекундного диапазона длительности, оборудованный таймером и программатором, позволяющими заранее устанавливать частоту и длительность экспозиции воздействия, контролировать и отображать в удобной (цифровой) форме количество выходных импульсов.
Возможность подстыковки гибкого волоконного световода к конструкциям излучателей (по фиг.1 и фиг.2) представляет большое удобство для передачи светового излучения к труднодоступным и удаленным местам.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство для воздействия на биообъект с излучателем в диэлектрическом корпусе с изменяющимся ракурсом излучения;
на фиг.2 изображено заявляемое устройство с излучателем на основе точечного разряда;
на фиг.3 изображено заявляемое устройство для воздействия на биообъект с излучателем на скользящем разряде (вид сбоку);
на фиг.4 - устройство для воздействия на биообъект с излучателем на скользящем разряде (вид сверху), где
1, 2 - электроды;
3 - изолирующая трубка;
4 - диэлектрическая ручка;
5 - высоковольтный кабель;
6 - изолирующий корпус;
7 - световод;
8 - торцевая втулка;
9 - электропроводящая пластина (обратный токопровод);
10 - диэлектрическая пластина;
11 - блок питания - генератор высоковольтных электрических импульсов.
Заявляемое устройство предназначено для воздействия на биологические объекты УФ-излучением и возникающими при электрических разрядах в воздухе активными частицами. Устройство так же может быть использовано в качестве средства воздействия для обработки поверхностей, обеззараживания и стерилизации и в биологических экспериментах in vivo по подавлению темпов роста перевитой лимфосаркомы Плисса.
Блок питания представляет собой высоковольтный генератор импульсных напряжений с регулируемой частотой следования импульсов и включает в себя емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), коммутатор запасенной энергии в нагрузку (разрядник), встроенное выпрямительно-зарядное устройство (ВЗУ), устройство запуска коммутатора (разрядника). Выходное напряжение генератора составляет ~10кВ. Емкость накопительного конденсатора составляет 0,1 мкФ. Максимальная запасенная энергия - 5 Дж. Генератор позволяет формировать как однократные выходные высоковольтные импульсы напряжения, так и следующие с регулируемой частотой от 0,1 до 4 Гц при длительности импульсов до 10 мкс и временем нарастания менее 10 нс. Полярность импульсов - положительная. Генератор оснащен таймером и программатором, позволяющими заранее устанавливать длительность экспозиции воздействия, контролировать и отображать количество выходных импульсов.
Устройство укомплектовано набором сменных электроразрядных излучателей, подключение которых к генератору осуществляется при помощи цангового разъема.
В устройстве фиг.1 излучатель имеет два трубчатых электрода, расположенные коаксиально - центральный 1 и электрод-втулку 2. Электроды изготовлены из нержавеющей стали и изолированы друг от друга полиамидной трубкой 3. Наружный диаметр центрального электрода равен 4 мм. Внутренний диаметр трубчатого электрода равен 8 мм. Для подключения разрядника к генератору использован коаксиальный (высоковольтный) кабель 5 марки РК 75-4-15. Кабель жестко закреплен в диэлектрической ручке 4. Жила кабеля электрически соединена с центральным электродом 2, а его оплетка - с трубчатым электродом. Вся описанная выше электродная система представляет собой жесткую конструкцию. Трубчатый электрод-втулка 1 имеет выступ в верхней части. С наружной стороны выступающей части втулки имеется резьба, предназначенная для перемещения всей электродной системы внутри диэлектрического корпуса 6.
Излучатель в устройстве, изображенном на фиг.2, имеет два стальных стержневых электрода 1, 2 с конфигурацией расположения «острие-острие», размещенных в кварцевой трубке 6, выполняющей функцию изолирующего корпуса. Конструкция излучателя позволяет регулировать межэлектродный искровой промежуток перемещением по резьбовому соединению одного из электродов (1) относительно торцевой изолирующей втулки 3.
Для передачи излучения в труднодоступные и удаленные места на корпусе излучателя предусмотрен оптический разъем для подсоединения к нему световода (7).
r
3
2
Излучатель в устройстве фиг.3, 4 имеет плоскую пластину 7 из титаната бария с относительной диэлектрической проницаемостью ε~1000, размером 100×80×2 мм. На пластине размещены стальные прямоугольные электроды с поперечным сечением 8×2 мм. Расстояние между электродами ~ 40 мм и расположены они параллельно друг другу. С противоположной стороны диэлектрической пластины приклеена стальная пластина, занимающая всю площадь под электродами, выполняющая роль обратного токопровода. Питание от высоковольтного источника подается коаксиальным кабелем РК 75-4-15. Жила кабеля электрически соединена с одним электродом - анодом 2, а оплетка через обратный токопровод - со вторым электродом - катодом 1.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Электрические импульсы с выхода генератора поступают по кабелю 5, закрепленному в диэлектрическом корпусе, на излучающее устройство. Для избирательного воздействия на участки облучаемой поверхности предложены разрядники-излучатели трех типов, обеспечивающие заданную конфигурацию зоны облучения.
