Національний технічний університет України“

Київський політехнічний інститут”

Мухаммад Салех Ібрагім Ал Сінжлаві

(Йорданія)

УДК 621.325.6:621.317.757

Широкосмугові пристрої міліметрового діапазону
електромагнітних хвиль для фізіотерапевтичної апаратури

Спеціальність 05.11.17 – медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національному технічному університеті України
"Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України
на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки

Науковий керівник: доктор технічних наук

Лошицький Павло Павлович,

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут",

професор кафедри фізичної та біомедичної
електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Молебний Василь Васильович,

Інститут біомедичної
техніки та технологій, директор

кандидат технічних наук,
Чухраев Микола Вікторович,

Науково-методичний центр

"Медінтех", директор

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки
Міністерства науки і освіти України, кафедра біомедичних електронних приладів і систем.

Захист відбудеться 12 травня 2003 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої
ради Д 26.002.19 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний
інститут" (НТУУ "КПІ") за адресою: м. Київ, проспект Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ "КПІ" за адресою: м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 3 квітня 2003 p.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Швайченко В.Б.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Біохімічні засоби впливу на живі об'єкти у вигляді лікарських препаратів, фунгіцидів та всіляких стимуляторів окрім прямої дії на організм мають сильні побічні та залишкові ефекти, які врешті решт впливають як на організм, так і на довкілля (Ю.В. Пилипович, 1985; Н.А. Тюкавіна, 1985). Це призводить до необхідності шукати методи, що частково або повністю виключають застосування біохімічних препаратів, використання фізичних факторів штучного або природного походження для стимуляції організму по утворенню необхідних йому речовин для забезпечення життєдіяльності у заданому режимі (О.В. Бецький, 1993; М.Б. Голант, 1994).

Одне з провідних місць серед цих фізичних факторів посідають електромагнітні поля різних частотних діапазонів.

У наші дні інтенсивно вивчаються і практично використовуються електромагнітні поля вкрай високих частот – ВВЧ-випромінювання нетеплової інтенсивності
(Н.Д. Дев’ятков, М.Б. Голант, О.В. Бецький, 1991). Незважаючи на більш ніж тридцятирічне практичне застосування міліметрових хвиль у біології дотепер немає єдиної точки зору на метод і розуміння механізмів їх впливу на живі об'єкти.

Немає обґрунтованого експериментально або теоретичного висновку про спектральні характеристики електромагнітного поля, що ефективно впливає на біологічні об'єкти, які значно змінюють міру обводнювання, наприклад, опікових уражень (У.Р.Ейді, 1980).

Використання будь-якого нового нетрадиційного методу у практичних цілях тісно пов'язане з можливістю його технічної реалізації, досконалістю апаратури для реалізації цього методу. Незважаючи на наявність декількох основних типів обладнання ВВЧ, усі вони далекі від досконалості і потребують подальшого серйозного покращання для конкретного використання при лікуванні (П.П. Лошицький, 1992).

Тому створення широкосмугових пристроїв міліметрового діапазону електромагнітних хвиль для фізіотерапевтичної апаратури є актуальним, і цій темі присвячена дана дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у межах загальнодержавної програми "НВЧ-електроніка – народному господарству України (1991-2000 рр.)." (КСП-4, підпрограма 10, затверджена Радою Міністрів УРСР, 18.02.1991 p.).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення ефективності широкосмугових пристроїв міліметрового діапазону електромагнітних хвиль для фізіотерапевтичної апаратури шляхом оптимізації параметрів випромінювання, дозових навантажень та удосконалення окремих пристроїв та конструкції апаратури.

