СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НЕГАТИВНЫХ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ
METHOD OF PREVENTION OF NEGATIVE BIOMEDICAL EFFECTS OF GEOMAGNETIC STORMS

Изобретение относится к области биологии, медицины, ветеринарии и может быть использовано в медицинских стационарах для предотвращения негативных эффектов геомагнитных бурь для здоровья.
Известно, что во время геомагнитных бурь увеличивается риск осложнений различных заболеваний (Ораевский и др., 1998; Cherry, 2003), но в первую очередь ухудшается состояние больных, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями (Ghione et al., 1998; Papailiou et al., 2009; Papailiou et al., 2011; Mavromichalaki et al., 2012), повышается вероятность инфаркта миокарда (Ораевский и др., 1998; Cherry, 2003). Исходя из этого применение способа для предотвращения негативных медико-биологических эффектов геомагнитных бурь для здоровья человека будет востребовано лечебными учреждениями, и в наибольшей степени - кардиологическими стационарами. В частности для снижения рисков осложнения протекания патологических процессов в палатах тяжелобольных пациентов или во время послеоперационной реабилитации больных, перенесших операции на сердечно-сосудистой системе.
Известны различные способы предотвращения негативных медико-биологических эффектов геомагнитных бурь. Например, при помощи магнитного экранирования (патент SU 1762430, патент RU 2030139, патент RU 2012175). Основным недостатком этого способа является то, что при экранировании напряженность магнитного поля сводится практически к нулевому значению. Нулевого значения геомагнитного поля на поверхности Земли не существует, а в лаборатории такие условия могут приводить к выраженным негативным биологическим эффектам (Krylov et al., 2013). Известно также устройство, предназначенное для целей диагностики и защиты пациентов методом стабилизации магнитного поля Земли на заданном уровне путем компенсации флуктуации геомагнитного поля во время геомагнитной бури (патент RU 2135228). Основным недостатком этого способа является то, что вместе с компенсацией геомагнитной бури происходит, также, и компенсация суточных вариаций геомагнитного поля до одного постоянного значения. Поскольку суточные вариации геомагнитного поля рассматриваются в качестве водителя циркадных физиологических процессов, то такая компенсация геомагнитной бури может приводить к негативным биологическим эффектам. Данное изобретение является ближайшим аналогом предлагаемого устройства и способа защиты от геомагнитных бурь.
Заявляемый способ предотвращения негативных медико-биологических эффектов геомагнитной бури основан на результатах экспериментального исследования влияния типичной сильной геомагнитной бури и ее составляющих на биологические объекты, проведенного автором. Типичная геомагнитная буря описывается следующей последовательностью сменяющих друг друга фаз, связанных с особенностями взаимодействия возмущенного потока солнечного ветра с магнитосферой Земли: начальная фаза (незначительное увеличение напряженности геомагнитного поля в направлении горизонтальной компоненты), главная фаза (относительно резкое уменьшение напряженности геомагнитного поля) и фаза восстановления (медленное восстановление значений геомагнитного поля к невозмущенному уровню) (Akasofu and Chapman, 1972). Амплитуда флуктуации геомагнитного поля во время геомагнитной бури может достигать сотен нТл, а длительность геомагнитной бури варьируется от нескольких часов до нескольких суток. На фоне медленных изменений геомагнитного поля (фаз геомагнитной бури) во время геомагнитной бури наблюдаются также низкочастотные флуктуации геомагнитного поля (так называемые геомагнитные пульсации) в диапазоне частот примерно от 0 до 5 Гц. В этом диапазоне регистрируются как хаотические, так и квазипериодические колебания с амплитудой от десятков пТл до десятков нТл. Типичная геомагнитная буря это суперпозиция медленных изменений геомагнитного поля и геомагнитных пульсаций. Исследовался сигнал реальной геомагнитой бури, случившейся 30-31 октября 2003 г. и записанный на широте проведения экспериментов. Для воспроизведения геомагнитной бури и ее отдельных частотных составляющих было использовано устройство для генерации магнитных полей и компенсации локального низкочастотного магнитного поля (патент RU 108640, 2011 г.). Ранее экспериментальное воспроизведение геомагнитных бурь было технически сложной задачей, и данные о влиянии этого фактора на организмы получали только путем сравнения различных показателей, полученных во время естественных бурь и в спокойных геомагнитных условиях. В последних экспериментах удалось воспроизвести трехкомпонентный сигнал типичной сильной геомагнитной бури и отдельные частотные составляющие этого процесса в диапазоне 0-0.01 Гц и 0.01-5 Гц, а также геомагнитные пульсации Рс-1. Помимо влияния отдельных частотных диапазонов геомагнитной бури на организмы, были исследованы также биологические эффекты отдельных фаз геомагнитной бури. Было установлено, что период геомагнитной