А. В. Корнаухов, С. И. Анисимов, В. П. Мезенцев
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Вестник Нижегородского университета им. Лобачевского. Серия Биология. Выпуск 1(6). Электромагнитные поля и излучения в биологии и медицине. Н.Новгород: Изд-во ННГУ, 2003. С.25-31.
В статье рассмотрены вопросы влияния спектра низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высокочастотного диапазона (ЭМИ КВЧ) при воздействии на биологические объекты различной сложности. Показана перспективность использования в биологии и медицине ЭМИ КВЧ со спектром типа «белый» шум. Рассмотрены эффекты резонансного поглощения ЭМИ КВЧ и приведены последние экспериментальные результаты по прямой абсорбционной спектроскопии воды в КВЧ-диапазоне.
В современной медицине хорошо известны и широко используются лечебные эффекты, обусловленные воздействием на живой организм электромагнитного излучения (ЭМИ) крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона низкой (нетепловой) интенсивности. Методы, основанные на таком воздействии, получили название КВЧ-терапии [1-3]. Одними из наиболее значимых факторов определяющих эффективность лечения, являются частота (частоты) и мощность используемого ЭМИ КВЧ. Однако до настоящего времени решение задачи выбора спектра ЭМИ в КВЧ-терапии остается в стадии экспериментирования. Поэтому в настоящей работе мы постарались представить основные положения и экспериментальные результаты, достигнутые в области изучения влияния спектра ЭМИ на эффективность КВЧ-терапии.
Фундаментом методов КВЧ-терапии явилось открытие академиком Н. Д. Девятковым с соавторами эффекта резонансного отклика реакции клеток крови, в зависимости от частоты низкоинтенсивного ЭМИ мм-диапазона [4]. К настоящему времени установлено, что подобные эффекты могут наблюдаться не только в жидкостях на основе крови, но и на основе других живых клеток, а также для простейших микроорганизмов. Частоты ЭМИ, для которых были обнаружены эффекты резонансного отклика оказались соответствующими лечебному эффекту для целостного живого организма и получили название терапевтических частот. Часть из них, а именно, соответствующие длинам волн 4,9; 5,6; 7,1 мм широко используются в большинстве аппаратов КВЧ-терапии, например в таких хорошо известных приборах, как «Явь», «Малыш», «Баюр» и т.д. По мере расширения исследований в области применения ЭМИ КВЧ в медицине и биологии расширялся перечень используемых частот, номенклатура аппаратов КВЧ-терапии, а также росло понимание механизмов воздействия ЭМИ КВЧ на живые объекты различной сложности. Результаты исследований за последние десять лет представлены в сотнях публикаций, наиболее значимой из которых, на наш взгляд, явилась монография Н. Д. Девяткова с соавторами «Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности» [5]. В этой монографии в качестве основного приемника КВЧ излучения рассматривается живая клетка и анализируются физико-биологические процессы, происходящие в ней при низкоинтенсивном воздействии ЭМИ КВЧ. Отмечено, что наряду с частотами, оказывающими терапевтический эффект, в КВЧ-спектре присутствуют составляющие, способные оказывать неблагоприятное воздействие на живой организм (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость изменения от длины волны λ числа кариоцитов N/N0 у мышей
после воздействия на них ЭМИ и последующего рентгеновского облучения:
линия R — уровень отношения N/N0 после рентгеновского облучения животных;
линия ЭМИ — уровень отношения N/N0 после воздействия электромагнитным излучением. Этот уровень практически совпадает с исходным; линия ЭМИ+R — отношение N/N0
после рентгеновского облучения животных, предварительно облученных ЭМИ [5]