Об'єкт дослідження – випромінювачі та генератори широкосмугових сигналів міліметрового діапазону довжин хвиль та фізіотерапевтичні пристрої на їх основі.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі задачі:

–

–

–

Методи дослідження – параметри електромагнітного випромінювання, що найбільш ефективно впливають на обводнювані системи, визначалися експериментальним шляхом, шляхом порівняння з неопроміненими зразками; генератори електромагнітних коливань розраховувалися за відповідними методиками розрахунку генераторів шуму з врахуванням особливостей конкретних пристроїв; універсальний випромінювач розроблявся на основі теоретичних оцінок ВВЧ-антен та експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів.

Установлено взаємозв’язок між параметрами випромінювання, дозовими навантаженнями та ефективністю впливу на біологічні об’єкти:

–

–

Визначено шляхи технічної реалізації окремих пристроїв та конструкції, що підвищують ефективність терапевтичного впливу:

–

–

–

Експериментально та шляхом клінічних випробувань підтверджено підвищення ефективності розроблених та виготовлених широкосмугових пристроїв міліметрового діапазону електромагнітних хвиль для фізіотерапевтичної апаратури; із застосуванням розроблених пристроїв визначено межі зміни функціонального стану біологічних об’єктів при опромінюванні ВВЧ шумовим сигналом.

Практичне значення одержаних результатів:

–

–

–

–

–

Особистий внесок здобувача. Автором особисто визначені мета й напрямки досліджень, проведений патентно-інформаційний пошук та вибрані методичні підходи, згідно з якими виконано експериментальні дослідження. Дослідження напівпровідникового лавино-пролітного діода, запропонованого П.П. Лошицьким, здійснювалися пошукачем під керівництвом М.Ф.Карушкіна. Автором проведено статистичну обробку та оформлення результатів досліджень. Дослідження впливу ВВЧ-випромінювання на тваринах здійснювалося під керівництвом М.І.Тарнавської. Автору належать основні ідеї опублікованих праць, аналіз та узагальнення одержаних результатів. В опублікованих у співавторстві роботах понад 60% розробок і матеріалу належить здобувачеві:

[1] - запропоновано ідею дослідження, проведено експериментальну роботу з опромінювання біологічних об'єктів, проведено статистичну обробку результатів;

[2] - проведено розрахунки технологічних процесів, досліджено статичні та динамічні параметри діодів, виготовлено генератор шумів, проведено експериментальні дослідження;

[3] - запропоновано ідею та виконано експериментальні дослідження, виготовлено дослідні зразки генераторів шумів на різних первинних джерелах шуму;

[4] - запропоновано ідею та розроблено методику досліджень, проведено експериментальні дослідження, оброблено результати експерименту.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень обговорювалися і одержали позитивну оцінку на:

–

–

–

–

Дисертація обговорювалася повністю і одержала позитивну оцінку на:

–

–

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 5 статтях у провідних наукових фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, огляд літератури, опис методів дослідження, чотири розділи власне досліджень, аналіз та узагальнення отриманих результатів, висновки, список використаної літератури, додатки. Робота викладена на 144 машинописних сторінках, ілюстрована 17 таблицями та 41 рисунком. Бібліографія містить 121 джерело.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність та стан проблеми, показано її значимість та актуальність для вирішення проблем медичного приладобудування, а також представлено загальну характеристику роботи.

У першому розділі дисертації наводиться критичний огляд застосування міліметрових хвиль. Основні особливості міліметрових хвиль: поглинання в атмосфері, землі та у воді; перерозподіл поглинутої енергії за мірою свободи води. Біологічні ефекти міліметрових хвиль сприяли їх широкому використанню для впливу на біологічні об'єкти. Однак дотепер немає єдиної точки зору та теорії механізмів впливу ВВЧ-випромінювання на живі істоти. Тільки в останній час вдалося за допомогою нових методик (В.Г. Петросян, Ю.В. Гуляєв, 1995) виявити фізичні механізми впливу випромінювання на водне середовище та тканини людини. Показано, що є резонансні спектри води та тканин людини, пов'язані з повздовжніми та радіальними коливаннями гексогональних структур води під впливом електромагнітних хвиль, які при певних умовах можуть проникати в глибину водяних середовищ.

