Устройство для воздействия на биообъект

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для стерилизации поверхностей биообъектов и жидких субстратов, а также подавления темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плиса in vivo. Устройство содержит генератор высоковольтных электрических импульсов с регулируемой частотой следования импульсов и соединенный с ним электроразрядный излучатель с открытым разрядным промежутком в воздухе при атмосферном давлении, с заземленным и потенциальным электродами, последний из которых выполнен заостренной формы и размещен в диэлектрическом корпусе. Заземленный электрод выполнен в виде ложемента для размещения биообъекта, а потенциальный электрод установлен с возможностью изменения расстояния между ним и заземленным электродом. В качестве генератора высоковольтных импульсов использован генератор импульсов наносекундного диапазона длительностей, выходное напряжение которого составляет 28 кВ. Использование изобретения позволяет повысить эффективность воздействия и удобство при эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к ветеринарии, медицине, в частности к устройствам воздействия на биообъекты, и предназначено для бактерицидной, фунгицидной обработки поверхностей объектов и жидких субстратов, их стерилизации.

Также устройство может быть использовано для подавления темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плисса in vivo.

Известно устройство для воздействия на биообъект (Пат. 2067872 Россия, МПК6 A61L 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.

Известно устройство для воздействия на биообъект (Пат. 2008042 Россия, МПК⁵ A61N 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^-3 с, плотностью мощности в зоне обработки не менее 10 кВт/м² и суммарной энергетической дозой не менее 102 Дж/м².

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, А61Н 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). Данное физиотерапевтическое устройство для воздействия на биообъект включает в себя импульсный высоковольтный источник питания - повышающий трансформатор и соединенный с ним разрядник с пассивным и активным электродами, образующими разрядный промежуток, 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 ионизованным газом. Частота воздействующих импульсов составляет (20-100) Гц.

Недостатком устройства является ограничение функциональных возможностей аппарата, низкая интенсивность генерируемого излучения, большое потребление энергии и неудобство в эксплуатации.

Известно устройство для воздействия на биообъект по заявке №2007113543 (опубл. в БИ №30, 27.10.2008 г.), выбранное в качестве прототипа по наибольшему количеству сходных признаков и решаемой задаче. Устройство содержит блок питания, включающий в себя генератор высоковольтных импульсов микросекундного диапазона длительности с однократным и частотным режимами работ и набор сменных электроразрядных излучателей на основе точечного искрового и скользящего разряда с открытым разрядным промежутком в воздухе при атмосферном давлении. Устройство обеспечивает направленное воздействие физическими факторами: некогерентным световым излучением (включая УФ часть спектра) и акустическими импульсами, сопровождающими импульсный открытый электрический разряд в воздушной среде. Излучатель на основе искрового разряда выполнен в виде коаксиально расположенных электродов (потенциального и заземленного) с возможностью их перемещения вдоль оси и расположенных в диэлектрическом корпусе. Излучатель на основе точечного искрового разряда выполнен в виде двух заостренных электродов, расположенных в диэлектрическом корпусе с конфигурацией расположения "острие - острие". Излучатель на основе скользящего разряда выполнен в виде электродов, расположенных с противоположных сторон на диэлектрическом основании.

Недостатком устройства является - ограничение функциональных возможностей, связанное:

- с исключением прямого воздействия токовых импульсов на биообъект;

- с невозможностью обеспечения одновременного воздействия факторов электрического разряда на поверхность произвольной конфигурации;

- с малой глубиной проникновения воздействующих факторов внутрь облучаемого объекта.

Задачей, стоящей в данной области техники, является:

- создание удобного в использовании универсального устройства, генерирующего одно- и многоканальные сильноточные искровые (СИЭР), либо коронные (НСКР) электрические разряды наносекундного диапазона длительностей для:

- проведения биомедицинских экспериментов (в частности, по лечению кожных болезней людей и животных, внутренних заболеваний различного генеза, подавлению темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плиса);

- бактерицидной обработки поверхностей;

- фунгицидной обработки поверхностей;

- стерилизации (например, медицинского инструмента);

- повышение эффективности воздействия за счет как раздельного, так и комбинированного (синергизма) действия факторов, сопровождающих открытые СИЭР и НСКР: 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 и высокоэнергетических электронов; акустических импульсов;

- повышение качества воздействия НСИ и УФ-излучений, высокоэнергетических электронов в зависимости от решаемых задач как путем формирования широкого ракурса лучевого воздействия, так и локализации его на ограниченной площади обрабатываемой поверхности посредством регулирования количества параллельно формируемых каналов разряда, формирования поля излучения заданной конфигурации, доставки излучения в скрытые полости;

- сокращение продолжительности времени воздействия при фунгицидной и бактерицидной обработке объектов.

