Устройство для снижения резистентных свойств микроорганизмов
DEVICE FOR REDUCING RESISTANCE OF MICROORGANISMS

Изобретение относится к системам электромагнитного воздействия на биологические объекты: микроорганизмы, человека и животных, в частности к устройствам высокочастотной терапии и может применяться в медицинской и ветеринарной практике для комплексного и автономного лечения воспалительных заболеваний человека и животных.
Прототипом заявляемого изобретения является патент СССР №1831343. Данное устройство содержит импульсный генератор псевдослучайного сигнала, генератор сверхвысокой частоты, блок формирования управляющего напряжения и антенный тракт. Частота генератора сверхвысокой частоты модулируется по частоте по квазислучайному закону с заданными параметрами. Амплитудная модуляция сигнала сверхвысокой частоты осуществляется с помощью блока формирования управляющего сигнала, подключенного к управляющему входу генератора высокой частоты.
2
Однако в известном техническом решении не предусмотрена возможность моделирования излучений, отражающих микроволновые «всплески» в сантиметровом диапазоне длин волн, связанные с процессами взрывного характера, происходящими в хромосфере Солнца и достигающими поверхности Земли. Как показали экспериментальные исследования, они необходимы для снижения резистентных свойств микроорганизмов. Для этих всплесков характерно изменение ширины спектра и интенсивности излучения. При этом начальный период развития всплеска связан с широким спектром излучения (узкой эффективной его длительностью). Затем происходит его развитие, сопровождающееся сужением спектра излучения (увеличением его эффективной длительности). При этом интенсивность излучения по мере развития всплеска возрастает. После достижения всплеском максимального развития происходит обратный процесс - возвращение к исходному состоянию. При этом происходит сужение спектра микроволнового излучения, сопровождающееся уменьшением его эффективности. При таких параметрах низкоинтенсивного излучения с плотностью, не превышающей 100 мкВт/см, происходит снижение резистентных свойств микроорганизмов. Механизм такого изменения резистентных свойств основан на возбуждении в структуре микроорганизмов при поглощении ею электромагнитного излучения упругих колебаний. Эти колебания препятствуют формированию микроорганизмами биопленок - основной причины усиления их резистентных свойств.
Недостатком прототипа следует также признать отсутствие программного формирования управляющих сигналов для осуществления амплитудной и частотной модуляции излучаемого сигнала, а также индикатора излучения сигнала сверхвысокой частоты.
На основании проведенного исследования технических решений, направленных на восстановление регуляторных функций в организме с помощью электромагнитных излучений можно сделать вывод о том, что все ранее описанные технические решения основаны на эмпирическом подходе к оценке управляющей роли электромагнитных излучений на биологические объекты. Это существенным образом ограничивает их применение для коррекции нарушений регуляторных функций в организме человека.
Указанные недостатки прототипа лежат в основе технической проблемы, решение которой позволит повысить эффективность применения моделированного микроволнового излучения Солнца при лечении воспалительных заболеваний человека на всех этапах развития патологического процесса.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение является осуществление возможности моделирования микроволнового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли, которое может применяться для лечения воспалительных заболеваний человека и животных. На всем протяжении эволюции организмов и микроорганизмов, в частности, Солнце играло важную роль в поддержании в них гомеостаза, препятствующего усилению условно-патогенных свойств микроорганизмов. В настоящее время управляющая роль природного электромагнитного фактора в природе в микроволновом диапазоне длин волн заметно ослаблена из-за электромагнитного загрязнения окружающей среды. Это загрязнение приводит к ослаблению гомеостатических функций в организме и сопровождается усилением условно-патогенных свойств микроорганизмов, а также усилением резистентных свойств микроорганизмов.
2
Технической задачей является создание устройства, позволяющего моделировать в сантиметровом диапазоне частот микроволновые всплески Солнца с изменяемой во времени шириной спектра и интенсивностью мощности излучения на выходе антенны, не превышающей 100 мкВт/см.