Як відомо, організм людини містить до 80% води. Вода не тільки основний розчинник та реагент біохімічних реакцій, але й виконує фундаментальну роль підтримки гомеостазу на молекулярному рівні. Тому випромінювання вкрай низької інтенсивності міліметрового діапазону має дуже сильний неспецифічний вплив на організм, нормалізуючи його морфофункціональний стан у цілому. На основі властивостей міліметрових хвиль розроблено фізіотерапевтичні пристрої, аналіз яких проведено у роботі. Показано, що пристрої мікрохвильової терапії споживають дуже великі потужності, які трансформуються у тепло, їм притаманні значні відміни за частотами та потужностями.

З метою визначення залежності реакцій біологічних об'єктів від параметрів випромінювання та оптимізації цих параметрів необхідне проведення певного комплексу досліджень.

Відомо, що біологічні об'єкти є нелінійними системами, які досить складно реагують на зовнішній вплив. Зміна інтенсивності впливу викликає зміну частотного діапазону й дози опромінювання, що є оптимальною для даної біосистеми. До того ж, випромінювання, оптимальне за одним параметром (наприклад, біомаса), не є оптимальним відносно інших параметрів (наприклад, амінокислотний склад). Усе це дозволило визначити тему і задачі даного дослідження.

Другий розділ присвячено експериментальному дослідженню впливу параметрів ВВЧ-випромінювання на регулювання активності біологічних об'єктів, що знаходяться у воді або містять велику кількість води. Для проведення досліджень у сантиметровому та міліметровому діапазонах довжин хвиль (6-90 ГГц) створено вимірювальний пристрій, який дозволяє оцінювати усі параметри випромінюваного сигналу та спостерігати реакцію біологічного об'єкта на задані випромінювання. Для перекриття всього частотного діапазону використовувалася не тільки стандартна вимірювальна апаратура, але й були створені генератори довгохвильової ділянки діапазону 6 та 19 ГГц. Показано, що при заданій потужності сигнала-носія в залежності від тривалості опромінювання біологічного об'єкту спостерігається періодична залежність мінімальних та максимальних значень біологічної активності об'єктів. За фактори, що характеризують біологічну активність, в роботі прийнято зміни біологічних властивостей об'єктів (біомаса, довжина коренів та проростків, зміна РН і т. ін.). За критерій біологічної активності на графіку, прийнято відносну величину довжини коренів та проростків рослин дослідної та контрольної партії. Максимальне та мінімальне відношення дорівнюють відповідно l/l0 3 та l/l0 1/3. При збільшенні потужності випромінювання тривалість опромінювання для досягнення максимальної біологічної активності об'єкта зменшується, але не за гіперболічним законом, що відомо з біології, а менш круто. Це, можливо, пов'язано з тим, що збільшення потужності випромінювання сприяє прискоренню процесів рекомбінації продуктів розпаду води.

Частотна залежність тривалості опромінення для досягнення як максимальної, так і мінімальної активності біооб’єктів має лінійний характер, тобто зі збільшенням частоти відповідні тривалості лінійно збільшуються. У тому випадку, коли несучий сигнал модульований інфразвуковою частотою, при малих тривалостях опромінювання спостерігаються додаткові мінімуми та максимуми біологічної активності об'єкта.

За результатами експериментальних досліджень запропоновано модель впливу продуктів "активації" води на структуру макромолекули білка, що дозволяє пояснити наявність мінімумів та максимумів біологічної активності при опромінюванні біологічного об'єкта, що знаходиться у воді, або об'єкта, що містить значну кількість води.

На основі проведених експериментальних досліджень показано, що оптимальний вплив на обводненні системи має опромінення з наступними параметрами:

- сигнал - шумовий широкосмуговий;

- ширина смуги частот сигналу – 53-68 ГГц;

- спектральна щільність потужності шуму – 10-19 Вт/Гц;

- модуляція - амплітудна (імпульсна);

- коефіцієнт модуляції – 1;

- частота модуляції – 8-12 Гц.