Указанное явление явилось основой для формирования негативного отношения к использованию в КВЧ-терапии ЭМИ с широкополосным шумовым спектром, а также основой к применению источников ЭМИ с моногармоническим сигналом, характеризующихся узкой полосой генерации и высокой стабильностью частоты. Дальнейшее развитие медико-биологических исследований показало ошибочность такого решения проблемы КВЧ-терапии. А именно, было установлено, что, например, при лучевой болезни использование одночастотного ЭМИ КВЧ после γ-облучения приводит к повышению вероятности и скорости проявления летальных исходов по отношению к контрольной группе. В то же время введение частотной модуляции (~ 150 МГц) ЭМИ КВЧ оказывает терапевтическое воздействие. Кроме того, с точки зрения наличия в спектре ЭМИ частот негативного воздействия долгое время оставалось непонятным получение во многих случаях надежного терапевтического эффекта при применении широкополосного шумового ЭМИ КВЧ генерируемых приборами типа «Порог». Это направление активно исследовалось Киевской школой микроволновой резонансной терапии. В частности, в республиканском центре «Видгук» (проф. Ситько и др.). Очевидное противоречие было, на наш взгляд, снято в результате обнаружения Нижегородскими учеными д.м.н., профессором М. В. Вограликом и к.ф.-м.н. М. А. Кревским [6] эффекта резонансного поглощения организмом человека ЭМИ КВЧ на терапевтически значимых частотах, а также изменения значений этих частот как в зависимости от вида и состояния патологии, так и в течение лечебной процедуры (рис.2).
Рис. 2. Зависимость поглощенной мощности от частоты излучения;
Δf~ 1,5 ГГц – смещение частоты
Таким образом, спектральные составляющие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ не соответствующие терапевтическим частотам, активно отражаются живым организмом. Приборы, обеспечивающие возможность поиска и отслеживания терапевтических частот производятся в Нижнем Новгороде на базе НПО «Салют» и получили название приборов оптимальной резонансной терапии – «ПОРТ-1» [6]. Основным недостатком методов основанных на применении моногармонического ЭМИ, даже с подбором резонансных частот, является отсутствие критериев, позволяющих оперативное определение оптимального для лечения конкретного больного значения терапевтической частоты из установленной совокупности известных.
Более перспективным для повышения эффективности, на наш взгляд, является применение широкополосного ЭМИ КВЧ с шумовым спектром. Основными условиями, предъявляемыми к такому ЭМИ, для обеспечения терапевтического эффекта являются а) достаточно высокая однородность спектральной плотности мощности шума в широком диапазоне частот, а так же б) величина спектральной плотности мощности шума должна быть не ниже некоторой пороговой величины, которая по нашим оценкам составляет примерно 2.10–18 Вт/Гц см2. Первое условие должно обеспечивать возможность превышения уровня сигнала на терапевтических частотах над уровнем «вредных» частотных составляющих в спектре прошедшего в организм сигнала.
Условие «б» соответствует превышению над пороговым, уровня падающего на биообъект ЭМИ. Пороговым мы, называем уровень шума, начиная с которого экспериментально обнаруживаются реакции биообъекта на ЭМИ КВЧ.
Среди используемых в отечественной медицине аппаратов КВЧ-терапии этим условиям в наибольшей степени соответствует аппарат «АМФИТ-0,2/10-01» [7]. Аппарат характеризуется типичной для КВЧ-терапии областью генерации 53-78 ГГц. Спектральная плотность мощности шума (СПМШ) составляет около 5.10 -17 Вт/Гц, при неравномерности СПМШ, не превышающей ±3 дб. (рис.3.).
Рис. 3. Аппарат КВЧ-терапии шумовым излучением «АМФИТ-0,2/10-01»
со сменной насадкой для рефлексотерапии и пластмассовым
аппликатором для фиксации на теле пациента
Биомедицинские исследования выполненные на клетках крови и дермальных фибробластах, модельных фрагментах тканей и органов, а также на организмах животных и человека в норме и при различных патологиях, с применением аппарата «АМФИТ», показали устойчивый и повторяемый терапевтический эффект. Результаты этих исследований опубликованы более чем в 140 печатных работах. Методики применения аппарата «АМФИТ-0,2/10-01» в медицине представлены в монографии [3].