Устройство для снижения резистентных свойств микроорганизмов, содержащее последовательно соединенные модулятор, генератор управляемый напряжением, состоящий из управляемого реактивного элемента, генератора высокой частоты и умножителя частоты, усилитель мощности, связанный с антенным блоком, а также блок формирования управляющего напряжения, согласно изобретению вход блока формирования управляющего напряжения подключен к выходу блока программного управления параметрами амплитудной модуляции, а выход блока формирования управляющего напряжения подключен ко входу электропитания усилителя мощности, при этом для контроля излучения сигнала сверхвысокой частоты используется встроенный индикатор излучения.
Модулятор, выполнен в виде блока программного управления параметрами частотной модуляции, выход которого подключен к входу генератора, управляемого напряжением.
2
Блок формирования управляющего напряжения, выполнен в виде устройства изменения напряжения электропитания усилителя мощности и имеет возможность программного изменения напряжения электропитания усилителя мощности посредством блока программного управления параметрами амплитудной модуляции и лежит в диапазоне значений от минимально допустимого до максимально допустимого, при которых обеспечивается генерация сигнала сверхвысокой частоты с изменяемой во времени шириной спектра и интенсивностью мощности на выходе антенны, не превышающей 100 мкВт/см.
В то же время блок формирования управляющего напряжения выполнен с возможностью изменения параметров электропитания усилителя мощности от минимально допустимого до максимально допустимого значения и обратно периодически по линейному или нелинейному закону с периодом повторения от 1 секунды до 30 минут.
Управление блоками программного управления параметрами амплитудной и частотной модуляции осуществляется от встроенного пульта выбора программ, подключенного к ним. Для контроля излучения сигнала сверхвысокой частоты используется встроенный индикатор излучения.
Совокупность существенных признаков изобретения позволяет решить техническую задачу следующим образом:
С пульта управления выбора программ осуществляется выбор программ амплитудной и частотной модуляции в блоках программного управления параметрами амплитудной и частотной модуляции соответственно. С выхода блока программного управления параметрами частотной модуляции сигнал, содержащий выбранные с помощью пульта выбора программ параметры частной модуляции, подается на генератор, управляемый напряжением. С выхода генератора сверхвысокой частоты, управляемого напряжением, сигнал подается на усилитель мощности. Усиление сигнала усилителем мощности зависит от амплитуды электропитания. При изменении амплитуды электропитания сверхвысокочастотного транзистора, на базе которого выполнен усилитель мощности, осуществляемое от блока формирования управляющего напряжения программно с помощью блока программного управления параметрами амплитудной модуляции, сигнал на его выходе будет изменяться не только по амплитуде сигнала, но и по ширине его спектра. При этом максимальная ширина спектра сигнала и минимальная его амплитуда будет иметь место при максимально допустимом уменьшении амплитуды электропитания от номинального значения, а минимальная ширина спектра сигнала и максимальная его амплитуда будет иметь место при номинальном значении электропитания, подаваемого на коллектор сверхвысокочастотного транзистора усилителя мощности. Периодически характер изменения электропитания усилителя мощности приведет к формированию сигнала с измененяемой амплитудой и шириной спектра, который имитирует «всплеск» микроволнового излучения Солнца. При этом излучаемый сигнал будет промодулирован также и по частоте с параметрами, которые определены блоком программного управления параметрами частотной модуляции. Сформированный вышеописанным образом сигнал излучается антенным блоком в направлении биологического объекта. Антенный блок может быть выполнен в виде вибраторной антенны.
i
0,
i
0
3
Излучаемый антенным блоком сверхвысокочастотный сигнал представляет собой электромагнитное излучение, промодулированное по амплитуде по линейному или нелинейному закону с периодом повторения от 1 секунды до 30 минут и частоте дискретным составным частотно-модулированным сигналом, у которого для каждого дискрета длительность дискрета τ, начальная частота f скорость df/dt изменения частоты изменяются в пределах: τ= (0,01 - 1) с; f = (20 - 14000) Гц; df/dt = ± (5-200)⋅10 Гц/с. Кроме этого, использование блока программного управления параметрами частотной модуляции позволяет оперативно корректировать параметры частотной модуляции из диапазона вышеуказанных значений, а также использовать и другие модулирующие сигналы, например, отрывки из музыкальных произведений известных композиторов Моцарта, Чайковского, Вивальди и т.п.