У третьому розділі розглядаються випромінювальні пристрої міліметрового діапазону електромагнітних хвиль для фізіотерапевтичної апаратури, що забезпечують необхідні режими роботи, визначені в попередньому розділі. Основну увагу приділено первинним джерелам шуму в діапазоні 50-70ГГц. Для цього використовувались відомі співвідношення (умови) широкосмугового узгодження джерела сигналу (шуму) та навантаження:

,

де А=Ra-Xa;

;

Za=Ra-jXa – імпеданс активного елемента (джерела шуму);

Zн=Rн-jXн – імпеданс навантаження;

– спектральна щільність шуму активного елемента.

Показано, що в даному діапазоні можна використати традиційне джерело шуму - газорозрядну трубку ГШ-6. Це первинне джерело шуму за допомогою спеціально розробленого короткозамкненого поршня, що має більш різку частотну залежність, ніж звичайний короткозамкнений поршень, може бути узгоджено у всьому робочому діапазоні частот хвилеводу 3,6х1,8 мм.

Шумовий генератор на газорозрядній трубці перекриває весь діапазон частот хвилеводу 3,6х1,8 мм з рівнем спектральної щільності потужності шуму (СЩПШ) – 20±3kТ0. Така висока стабільність СЩПШ розробленого генератора дозволяє атестувати його як вторинний еталон температур в діапазоні 49,8-75,8 ГГц. Для медичного застосування головним недоліком такого генератора є наявність високої робочої напруги (800В), що може утворювати небезпеку для пацієнтів.

Іншим джерелом первинного шуму традиційно є напівпровідниковий діод, зокрема лавино-пролітний (ЛПД). Однак зазвичай лавино-пролітні діоди, що розробляються, розраховані на генерацію максимальної потужності та мінімальні шуми. Для генератора шуму необхідно розробити спеціальний діод, що має власні шуми вище, ніж звичайний.

Такий лавино-пролітний діод з неоднорідним заляганням р-n переходу, що утворює центральну й периферійну ділянки, був розроблений та досліджений автором. Для такого діода справедливе співвідношення:

,

де Wц, Wn – ширина центральної та периферійної ділянок p-n переходу, а uц, un – пробивні напруги цих ділянок.

Позначивши un – uц= u, отримаємо

.

Проведеними експериментами визначено, що різниця пробивних напруг u визначає рівень додаткових шумів ЛПД, максимум якого відповідає діапазону u=1-2 В.

Експеримент підтвердив високі шумові властивості такого діода. Був розроблений також генератор шуму на ЛПД, що вмикався у хвилеводно-коаксиальну конструкцію. У такому виконанні ці генератори дозволяють реалізувати робочу смугу частот до 12 ГГц при рівні спектральної щільності шуму 20 ± 1,5 дБ від kТ0 при споживанні потужності 0,9 Вт. Основним недоліком таких генераторів шуму є висока нерівномірність СЩПШ та порівняно вузька робоча смуга частот. Проте його перевагою є малі габарити та вага, малі вартість та енергоспоживання.

У наш час розробнику апаратури необхідно брати до уваги і такий фактор, як наявність комплектуючих. Враховуючи, що газорозрядні трубки не випускаються в Україні, а технологічні лінії по виробництву серійних ЛПД зупинено, необхідно знаходити такі первинні джерела шуму, які є в наявності. Таким джерелом може бути геркон, що являє собою розміщений герметичний контакт у скляному балоні, наповненому газом. Розряд у газі, що виникає при розмиканні контакту, спричинює шумовий сигнал у широкому діапазоні частот, але величина потужності сигналу мала.

Використовуючи як первинне джерело шуму геркон, автор розробив генератор шуму в діапазоні 49,5-63 ГГц з рівнем СЩПШ -8±4 kT0.