Установлено, что применение широкополосного ЭМИ с шумовым спектром обеспечивает терапевтическую эффективность близкую к достигнутой с применением моногармонических приборов с подбором частоты, а в ряде случаев заметно превосходит. Например, при лечении болезни Пертеса и саркоидоза легких. Установлено экспериментально наличие устойчивого терапевтического эффекта при лечении лучевой болезни и радиационных ожогов. Применение моногармонического ЭМИ КВЧ после γ-облучения, как правило, приводило к отрицательным результатам. Мы считаем, что эти эффекты обусловлены следующими особенностями:
а) достаточно низким уровнем воздействующего шумового ЭМИ (примерно в 104 раз меньше чем для моночастотного сигнала);
б) наличием в шумовом спектре ЭМИ всей совокупности терапевтических частот, присущих широкому диапазону генерации. То есть при широкополосном шумовом ЭМИ КВЧ имеет место нелинейная аддитивность эффектов различных терапевтических сигналов.
Для полноты представления о влиянии спектра низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ на эффективность КВЧ-терапии следует остановиться еще на одном методе, получившем название прецизионно-волновой диагностики и терапии. Этот методы открыты и активно развиваются Саратовской школой исследователей [8-9].
Основой данного направления является так называемый СПЕ эффект, названный в честь его авторов Синицына, Елкина и Петросяна. Авторами предполагается, что чистая вода и кровь, характеризуются наличием одинаковых частотных резонансов на ЭМИ КВЧ. При воздействии ЭМИ с мощностью около 1 мкВт на частотах в диапазоне 50-57 ГГц ими обнаружено увеличение радиояркостной температуры облучаемых жидкостей на частоте примерно 1 ГГц. Эти резонансные частоты применяются в Саратове в качестве базовых при КВЧ-терапии. Для объяснения резонансных эффектов авторами построена модель резонансной прозрачности воды на частотах собственных продольно-поперечных колебаний присутствующих в ней макромолекул воды (кластеров). Основные недостатки этого объяснения отмечаются в ряде работ и сводятся к отсутствию в известных открытых публикациях данных по прямым измерениям спектров поглощения воды (в жидком состоянии) в КВЧ-диапазоне. Задача прямой абсорбционной спектроскопии является достаточно сложной из-за сильного поглощения водой ЭМИ КВЧ. Эти обстоятельства долгое время сдерживали измерение спектров поглощения. А, именно, для корректности измерений требовалось хорошее согласование импеданса воды и подводящих ЭМИ волноводных трактов. Требовалось, чтобы значения выходного сигнала из воды были выше уровня шумов приемника при достаточной малости мощности выходного ЭМИ. Требовалось устранение или учет так называемых размерных резонансных эффектов, обусловленных сравнимостью толщины слоя воды и длиной волны распространяющегося в ней ЭМИ КВЧ. Насколько нам известно, попытки решения этих задач как в бывшем СССР, так и в США были неудачными.
Нам впервые удалось получить достоверные экспериментальные результаты в области прямых абсорбционных экспериментов по спектрам поглощения ЭМИ водой в КВЧ диапазоне.
Задача согласования импеданса решалась путем применения нами для жидкости специального контейнера на основе пленочной структуры, помещенного вдоль стандартного прямоугольного волновода перпендикулярно его узкой стенке. В качестве источника ЭМИ КВЧ для облучения воды применялся аппарат типа «АМФИТ». В качестве приемника – радиометр ПК7-16 с полосой пропускания 2,3÷3,5 МГц. Блок схема измерительного стенда представлена на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема измерительного стенда для проведения экспериментов по прямой
абсорбционной спектроскопии воды и водных растворов в КВЧ-диапазоне:
1 — волновод с контейнером для водной среды; 2 — измерительный аттенюатор;
3 — гетеродин; 4 — радиометр ПК7-16; 5 — смеситель, ПГШ — полупроводниковый
генератор шума; ЭГШ — эталонный генератор шума
Для вариации уровня поглощения меняли толщину пленки воды и длину контейнера. На рис. 5 представлена частотная зависимость спектра поглощения ЭМИ деионизованной водой (удельное сопротивление воды составляло 18,2 МОм см) в диапазоне частот 46,6-79,9 ГГц. Длина контейнера около 8 мм, толщина пленки воды менее 50 мкм, температура воды 29 0С. На рис. 6 изображена рассчитанная по рис. 5 частотная зависимость амплитуды КВЧ-сигнала, прошедшего через контейнер с водой, нормированная на максимум пропускания. Как видно из рисунков, в указанном частотном диапазоне поглощение достаточно велико и монотонно увеличивается с ростом частоты.