2
При этом плотность потока мощности излучения антенным блоком не превышает 100 мкВт/см. Время однократной экспозиции не превышает (15-20) мин. Рабочий диапазон длин волн: от 1 см до 10 см.
Индикатор излучения, представляющий собой приемник прямого усиления излучаемого сигнала, позволяет контролировать с помощью индикатора в виде светодиода наличие излучения при работе устройства.
2
Существенным отличием устройства для снижения резистентных свойств микроорганизмов является возможность изменения напряжения электропитания усилителя мощности с помощью блока формирования управляющего напряжения, которая осуществляется программно от блока программного управления параметрами амплитудной модуляции и лежит в диапазоне значений от минимально допустимых до максимально допустимых, при которых обеспечивается генерация сигнала сверхвысокой частоты с изменяемой шириной спектра и интенсивностью мощности на выходе антенны, не превышающей 100 мкВт/см. При этом параметры электропитания усилителя мощности изменяются от минимального до максимального значения и обратно периодически по линейному или нелинейному закону с периодом повторения от 1 секунды до 30 минут.
Реализация особенностей амплитудной модуляции в устройстве для снижения резистентных свойств микроорганизмов при моделировании микроволновых всплесков Солнца основана на известной связи ширины спектра колебаний Δf с центральной (резонансной) частотой и добротностью контура Q, определяемой соотношением
0
Δf = f / Q.
Из этого соотношения следует, что изменяя добротность колебательной системы усилителя мощности, можно добиться изменения не только ширины спектра генерируемого сигнала, но и его мощности. Последнее следует из обратно пропорциональной зависимости ширины спектра колебаний и их мощности. На основании известного соотношения добротности
0
d
Q = 2π f W/P,
где W - энергия, запасаемая в колебательной системе;
d
P - рассеиваемая мощность,
можно сделать вывод, что изменение добротности колебательной системы напрямую связано с изменением энергии, запасаемой в контуре.
Так как значение этой энергии определяется соотношением
2
2
макс
макс
W = q/ 2C = LI/2,
макс
где q- максимальное значение заряда, накапливаемое на обкладках конденсатора С, входящего в состав контура;
макс
I - максимальная сила тока, протекающая через индуктивность L контура,
d
то из него следует, что управление энергией, запасаемой в контуре, а, следовательно, и его добротностью Q, можно осуществлять напряжением, подаваемым на контур. Это же напряжение является напряжением питания, сверхвысокочастотного транзистора, на базе которого выполнен усилитель мощности колебаний сверхвысокой частоты. При этом значение рассеиваемой мощности P в управлении добротностью контура при изменении напряжения питания можно оценить только в эксперименте.
На основании вышеизложенного следует, что изменение электропитания сверхвысокочастотного транзистора усилителя мощности, можно реализовать амплитудную модуляцию выходного излучения с заданными параметрами.
2
Высокая эффективность устройства для снижения резистентных свойств микроорганизмов доказана в серии экспериментальных исследований по оценке модифицирующего действия моделируемого излучения на резистентные свойства микроорганизмов. Результаты моделирования такого излучения в диапазоне частот 4,0-4,3 ГГц с плотностью потока мощности, не превышающей 100 мкВт/см, показали, что при этих условиях происходит снижение резистентных свойств микроорганизмов. Механизм такого изменения резистентных свойств основан на возбуждении в структуре микроорганизмов при поглощении ею электромагнитного излучения упругих колебаний. Эти колебания препятствуют формированию микроорганизмами биопленок - основной причины усиления их резистентных свойств.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили высокую эффективность устройства по снижению резистентности условно патогенных микроорганизмов. Применение устройства позволит повысить эффективность профилактики и комплексного лечения широкого спектра воспалительных заболеваний человека.
Качественные изменения можно проиллюстрировать электронными микроскопиями. В эксперименте с золотистым стафилококком в сравнении с контролем (Фиг. 1) наблюдается (Фиг. 2) ослабление процесса образования внеклеточного матрикса (биопленки), его деструктуризация (в правой части микроскопии (Фиг. 2)). На это указывает область темного цвета и клетки бактерии, свободные от матрикса. Чувствительность золотистого стафилококка к антимикробным препаратам показана в (Табл. 1).