бури, соответствующий главной фазе и начальным этапам фазы восстановления, вызывает значимые биологические эффекты. Во время главной фазы и начальных этапов фазы восстановления геомагнитной бури достоверно увеличивается угол изгиба стеблей льна при гравитропической реакции, достоверно снижается активность протеиназ в кишечнике годовиков карпа, достоверно увеличивается смертность эмбрионов Daphnia magna. То есть, биологические эффекты наблюдались во время максимальных отклонений индукции геомагнитного поля от невозмущенного состояния. Исследование различных частотных диапазонов сигнала геомагнитной бури и Рс-1 пульсаций показало, что только воздействие флуктуации геомагнитного поля в диапазоне частот 0-0.01 Гц, соответствующих геомагнитной буре, вызывают те же биологические эффекты, что и геомагнитная буря. В частности достоверно изменяются следующие показатели: увеличивается угол изгиба стеблей льна при гравитропической реакции, усиливается перекисное окисление липидов и увеличивается активность супероксид дисмутазы в теле ювенильных особей D. magna, снижается активность кальпаинов в мозге и мышцах карася, а также снижается протеолитическая активность пищеварительных ферментов в кишечнике карася (Krylov et al., 2014). Механизмы воздействия слабых флуктуации магнитного поля, к которым относятся и естественные геомагнитные бури, на организмы связаны с физическими принципами взаимодействия магнитного поля с веществом (Бинги, 2011). То есть биологические эффекты магнитных полей являются невидоспецифичными, и результаты, обнаруженные в экспериментах с представителями различных видов, могут быть экстраполированы на большинство организмов, включая человека. Кроме этого, следует добавить, что организмы адаптированы к номинальным значениям напряженности геомагнитного поля, соответствующего его географическому местоположению и суточным вариациям геомагнитного поля (Hall, 1966; Hamilton and Hodder, 1984), которые выступают в качестве второго водителя циркадных физиологических ритмов после смены дня и ночи (van der Horst et al., 1999). Нулевого значения геомагнитного поля на земной поверхности не существует. Отсутствие геомагнитного поля приводит к выраженным негативным биологическим эффектам (Krylov et al., 2013).
Устранение негативного влияния геомагнитной бури на здоровье человека достигается за счет компенсации медленных изменений геомагнитного поля во время геомагнитной бури в диапазоне частот 0-0.01 Гц с одновременным сохранением суточных вариаций геомагнитного поля. Для реализации способа предотвращения негативных медико-биологических эффектов геомагнитных бурь предлагается использовать разработанное ранее автором устройство для генерации магнитных полей и компенсации локального низкочастотного магнитного поля (патент RU 108640, 2011 г.) в следующей модификации (Фиг. 1). Устройство собрано на базе компьютера (3) и состоит из следующих модулей: модуль регистрации трех компонент (в широтном, меридиональном и вертикальном направлениях) локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций (1), модуль генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5), модуль аналого-цифрового (2) и цифроаналогового (4) преобразователей сигналов. Модуль регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций представляет собой трехкомпонентный феррозондовый магнитометр и служит для формирования аналоговых сигналов, пропорциональных величине индукции локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций. Модуль генерации-компенсации трех компонент магнитных полей (5) представляет собой систему из трех пар взаимно ортогональных колец Гельмгольца, имеющих одинаковые геометрические размеры и общий центр. При этом модуль генерации-компенсации магнитного поля имеет такие размеры, что в его центре может располагаться койка с пациентом (7). Это может быть как система взаимно ортогональных колец Гельмгольца, так и обмотки колец Гельмгольца прямоугольной формы, расположенные по периметру рабочего бокса (палаты).
Пары колец системы и датчик модуля регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций ориентированы в широтном, меридиональном (в соответствии с направлением сторон света) и вертикальном направлении. Модуль аналого-цифрового (2) и цифроаналогового (4) преобразователей сигналов предназначен для согласования работы модуля регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций (1), модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5) и компьютера (3). Устройство оборудовано контрольным трехкомпонентным феррозондовым датчиком магнитного поля (8), который размещается в центре модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5) и служит для регистрации магнитного поля внутри рабочего объема при калибровке и работе устройства. Управление экспериментальной установкой осуществляется при помощи компьютера (3) со специальным программным обеспечением, разработанным автором. Для визуализации процессов регистрации, компенсации и генерации магнитных полей можно использовать программы для регистрации и визуализации сигналов.