Излучатель в первом исполнении (фиг.1) обеспечивает формирование НСИ в узком телесном угле (с малым ракурсом) и локальное облучение обрабатываемой поверхности с повышенной интенсивностью. Излучателем НСИ и акустических импульсов является искровой разряд, осуществляемый в промежутке, образованном кромками металлического стержня 1 и полого трубчатого электрода 2, расположенными концентрично и разделенными диэлектрической втулкой 3. Разряды между острыми кромками стержня и кольцевого электрода пространственно перемещаются, что обеспечивает равномерный унос материала электродов при сильноточных разрядах и увеличивает ресурс работы излучателя. Угол раствора конуса генерируемого излучения может регулироваться в пределах от 0 до ≤2π стерадиан путем погружения электродов внутрь изолирующего корпуса 6.
Для регулирования спектрального состава НСИ на выходном окне излучателя может устанавливаться оптический фильтр с полосой пропускания в требуемом спектральном диапазоне (на чертеже не показан). Для вывода УФ-части спектра излучения используются интерференционные УФ-фильтры.
Световые импульсы излучателей в устройствах фиг.1, 2 могут быть доставлены в скрытую полость облучаемого объекта гибким световодом, стыкуемым с излучателями. Для передачи УФ-части спектра генерируемого излучения световод изготавливается из кварцевых волокон.
При воздействии на объекты, требующие пространственно равномерного облучения больших площадей, используется плоский "широкоформатный" оптический излучатель (фиг.3, 4). Для получения излучения с широкими спектральным диапазоном и ракурсом используются многоканальные импульсные электрические разряды, образующие «плазменную плоскость», инициируемые скользящими разрядами вдоль излучающей поверхности.
r
Разряд происходит между плоскими электродами 1 и 2, расположенными параллельно с одной стороны диэлектрической подложки 7 и плотно прилегающими к ней. Прямоугольные электроды длиной ~50 мм расположены на расстоянии ~40 мм друг от друга. С противоположной стороны диэлектрической подложки прилегает металлическая пластина 8, соединенная с катодом и являющаяся обратным токопроводом разрядной цепи. Для обеспечения условий формирования многоканального скользящего разряда с повышенной плотностью каналов в завершенной стадии искрового разряда в качестве диэлектрика выбрана керамика толщиной ~2 мм на основе титаната бария с относительной диэлектрической проницаемостью ε~1000. (Баранов В.Ю., Борисов В.М., Высикайло Ф.И., Христофоров О.Б. Исследование условий формирования однородного сильноточного скользящего разряда // ТВТ. = 1984. - Том 22. - №4. - С.661-666).
С той же целью на разрядном промежутке излучателя в начальной стадии разряда создается перенапряжение за счет подачи импульсов высокого напряжения коаксиальным кабелем, сопротивление которого со стороны излучателя превышает волновое сопротивление кабеля. При этом электрическая длина кабеля (время распространения электромагнитной волны по кабелю) должна превышать время нарастания импульса высокого напряжения на излучателе.
Если требований к пространственной однородности генерируемого излучения не предъявляется, используется конструкция излучателя на скользящем разряде с концентрическими электродами (чертеж не приведен), установленными аналогично прототипу с одной стороны конденсаторной керамики (К15-10). Диаметр катода, установленного в центре керамического диска, составляет 50 мм. Внутренний диаметр анодного кольца равен 80 мм. Оба электрода плотно прилегают к керамическому основанию с одной стороны. С противоположной стороны керамического диска установлен сплошной электрод, соединенный с анодом.
2
2
Система электродов встроена в корпус из изоляционного материала (на чертеже не показан), который обеспечивает полную безопасность устройства. Для регулирования спектрального состава НСИ на выходном окне излучателя может устанавливаться оптический фильтр с соответствующей длиной волны и полосой пропускания. Для вывода УФ-излучения фильтр изготавливается из MgF, CaF или кварцевого стекла.
3
Установка весит не более 5 кг и имеет габаритные размеры: 350×300×120 мм. В процессе работы разрядники могут быть установлены стационарно в специальные подставки или обработку производят вручную. Вес разрядников (по обоим вариантам) не превышает 0,2 кг.
Экспериментальные данные, полученные при апробации заявляемого устройства путем воздействия оптических импульсов открытых излучателей на бактерии, выявили стопроцентный бактерицидный эффект в отношении грамположительной флоры (Staphylococcus epidermidis) и 90% бактерицидным эффектом в отношении грамотрицательной флоры (Escherichia coli) при дозе облучения 15 импульсов. Доза облучения 20 импульсов полностью разрушала клетки как грамположительной, так и грамотрицательной флоры.
При воздействии оптических импульсов устройства на грибковые клетки наблюдался стопроцентный фунгицидный эффект на взвесь Candida albicans, при дозе облучения 80 импульсов, 95% фунгицидный эффект при дозе 40 импульсов и 30% при облучении дозой 20 импульсов in vitro.
С целью исследования возможностей применения заявляемого устройства для подавления темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плисса in vivo были проведены опыты по воздействию оптических импульсов на крыс с перевитой экспериментальной лимфосаркомой Плисса.
Воздействие оптических импульсов заявляемого устройства на животных показало, что уровень ХЛ достоверно не отличался от уровня ХЛ контрольной серии. Количество не разрушенных эритроцитов достоверно увеличилось в режимах 20 и 40 импульсов соответственно на 21 и 44%. Содержание лейкоцитов при режиме 20 импульсов уменьшилось в 2 раза, а при режиме 40 импульсов - увеличилось на 60% по отношению к контролю.