2
Табл. 1 - Площадь зоны задержки роста золотистого стафилококка, см
Антибиотик
Контроль
Электромагнитное излучение техногенного происхождения
Электромагнитное излучение природного происхождения
Линкомицин
8,93±2,55
5,60±1,30
9,98±2,41
Доксициклин
6,79±0,93
7,80±0,88
6,80±0,63
Олеандомицин
4,02±1,48
4,74±1,33
3,07±1,18
Оксациллин
6,21±1,23
7,40±1,04
6,21±0,88
Карбенициллин
2,15±0,39
1,38±0,08, р<sub>к-т</sub> = 0,04
2,04±0,36
Канамицин
5,51±0,20
3,20±0,66, р<sub>к-т</sub> = 0,04
5,87±0,28
Более значимый эффект, в сравнении с контролем (Фиг. 3), наблюдается в эксперименте с кишечной палочкой. На представленной фотографии (Фиг. 4) видно, что примененное электромагнитное воздействие на кишечную палочку инактивировало процесс формирования биопленки. На фоне кристаллов питательной среды визуализируется полное отсутствие внеклеточного матрикса (биопленки).
2
По результатам проведенных исследований сделан вывод о том, что для ослабления процесса биопленкообразования необходимо повысить метаболическую активность микроорганизмов. Это можно сделать на основе моделированного электромагнитного излучения природного происхождения. При воздействии таким излучением в клеточных структурах возникают низкоинтенсивные вибрации. Восстановление метаболической активности микроорганизмов под воздействием моделированного электромагнитного излучения природного происхождения является основой ослабления образования ими биопленок, т.е. происходит снижение резистентных свойств микроорганизмов. Это подтверждает решение технической задачи - создание устройства для снижения резистентных свойств микроорганизмов, позволяющее моделировать в сантиметровом диапазоне частот микроволновые всплески Солнца низкой интенсивности (не превышающей 100 мкВт/см) с заданными параметрами амплитудной и частотной модуляций.
Патентные исследования не выявили технических решений, характеризующихся заявляемой совокупностью существенных признаков, следовательно, можно предположить, что указанное изобретение соответствует критерию «новизна».
Кроме того, предлагаемое изобретение может быть изготовлено в промышленных масштабах с использованием стандартного оборудования и найдет широкое применение в медицинской и ветеринарной практике, т.е характеризуется критерием «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей:
Фиг. 1 - микроскопия контрольного образца золотистого стафилококка.
Фиг. 2 - микроскопия опытного образца золотистого стафилококка.
Фиг. 3 - микроскопия контрольного образца кишечной палочки.
Фиг. 4 - микроскопия опытного образца кишечной палочки.
Фиг. 5 - блок-схема устройства для снижения резистентных свойств микроорганизмов.
упр
Фиг. 6 - фрагмент управляющего напряжения Е.
Фиг. 7 - структурная схема формирователя радиосигналов, реализующего метод прямого цифрового синтеза частоты.
упр
Фиг. 8 - вариации спектра моделированного микроволнового всплеска Солнца в различные моменты времени при использовании квазишумового управляющего напряжения Е с одновременным изменением напряжения питания от 9 В до 15 В и обратно.
Устройство для снижения резистентных свойств микроорганизмов содержит генератор, управляемый напряжением 1 (Фиг. 5), содержащий управляемый реактивный элемент 101, генератор сверхвысокой частоты 102 и умножитель частоты 103. Генератор, управляемый напряжением 1 последовательно соединен с выходом блока программного управления параметрами частотной модуляции 2, с входом блока усилителя мощности 3 и антенным блоком 4. Блок программного управления параметрами частотной модуляции 2 и блок программного управления параметрами амплитудной модуляции 5 подключены к пульту выбора программ 6. Вход блока формирования управляющего напряжения 7, подключен к выходу блока программного управления параметрами амплитудной модуляции 5, а его выход - к входу электропитания блока усилителя мощности 3. Для контроля излучения сигнала сверхвысокой частоты используется встроенный индикатор излучения 8, подключенный к антенному блоку 4.