Робоча смуга частот такого генератора обмежується неузгодженістю геркона з хвилеводним каналом. Для медичних та біологічних цілей рівень СЩПШ порядку 8kТ0 є достатнім. Розміри, та вага розробленого генератора невеликі [130х90х40 мм; 420 г]. Такий генератор шуму може бути використаний на практиці.

Як відомо, для пристроїв ВВЧ-рефлексотерапії як випромінювачі використовують різноманітні антени відповідного діапазону довжин хвиль. Основним недоліком відомих конструкцій антен є відсутність можливості регулювання величини кута опромінювання.

Автором був розроблений випромінювач, що дозволяє регулювати кут розкриття діаграми спрямованості при рівномірному опромінюванні різних площин. Випромінювач являє собою хвилевід 1 з діелектричною антеною 2 великого діаметра, в тілі якої є порожнина 3. У порожнині 3 розміщується діелектричний стержень 4, діаметр якого дорівнює діаметру порожнини. Діелектричний стержень 4 має можливість переміщуватися вздовж порожнини антени 3. Діелектричний стержень 4 одним кінцем з'єднаний з діелектричною лінзою 5, яка в свою чергу закріплена на краю рухомого циліндра 6, що охоплює діелектричну антену. В зв’язку із складністю конструкції та структури поля виромінювача робочі параметри (діаграма спрямованості та основні геометричні параметри) були визначені та оптимізовані за результатами проведених експериментів. Коли такий стержень повністю входить у порожнину діелектричної антени великого діаметра, випромінювач має діаграму спрямованості, яка визначається антеною великого діаметра. Кут розкриття 32±2 градуси. Можливі бокові пелюстки забираються взаємодією з відбивачем та лінзою.

Коли діелектричний стержень 4 висунутий з порожнини 3, випромінювання визначається в основному випромінюванням діелектричного стержня. Діаграма має декілька пелюсток. Взаємодія діелектричного стержня, діелектричної антени та лінзи призводить до випромінювання потужності у заданому напрямку з кутом розкриття 64±2 градуси. При проміжних положеннях тонкого стержня (вхід на 20 та 30мм) форма діаграми спрямованості не буде симетричною відносно повздовжньої осі. Саме тому як робочі рекомендовано режими, що відповідають крайнім положенням тонкого стержня.

За результатами проведених експериментальних досліджень був розроблений пристрій для лікування опікових уражень на базі генератора шуму на ЛПД. Даний пристрій являє собою блок формування струму, що працює від мережі, та виносну випромінювальну голівку, в яку входить широкосмуговий генератор шуму та універсальний випромінювач. Увесь пристрій вміщується у стандартну валізу типу "дипломат" і має вагу 1,2 кг разом зі штативом для кріплення виносної випромінювальної голівки.

У четвертому розділі подані експериментальні дослідження та виробнича перевірка ефективності роботи розроблених автором широкосмугових шумових пристроїв міліметрового діапазону довжин хвиль. Результати досліджень віддалених за часом наслідків впливу ВВЧ дозволяють стверджувати, що випромінювання сприяє кращому розвитку стійкості та підвищенню біомаси порівняно з контрольними зразками.

З використанням розроблених пристроїв проведено дослідження ВВЧ-опромі-нення на біологічні об'єкти рослинного походження, що знаходилися в екстремальних умовах розвитку, а також на живі організми, функціональний стан яких змінювався введенням відповідних препаратів.

Показано, що у функціональних станах, послаблених порівняно з нормою,
ВВЧ-опромінювання в оптимальних дозах здатні відновити початковий нормальний рівень. Однак при значному ослабленні функціонального стану ВВЧ-випромінювання здатне тільки дещо підвищити рівень функціонального стану, та й лише при зменшених дозах.

Проведено дослідження впливу розроблених пристроїв на біологічні об'єкти, що знаходяться в екстремальних умовах розвитку, моделюючи різні функціональні стани організму при опромінюванні.