Техническим результатом заявляемого устройства является универсальность, эффективность воздействия на биообъект, удобство при эксплуатации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для воздействия на биообъект, содержащем генератор высоковольтных электрических импульсов с регулируемой частотой следования импульсов и соединенный с ним электроразрядный излучатель с открытым разрядным промежутком в воздухе при атмосферном давлении, с заземленным и потенциальным электродами, последний из которых выполнен заостренной формы и размещен в диэлектрическом корпусе, новым является то, что заземленный электрод выполнен в виде ложемента для размещения биообъекта, а потенциальный электрод установлен с возможностью изменения расстояния между ним и заземленным электродом, причем в качестве генератора высоковольтных импульсов использован генератор импульсов наносекундного диапазона длительностей, выходное напряжение которого должно быть не менее 28 кВ.

Электроразрядный излучатель дополнительно может содержать, по крайней мере, еще один заостренный изолированный потенциальный электрод, при этом потенциальные электроды соединены с выходом генератора параллельно изолированными проводниками, длины которых выбираются из условия.

При непосредственных разрядах на поверхность облучаемого биообъекта помимо воздействия факторов, генерируемых в открытом пространстве (свет, акустика, химически активные частицы), на объект воздействуют импульсные электрические токи, величины которых зависят от типа генерируемых разрядов (нескольких десятков ампер для НСКР и тысячи ампер для СИЭР), это является показателем эффективности заявляемого устройства.

Переход наносекундного импульсного разряда из искровой формы в коронный разряд и наоборот осуществляется регулированием межэлектродного расстояния между одним или несколькими потенциальными электродами и заземленным металлическим электродом (биообъектом). При выходном напряжении генератора, равном 70 кВ, и длительности импульсов 60 не устойчивое формирование НСКР происходит при межэлектродном расстоянии, начиная с 55 мм и выше, при меньших расстояниях форма электрического разряда преимущественно искровая. Таким образом, регулируя межэлектродное пространство можно осуществлять два различных режима излучения: НСКР либо СИЭР, что является удобным в эксплуатации, поскольку не требует смены излучателя.

Электрическая длина проводников при использовании нескольких потенциальных электродов выбирается из условия обеспечения параллельного пробоя искровых промежутков при подключении к одному источнику импульсного напряжения. При этом удвоенное значение электрической длины каждого проводника должно быть не меньше максимального значения времени разброса пробоя искровых промежутков под воздействием выходного напряжения генератора.

В зависимости от решаемых задач потенциальные электроды могут быть рассредоточены в пространстве по поверхности заданной конфигурации за счет выбора определенного расстояния между ними, обеспечивая одновременно ее облучение факторами синхронно развивающихся разрядов.

Возможность формирования в пространстве между потенциальными и заземленным электродом многоканальных СИЭР позволяет регулировать интенсивность генерируемого светового и УФ-излучений, темпы наработки химически активных частиц. Возможность формирования в пространстве между потенциальными электродами и заземленным биообъектом одно- и многоканальных СИЭР и НСКР позволяет регулировать площадь воздействия и ее конфигурацию, локализуя ее при одноканальных разрядах и расширяя при многоканальных разрядах. Возможность локального облучения с регулируемой площадью светового пятна, либо площади втекающего тока на обрабатываемой поверхности приводит к повышению эффективности и удобству при эксплуатации, а также повышению безопасности за счет уменьшения риска облучения здоровых тканей.

Удобство и простота при эксплуатации прибора обеспечиваются встроенным в генератор блоком питания, программатором и таймером, задающим частоту следования импульсов и длительность экспозиции воздействия, устанавливаемых заранее, контролируемым и отображаемым в удобной (цифровой) форме количеством выходных импульсов.

При воздействии УФ-излучения, сопровождающего открытые СИЭР и НСКР в газовой (воздушной) среде наряду с непосредственной фотодиссоциацией, образуются химически активные частицы (О, O₃, ОН_-, Н₂О₂ и т.д.), взаимодействующие с молекулами вещества окружающей среды, окисляя их.

Открытые СИЭР, реализуемые 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, возбуждающее механорецепторы наружной поверхности кожи, амплитуда которого зависит от расстояния между каналом разряда и биологическим объектом.

Сочетательное действие физико-химических факторов может взаимно усиливать друг друга, в результате комплексного воздействия повышается общая эффективность.