Для разрешения проблемы моделирования микроволновых всплесков посредством пульта выбора программ 6, осуществляется выбор программ амплитудной и частотной модуляции в блоке программного управления параметрами амплитудной модуляции 5 и в блоке программного управления параметрами частотной модуляции 2 соответственно. С выхода блока программного управления параметрами частотной модуляции 2, сигнал, который содержит выбранные с помощью пульта выбора программ 6 параметры частной модуляции, подается на генератор управляемый напряжением 1. С выхода генератора (1), управляемого напряжением, сигнал подается на блок усилителя мощности 3. Усиление сигнала в блоке усилителя мощности 3 зависит от амплитуды электропитания. При изменении амплитуды электропитания сверхвысокочастотного транзистора, на базе которого выполнен блок усилителя мощности 3, осуществляемое от блока формирования управляющего напряжения 7 программно, с помощью блока программного управления параметрами амплитудной модуляции 5, сигнал на его выходе будет изменяться не только по амплитуде сигнала, но и по ширине его спектра. При этом максимальная ширина спектра сигнала и минимальная его амплитуда будет иметь место при максимально допустимом уменьшении амплитуды электропитания от номинального значения, а минимальная ширина спектра сигнала и максимальная его амплитуда будет иметь место при номинальном значении электропитания, подаваемого на коллектор сверхвысокочастотного транзистора блока усилителя мощности 3. Периодический характер изменения электропитания усилителя мощности приведет к формированию сигнала с измененяемой амплитудой и шириной спектра, который имитирует «всплеск» микроволнового излучения Солнца. При этом излучаемый сигнал будет промодулирован также и по частоте, с параметрами, которые определены блоком программного управления параметрами частотной модуляции 2. Сформированный вышеописанным образом сигнал излучается антенным блоком 4 в направлении биологического объекта. Антенный блок 4 может быть выполнен в виде направленной (например, рупорной) или ненаправленной (например, вибраторной) антенны. Для контроля излучения сигнала сверхвысокой частоты используется встроенный индикатор излучения 8, подключенный к антенному блоку 4.
упр
Для моделирования микроволнового излучения Солнца сверхвысокочастотного диапазона целесообразно использование стандартного транзисторного генератора 102 сверхвысокой частоты с возможностью управления значениями диффузионной емкостью «p-n» перехода с помощью блока программного управления параметрами частотной модуляции 2 при использовании широкополосных управляющих сигналов Е. Изменения интенсивности и полосы генерируемых излучений осуществляется от блока программного управления параметрами амплитудной модуляции 5.
Указанные особенности позволяют обеспечить различные режимы управления уровнем спектральной плотности и шириной спектра выходного сигнала .
Для моделирования микроволнового излучения со сложной амплитудной и частотно-временной структурой, отражающей реальные излучения, сопровождающие процессы взрывного характера в хромосфере Солнца, используется управляющее напряжение, представляющее собой низкочастотные флуктуации космического микроволнового фона (Фиг. 6).
Формирование управляющего сигнала, с указанными выше параметрами (имеющими равномерный закон распределения), проводится на основе метода прямого цифрового синтеза частоты (Фиг. 7), заключающегося в циклическом вычислении цифрового кода мгновенной частоты управляющего сигнала и преобразовании его в соответствующее значение амплитуды.
2
Из представленных спектральных характеристик (Фиг. 8 а, б) следует, что изменение электропитания, подаваемого на блок усилителя мощности 3, а именно на коллектор СВЧ транзистора с блока формирования управляющего напряжения 7, позволяет реализовать моделирование микроволновых всплесков Солнца в диапазоне рабочих частот 4,0-4,3 ГГц. При этом изменение напряжения питания в диапазоне от 9 В до 15 В и обратно приводит к формированию «всплеска» интенсивности, не превышающего 100 мкВт/см, ширина спектра которого на уровне 0,5 от максимального значения составляет: 30 МГц - 40 МГц (цена деления 30 МГц).