Експериментальні дослідження впливу розроблених пристроїв на тваринах показали, що периферійна кров і тканина шкіри не змінюються при опромінюванні. Опромінення області печінки викликає певне збільшення загальної кількості жовчі з підвищенням швидкості жовчовиділення.

Проведені клінічні дослідження в опіковому центрі обласної клінічної лікарні №1 м. Києва показали ефективність застосування розроблених пристроїв на всіх стадіях лікування опікових пошкоджень й післяопікових рубців. В тому числі при опромінюванні інфузійних середовищ і крові обпечених у стадії токсимії відзначено зниження рівня циркулюючих імунних комплексів на 15-20% і токсичності плазми на 40-70% від вихідного рівня.

Висновки

Основні результати дисертаційної роботи такі:

- досліджено вплив електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону хвиль на біологічну активність обводнених об'єктів і визначено основні параметри (частотні, спектральні, потужнісні) випромінювальних пристроїв для фізіотерапевтичної апаратури, які найбільш ефективно впливають на біооб’єкти;

- експериментально доведено, що широкосмуговий шумовий сигнал вкрай низької інтенсивності з такими характеристиками: смуга частот 50-70 ГГц, спектральна щільність потужності 10-19 Вт/Гц см2 є найбільш фізіологічно впливовим: в залежності від дози опромінення можна підвищити показники життєдіяльності в 2-3 рази, або знизити їх у 4-8 разів відносно норми;

- для використання як джерело шумового сигналу ВВЧ-пристроїв розроблено, виготовлено та досліджено модифікований лавино-пролітний діод з підвищеним рівнем шумів. Підвищення рівня шумів на 12 дБ досягнуто за рахунок використання складного шару множення, центральна і периферійна частини якого мають різні пробивні напруги. Наявність неоднорідностей та мікроплазм в області переходу від центру до периферії спричинює підвищення рівня спектральної потужності шуму;

- експериментальними дослідженнями модифікованого ЛПД встановлено, що найбільша потужність шумового сигналу (до 45 дБ/kТ0) відповідає діапазону співвідношення довжин баз периферійної та центральної областей діода 1,17-1,26 та різниці пробивних напруг цих областей u=12 В; цих співвідношень рекомендовано дотримуватися при виготовленні ЛПД як джерел шумового сигналу для ВВЧ-фізіо-терапевтичної апаратури;

- на базі діелектричної антени розроблено та досліджено універсальний опромінювач, який дозволяє опромінювати як малі площі (акупунктурні точки) так і значні (опікові ураження) без заміни опромінювача; експериментально визначено положення регулювального елемента, що відповідають мінімальному та максимальному розкриттю діаграми спрямованості опромінювача; визначені положення рекомендовані як робочі для виготовленої системи "Ораторія-4М";

- експериментальними дослідженнями, проведеними з використанням розроблених пристроїв, доведено:

а) широкосмугові сигнали ВВЧ-діапазону ефективно впливають на біооб’єкти, збільшують життєстійкість, стійкість до хвороб, збільшують біомасу;

б) використання розроблених широкосмугових пристроїв міліметрового діапазону прискорює процеси за живлення опіків;

- розроблені та виготовлені пристрої ВВЧ-терапії ("Ораторія4-М") пройшли клінічні випробування і використовуються в клінічній практиці, що дозволило вдвічі скоротити тривалість лікування опікових хворих.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Зибцев В.М., Лошицкий П.П., Ал Синжлави М., Шеренговий П.З. Влияние электромагнитных полей крайне низкой интенсивности на высшие растения // Электроника и связь. – №4. – т.1. – 1998. – С.141-143.

2. Лошицкий П.П., Ал Синжлави М. Полупроводниковый диод для генератора шума // Электроника и связь. - №6. - т.1. - 1999. - С. 89-91.