Во время генерации высоких импульсных напряжений наносекундных длительностей в межэлектродном промежутке с резко неоднородным электрическим полем за счет его высокой напряженности образуется сильно неравновесная плазма, в которой подавляющая часть энергии, полученной от источника, идет на повышение температуры электронов или их энергии.

В случае НСКР токи короны достигают десятков ампер. Энергия электронов при НСКР достаточна для проникновения в жидких средах на глубины до 10 см.

Электроны, обладающие необходимой энергией, в свою очередь, являются основными участниками плазмохимических реакций, в которых подавляющая часть энергии, внедряемой в газ, идет на образование активных частиц О, О₃, ОН_-, Н₂О₂ и т.д. Химически активные частицы, взаимодействуя, в свою очередь, с молекулами вещества окружающей среды, окисляют и доокисляют их с образованием малоактивных соединений. Установлено, что выход активных частиц имеет тот же порядок, что и в известных улучшенных окислительных технологиях, таких как радиационно-химические реакции и H₂O₂/УФ-процессы. Электрический разряд над поверхностью жидкой среды инициирует химические реакции и в самой среде.

Для УФ-излучения, возникающего при НСКР, специфическим молекулярно-квантовым процессом можно считать фотоионизацию, т.е. выбивание электрона из возбужденной молекулы и захват его молекулами окружающей среды. Слабое УФ-излучение и озон оказывают мощное бактерицидное воздействие.

Активные формы кислорода первыми появляются в цепи реакций клеточного метаболизма и участвуют в свободно-радикальных процессах организма и клетки. Образование активных форм кислорода, озона, УФ-излучения при генерации НСКР может быть использовано для стимуляции каскада свободно-радикальных реакций в опухолевых клетках, вызывающих повреждения мембран, клеточного аппарата, дестабилизацию и деструкцию опухоли (разрыхление, воспаление в опухолевой ткани, некроз) и, в конечном итоге, торможение темпов роста опухоли и продление жизни опухоленосителя.

В частности, электрические факторы при достаточных величинах напряженности электрических полей специфически действуют на электроактивные компоненты клеток и межклеточных жидкостей, обусловливая как перемещение свободных ионов, так и высвобождение ионов, связанных с различными элементами клеток и тканей. Воздействие электрическими колебаниями сопровождается эффектом ориентации свободных клеток и внутриклеточных образований вдоль силовых линий, который зависит от частоты электрического поля. Эффекты специфичны для различных диапазонов частот.

Ученые из Норфолка Карл Шоенбах (Karl Schoenbach) и Стивен Биб (Stephen Beebe) наблюдали эффекты воздействия ультракоротких (длящихся наносекунды) электрических импульсов, которые создавали поле с потенциалом в миллионы вольт. Такие электрические разряды могут полностью уничтожить бактерии в воде, обеспечив тем самым полную стерильность. Разряд в жидкости приводил к сильному нагреву, который и уничтожал микробы. Также обнаружено, что наносекундные импульсы приводили к отсроченной гибели клеток, запуская механизм, который ученые определили как "самоубийство клеток". Если для тех же клеток изменить условия эксперимента и увеличить продолжительность импульса, это приведет к разрыву оболочки клеток и выделению токсических веществ - процессу, который на уровне отдельных тканей проявляется как воспаление и боль.

Разница в протекании этих двух процессов породила у ученых надежду на то, что электрический разряд может уничтожать раковые клетки, оставляя при этом неизменными здоровые клетки организма. Обнадеживающие результаты уже есть - в опытах на мышах наблюдали сокращение на 50% раковых опухолей. Механизм, приводящий клетки к самоубийству, пока неясен. Есть предположение, что импульс меняет направление дипольных молекул в клеточных мембранах на противоположное, и именно это является сигналом для гибели клеток. У новой методики могут быть и другие медицинские приложения - например, уничтожение жировых клеток или же атеросклеротических бляшек в сосудах (Источник: по материалам журнала Nature).

Электрический коронный разряд, а также непосредственно импульсный ток раздражают рецепторы кожи и слизистой оболочки, оказывая рефлекторное влияние на различные системы организма, в первую очередь на вегетативную нервную систему.

Высокая интенсивность излучения заявляемого источника для обработки медицинского инструмента, стерилизации биологических объектов и др., может в десятки раз снизить время обработки.

Заявляемое устройство в режиме СИЭР генерирует высокоинтенсивное световое излучение в широком спектральном диапазоне, включая диапазон фотопоглощения ДНК бактерий и вирусов.

В режиме генерирования НСКР параметры воздействующего импульса тока, протекающего через исследуемый биообъект, имеют следующие значения: длительность импульсов 60 нс, время нарастания менее 10 нс, максимальный ток короны 80 А.