Способ для предотвращения негативных медико-биологических эффектов геомагнитной бури реализуется следующим образом. Модуль регистрации трех компонент геомагнитного поля и его вариаций (1) размещается в пространстве таким образом, чтобы направление векторов регистрируемых компонент строго соответствовало направлению осей колец Гельмгольца в модуле генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5). Перед работой производится инсталляция модуля регистрации трех компонент геомагнитного поля и его вариаций, калибровка и настройка системы. Для этого в центр модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5) помещают контрольный трехкомпонентный феррозондовый датчик магнитного поля (8) таким образом, чтобы направление векторов регистрируемых компонент строго соответствовало направлению осей колец Гельмгольца в модуле генерации-компенсации трех компонент магнитного поля. Таким образом, во время калибровки системы оси колец Гельмгольца в модуле генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5) направление трех регистрируемых компонент в модуле регистрации геомагнитного поля и его вариаций (1) и направление трех регистрируемых компонент в контрольном трехкомпонентном феррозондовом датчике магнитного поля (8) располагаются соосно. При инсталляции модуля регистрации трех компонент геомагнитного поля и его вариаций, помимо соблюдения условия соосности с другими элементами системы, необходимо обеспечить минимизацию любых вибраций в месте расположения датчика и добиться максимального соответствия между сигналами, регистрируемыми в модуле регистрации геомагнитного поля и его вариаций (1), и контрольным трехкомпонентным феррозондовом датчиком магнитного поля (8). При калибровке добиваются строгого соответствия между величиной регистрируемых магнитных флуктуации и интенсивностью генерируемого магнитного поля, компенсирующего эти флуктуации, по каждой компоненте. Для этого необходимо несколько раз поднести к датчику регистрации трех компонент геомагнитного поля и его вариаций калибровочный постоянный магнит и сравнить величину регистрируемого поля с величиной компенсационного поля, генерируемого в модуле генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (регистрируется контрольным трехкомпонентным феррозондовым датчиком) по каждой компоненте. В процессе калибровки необходимо программно или аппаратно (в зависимости от исполнения) добиться равенства этих величин. Далее происходит настройка устройства. При этом система в течение недели работает в режиме регистрации геомагнитной активности. В это время программа (6) выстраивает усредненную за неделю модель суточных вариаций геомагнитного поля для данного места. В дальнейшем программа (6) будет ежедневно обновлять эту усредненную семидневную модель, используя данные о геомагнитной активности, регистрируемые модулем регистрации трех компонент локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций, в процессе работы устройства. При этом магнитные бури (превышение порога интенсивности геомагнитных флуктуации или временное несоответствие суточным вариациям геомагнитного поля) программно исключаются из расчетов. После инсталляции модуля регистрации трех компонент геомагнитного поля и его вариаций, калибровки и настройки система готова к использованию.
Пациент (7) помещается на койку в зоне генерации однородного магнитного поля в центре модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5). Модуль регистрации геомагнитного поля и его вариаций (1) в режиме реального времени формирует аналоговые сигналы, соответствующие изменениям локального геомагнитного поля в направлении трех компонент. Эти сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь (2), преобразуются в цифровой код и поступают в компьютер (3). На компьютере происходит обработка сигналов и формирование трехкомпонентных сигналов для компенсации локального низкочастотного магнитного поля и его вариаций в направлении трех компонент таким образом, чтобы результирующее магнитное поле в центре модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля соответствовало модели суточных вариаций геомагнитного поля для данного места, рассчитанной на основании недельных наблюдений. Сигналы транслируются на 3 канала цифроаналогового преобразователя (4) и преобразуются в электрическое напряжение, которое подается на обмотки компенсации в модуле генерации-компенсации трех компонент магнитного поля (5). Электрический ток в кольцах Гельмгольца генерирует магнитное поле, соответствующее локальному низкочастотному магнитному полю и направленное противоположно для каждой компоненты, что в соответствии с принципом суперпозиции магнитных полей приводит к компенсации флуктуации локального низкочастотного магнитного поля в рабочем объеме модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля в диапазоне до 0.01 Гц (согласно результатам экспериментов флуктуации в этом диапазоне оказывают наибольшее влияние на биологические системы). В случае возникновения естественной магнитной бури в рабочем объеме модуля генерации-компенсации трех компонент магнитного поля сохранится спокойная геомагнитная обстановка, повторяющая суточные вариации геомагнитного поля, что не повлечет за собой десинхронизацию циркадных ритмов и негативные медико-биологические эффекты. Экспозиция пациента в спокойной геомагнитной обстановке может проводиться как во время повышения геомагнитной активности, так и в продолжение всего курса лечения.
На фигуре 2 представлено схематическое изображение устройства.