3. Коростинская О.С., Лошицкий П.П., Ал Синжлави М. Широкополосные шумовые установки для КВЧ-терапии // Электроника и связь. - №8. - т.1. - 2000. - С.16-18.

4. Ал Сингжави М., Коростинская О.С. Влияние параметров КВЧ - излучения на регулирование активности биологических объектов // Электроника и связь. - №2. - т.2. - 2000. - С. 213-216.

5. Ал Синжлави М. Влияние электромагнитного излучения сверхвысоких частот нетепловой интенсивности на водяные растворы белков // Электроника и связь. - №10. - 2001. - С. 88-89.

Анотація

Мухаммад Салех Ібрагім Ал Сінжлаві. Широкосмугові пристрої міліметрового діапазону електромагнітних хвиль для фізіотерапевтичної апаратури. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - медичні прилади і системи. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню й розробці широкосмугових пристроїв міліметрового діапазону електромагнітних хвиль для фізіотерапевтичної апаратури. Біологічні системи, що містять велику кількість води або знаходяться у воді, є нелінійними системами, що складним чином реагують на зовнішній вплив. Ця обставина призводить до того, що всі параметри зовнішнього сигналу для опромінювання біологічної системи з метою одержання необхідного ефекту пов'язані між собою. У роботі наведено результати експериментальних досліджень впливу випромінювання сантиметрових і міліметрових хвиль нетеплової інтенсивності на біологічні об'єкти. Знайдено об'єктивні критерії оцінки результатів впливу і визначено оптимальні параметри випромінювання для обводненних систем. Отримані параметри реалізовані в розроблених установках, за допомогою яких проведено дослідження з метою встановлення оптимального ефекту їх дії. Розроблено новий лавино-пролітний діод і універсальний випромінювач. Встановлено, що як первинне джерело шуму може бути використаний герметичний контакт. Розроблені установки ВВЧ-терапії пройшли клінічні дослідження і показали високу лікувальну ефективність.

Ключові слова: міліметрові хвилі, широкосмугові шуми, лавино-пролітний діод, широкосмуговий випромінювач.

Аннотация

Мухаммад Салех Ибрагим Ал Синжлави. Широкополосные устройства миллиметрового диапазона электромагнитных волн для физиотерапевтической аппаратуры. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 – медицинские приборы и системы – Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2003.

Диссертация посвящена исследованию и разработке широкополосных устройств миллиметрового диапазона электромагнитных волн для физиотерапевтической аппаратуры. Биологические системы, содержащие большое количество воды или находящиеся в воде, являются нелинейными системами, сложным образом реагирующими на внешнее воздействие. Это обстоятельство приводит к тому, что все параметры внешнего облучающего сигнала должны быть жестко увязаны между собой для получения необходимого эффекта. В работе приведены данные экспериментальных исследований о влиянии излучения сантиметровых и миллиметровых волн нетепловой интенсивности на биологические объекты.

В работе использованы биологические объекты различной сложности от макромолекул белков до млекопитающих, а клинические исследования проведены на людях. Выбраны критерии, которые позволяют объективно оценить величину влияния электромагнитного излучения на биологический объект. При этом показано, что использование самих биологических объектов в качестве детекторов воздействия является наиболее оправданным, так как при этом уменьшается погрешность измерений, увеличивается повторяемость результатов. На основании проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные параметры излучений.

Наиболее сильная зависимость временного положения максимума биологической активности от мощности излучения лежит в пределах величин 10-10 Вт/см2. Использование в качестве несущего шумового широкополосного сигнала позволяет уменьшить разброс результатов измерений, а введение модуляции на инфразвуковой частоте - уменьшить время, необходимое для достижения первого максимума биологической активности.

Полученные параметры излучений реализованы с помощью различных излучателей электромагнитных волн миллиметрового диапазона.

В качестве первичного источника шума использовались газоразрядная трубка, лавинно-пролетный диод и герметичный контакт.