Рис. 5. Частотная зависимость коэффициента поглощения водой ЭМИ КВЧ
Рис. 6. Частотная зависимость выходной мощности после контейнера с водой,
нормированная на максимум пропускания
С ошибкой не более 10% отсутствуют области частот, позволяющие считать их областями резонансной прозрачности. Частоту 48,2 ГГц с большой долей вероятности можно считать частотой резонансного поглощения ЭМИ КВЧ деионизованной водой.
Можно предположить, что, либо полосы резонансной прозрачности имеют место только в узкой области мощности и поляризации падающего на воду ЭМИ КВЧ, либо, что нам кажется более вероятным, необходимо другое объяснение результатов, полученных Саратовскими учеными.
В заключение хотелось бы сформулировать ряд выводов.
1. Эффективность КВЧ-терапии в общем виде является функцией спектра низкоинтенсивного ЭМИ.
2. Общим недостатком методов КВЧ-терапии, основанных на применении узкополосного ЭМИ с фиксированным набором дискретных частот, является отсутствие оперативных методов определения значений частот оптимальных при данной патологии у конкретного пациента.
3. Задача оптимизации спектра ЭМИ при КВЧ-терапии решается при использовании широкополосного ЭМИ с шумовым спектром, включающим большое число терапевтических частот, имеющим достаточно высокую однородность распределения мощности шума по частоте и мощность шума выше пороговой.
4. Полученные первые результаты по спектрам поглощения жидкой воды в КВЧ-диапазоне характеризуются достаточно высокой степенью затухания ЭМИ (~ 75 дБ/г) и не содержат областей резонансной прозрачности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бессонов А. Е. Миллиметровые волны в клинической медицине. М.: НЦИМ «ЛИДО». 1997.
2. Киричук В. Ф., Головачева Т. В., Чиж А. Г. КВЧ-терапия. Саратов. Изд-во СарМГУ. 1999.
3. Балчугов В. А., Полякова А. Г., Анисимов С. И., Ефимов Е. И., Корнаухов А. В. КВЧ-терапия низкоинтенсивным шумовым излучением. Н. Новгород. Изд-во ННГУ. 2002.
4. Девятков Н. Д. и др. Научная сессия отделения общей физики и астрономии АН СССР // УФН. 1973. Т. 110. С. 452-469.
5. Девятков Н. Д., Голант М. Б., Бецкий О. В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. М.: Радио и связь, 1991. 168 с.
6. Вогралик М. В. и др. Новые возможности микроволновой резонансной терапии на основе прибора нового поколения «ПОРТ-1» (Инструкция по лечебному применению). Н. Новгород: Изд-во «Елень». 1984.
7. Корнаухов А. В., Анисимов С. И., Алябина Н. А. и др. Аппарат КВЧ-терапии с шумовым излучением «АМФИТ-0,2/10-01» и некоторые аспекты его применения в медицине // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 1999. №2(14). С. 49-52.
8. Гуляев А. И. и др. Теория и практика спектрально-волновой диагностики и прецизионно-волновой терапии // Биомедицинская радиоэлектроника. 1996. №3 в ж. Радиотехника. 1996. №9. С. 35-43.
9. Гуляев Ю. В. и др. Особая роль системы «миллиметровые волны – водная среда» в природе // Биомед. радиоэлектроника. 1999. №1. С. 3-21.