Характеристики компьютера, трехкомпонентных феррозондовых магнитометров, системы колец Гельмгольца, цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей зависят от требуемой точности и быстродействия устройства. Авторами был апробирован метод, а также создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого устройства для предотвращения негативных медико-биологических эффектов геомагнитной бури, блок-схема которого приведена на фиг. 2. В качестве модуля регистрации трех компонент внешнего магнитного поля и его вариаций и контрольного датчика использовали трехкомпонентный феррозондовый магнитометр НВ0302А (производитель - НПО «ЭНТ», Санкт-Петербург). Были использованы цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи в составе крейтовой системы, укомплектованной устройствами LTR11, LTR22 и LTR34-4 (ЗАО «Л-кард», Москва). Модуль генерации-компенсации трех компонент низкочастотных магнитных полей был собран авторами, он представляет собой куб, на гранях которого размещены кольца Гельмгольца диаметром 0.5 м. Каждое кольцо имеет обмотку по 700 витков медного провода диаметром 0.2 мм. Был использован персональный компьютер с двухядерным процессором Intel 2.7 частотой ГГц и операционной системой Windows ХР. Для визуализации процессов регистрации, компенсации и генерации низкочастотных магнитных полей использовалась программа PowerGraph 3.3 (ООО «ДИСофт», Москва).
Результаты испытаний устройства подтвердили, что данный способ, а именно компенсация медленных изменений геомагнитного поля во время геомагнитной бури в диапазоне частот 0-0.01 Гц с одновременным воспроизведением естественных суточных вариаций геомагнитного поля, при помощи описанного ранее устройства, позволяет существенно снизить негативное влияние геомагнитной бури на организм в ограниченном пространстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бинги В.Н. Принципы электромагнитной биофизики. М.: Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2011. 592 с.
Ораевский В.Н., Кулешова В.П., Гурфинкель Ю.И., Гусева А.В., Рапопорт С.И. 1998. Медико-биологические эффекты естественных электромагнитных вариаций. Биофизика, т.43. вып.5. С. 844-848.
Cherry N. 2003. Schumann resonance and sunspot relations to human health effects in Thailand. Nat. Hazards V. 29. P. 1-11.
Ghione S., Mezzasalma L., Del Seppia C., Papi F. 1998. Do geomagnetic disturbances of solar origin affect arterial blood pressure? J. Hum. Hypertens. V. 12. P. 749-754.
Mavromichalaki H., Papailiou M., Dimitrova S., Babayev E.S., Loucas P. 2012. Space weather hazards and their impact on human cardio-health state parameters on Earth. Nat. Hazards V. 64. P. 1447-1459.
Papailiou M., Mavromichalaki H., Kudela K., Stetiarova J., Dimitrova S. 2011. Effect of geomagnetic disturbances on physiological parameters: An investigation on aviators. Adv. Space. Res. V. 48. P. 1545-1550.
Papailiou M., Mavromichalaki H., Vassilaki Α., Kelesidis K.M., Mertzanos G.A., Petropoulos B. 2009. Cosmic ray variations of solar origin in relation to human physiological state during the December 2006 solar extreme events. Adv. Space Res. V. 43. P. 523-529.
Krylov V.V., Zotov O.D., Klain B.I., Ushakova N.V., Kantserovaa N.P., Znobishcheva A.V., Izyumov Yu.G., Kuz'mina V.V., Morozov A.A., Lysenko L.A., Nemova N.N., Osipova E.A. 2014. An experimental study of the biological effects of geomagnetic disturbances: The impact of a typical geomagnetic storm and its constituents on plants and animals. J. Atmos. Solar. Terr. Phys. V. 110-111 P. 28-36.
Akasofu S.I., Chapman S. 1972. Solar-Terrestrial Physics. Clarendon Press, Oxford Krylov V.V., Bolotovskaya I.V., Osipova E.A. 2013. The response of European Daphnia magna Straus and Australian Daphnia carinata King to changes in geomagnetic field. Electromagn. Biol. Med. V. 32. №1. P. 30-39.
van der Horst G.T., Muijtjens M., Kobayashi K., Takano R., Kanno S., Takao M., de Wit J., Verkerk Α., Eker A.P., van Leenen D., Buijs R., Bootsma D., Hoeijmakers J.H., Yasui A. 1999. Mammalian Cryl and Cry2 are essential for maintenance of circadian rhythms. Nature V. 398(6728). P. 627-630.
Hall S.H. 1966. Contour maps of the geomagnetic diurnal variation. J. Atmos. Solar. Terr. Phys. V. 28. P. 165-173.
Hamilton R.A., Hodder B.M. 1984. The influence of sunspot number and magnetic activity on the diurnal variation of the geomagnetic field at mid to high latitudes. J. Atmos. Solar. Terr. Phys. V. 46. P. 193-196.