Так как наиболее высокочастотная серийная газоразрядная трубка ГШ-6 имеет рабочий диапазон частот до 40 ГГц, в заданном диапазоне 50-70 ГГц использовались спадающие с частотой “хвосты” шумового излучения. С целью компенсации частотной зависимость спектральной плотности мощности шума (СПМШ), в работе разработан специальный короткозамыкающий поршень, имеющий крутизну частотной зависимости приведенного импеданса большую, чем у стандартного короткозамыкающего поршня. Генератор шума с новым короткозамыкающим поршнем перекрывает всю рабочую полосу частот стандартного волновода сечением 3,6х1,8 мм с уровнем СПМШ 203 kТ0. Данный генератор может быть использован как вторичный эталон температур по своим электрическим параметрам, а для медицинского применения он недостаточно подходит из-за больших габаритов и высоких рабочих напряжений.

Излучатель электромагнитных волн миллиметрового диапазона на серийном лавинно-пролетном диоде обычно имеет низкие показатели по СПМШ, так как разрабатываемые диоды рассчитаны на генерацию минимальных шумов.

Для использования в качестве источника шумового сигнала КВЧ-устройств разработан, изготовлен и исследован модифицированный лавинно-пролетный диод с повышенным уровнем шумов. Повышение уровня шумов на 12 дБ достигнуто за счет использования сложного слоя умножения, имеющего центральную и периферийную части, каждая из которых имеет разное пробивное напряжение. Наличие неоднородности и микроплазм в области перехода от центральной к периферийной части приводит к увеличению спектральной плотности мощности шума.

На основании проведенных экспериментальных исследований модифицированного ЛПД установлено, что наибольшая мощность шума (до 45 дБ/kТ0) достигается в диапазоне соотношений длин базы периферийной и центральной областей диода
1,17... 1,26 и разности пробивных напряжений этих областей u=12 В. Эти соотношения рекомендуется использовать при изготовлении ЛПД как источников шума для КВЧ-физиотерапевтических устройств.

Высокие электрические характеристики, малые размеры и малая потребляемая мощность делают такие излучатели наиболее приемлемыми для физиотерапевтической аппаратуры.

Однако в том случае, когда отсутствуют и ЛПД и газоразрядная трубка, источником шумов может быть герметический контакт. В работе реализован излучатель с уровнем шумов до 8 kТ0 в полосе 15 ГГц. Такой излучатель дешевый, имеет малый вес и может применяться в физиотерапевтической аппаратуре.

Кроме генератора шумового сигнала, в работе разработана универсальная широкополосная диэлектрическая антенна с позиционным регулированием, что позволяет изменять угол раскрыва диаграммы направленности в два раза при малой вариабельности мощности облучения на облучаемой поверхности.

Разработанные излучатели электромагнитных волн миллиметрового диапазона использовались в КВЧ-установках, которые прошли клинические исследования и показали высокую лечебную эффективность.

Ключевые слова: миллиметровые волны, широкополосные шумы, лавинно-пролётный диод, широкополосный излучатель.

Summary

Muhammad Saleh Ibrahim Al Singlawi. Broad-band devices of millimetric electromagnetic waves for physiotherapeutic instrumentation.

The dissertation for scientific degree of the Candidate of Sciences in Engineering, Specialty 05.11.17 – Medical Instruments and Systems – National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute". Kiev. 2003.

Microwave broad-band devices of the millimetric wave length have been investigated for physiotherapeutic application.

Water containing biosystem are show to be non-linear. Therefore, the parameters of electromagnetic waves have a strong inter-dependence. Experimental investigation of the influence of electromagnetic waves on biosystems enabled to determine optimal parameters of the irradiation are determined. These parameters were implemented in the opecially developed electronic devices. New construction of avalanche diode and universal antenna for broad-band irradiation were proposed and studied. The instrument based on these components were manufactured and tested.

Key words: millimeter waves, broad-band noise, avalanche diodes, broad-band antenna.