Заявляемое устройство предназначено для воздействия на биологические объекты: импульсных световых (включая УФ) и акустических излучений, химически активными частицами, возникающих при СИЭР в воздухе между потенциальными и заземленным электродом (объект воздействия); высокоэнергетических электронов (3-7 эВ), импульсных токов, протекающих через биообъект, и активных частиц, возникающих при НСКР. Устройство также 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, лечению кожных и внутренних болезней различного генеза.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства воздействия на биообъект, на фиг.2 изображен излучатель с несколькими потенциальными электродами, где: 1 - выпрямительно-зарядное устройство (ВЗУ); 2 - таймер; 3 - программатор; 4 - устройство запуска; 5 - генератор импульсного напряжения (ГИН); 6 - потенциальный электрод; 7 - заземленный электрод; 8 - биообъект; 9 - коаксиальный кабель, соединяющий излучатель с выходом генератора; 10 - проводники электрической развязки электродов; 11 - диэлектрический корпус (держатель); 12 - ограничительное кольцо; 13 - потенциальные электроды.

Устройство воздействия (фиг.1) включает в себя генератор высоковольтных электрических импульсов, выполненный по схеме двухступенчатого генератора импульсных напряжений (ГИН) 5 наносекундных длительностей с выходным напряжением до 56 кВ, емкостью в «ударе» 3,3 нФ и встроенными газонаполненными коммутаторами. В устройство воздействия также входят выпрямительно-зарядное устройство (ВЗУ) 1, устройство запуска коммутатора (разрядника) 4, при этом выходное напряжение ВЗУ составляет ~28 кВ, а максимальная запасенная энергия ~5 Дж. Генератор позволяет формировать как однократные выходные высоковольтные импульсы напряжения, так и следующие с регулируемой частотой от 0,1 до 20 Гц при длительности импульсов 60 нс и времени нарастания менее 10 нс. Максимальный ток короны в форме высокоинтенсивных стримеров составлял 80 А. Генератор оснащен таймером 2 и программатором 3, позволяющим синхронизировать работу ВЗУ и устройства запуска генератора в режиме однократной и частотной генерации импульсов, заранее устанавливать длительность экспозиции воздействия, контролировать и отображать количество выходных импульсов.

Излучатель 6 представляет собой размещенные в диэлектрическом корпусе (держателе) 11 и выступающие из него потенциальные заостренные электроды 13, соединенные посредством проводников электрической развязки 10, роль которых выполняют паразитные индуктивности взаимно изолированных на высокое напряжение линейных проводников, с жилой высоковольтного кабеля 9. Для защиты персонала от воздействия высокого напряжения служит барьерное ограничительное кольцо 12.

При наличии нескольких металлических заостренных стержней 13, их вворачивают с торцевой стороны в диэлектрический держатель 11. Каждый стержень соединен с жилой высоковольтного кабеля 9 отдельным изолированным на высокое напряжение проводником 10. При этом длина проводников, соединяющих выход высоковольтного наносекундного генератора с автономными разрядными промежутками, выбирается из условия превышения удвоенным значением времени распространения электромагнитной волны в проводниках времени разброса пробоя разрядных промежутков многоэлектродной системы. При необходимости держатель может закрепляться на штативе (на фиг.2 не показан).

В частности, в качестве электродов использовали контакты разъемов типа 2РМ. Электроды удлинены проводниками типа МГТФ-0,35, выполняющими роль электрической развязки, с дополнительной изоляцией из полихлорвиниловых трубок. Концы проводников соединяют между собой и кабелем 9, подключенным к выходу генератора.

Длины взаимно изолированных друг от друга проводников многоканальной системы потенциальных электродов в рассматриваемых условиях не превышали 30 см.

Взаимное расположение потенциальных электродов определяется конкретными условиями их применения.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Электрические импульсы с выхода генератора 5 поступают по кабелю 9 на излучающее устройство 6. Излучатель 6 обеспечивает протекание электрического тока в направлении заземленного электрода 7, на котором предварительно размещают объект воздействия 8 (биообъект). Интенсивность, продолжительность и вид (СИЭР или НСКР) воздействия определяются индивидуально в зависимости от цели обработки. Интенсивность, продолжительность и частота генерации импульсов устанавливаются регулятором «уровень» и переключателями режима «Время», «Частота», установленными на передней панели устройства.

Для увеличения площади обрабатываемой поверхности или объема обрабатываемой среды используют систему многоканального формирования СИЭР или НСКР (с несколькими электродами) 13. Для локализации воздействия разрядов на заземленный электрод 7 (биообъект 8) используют один потенциальный заостренный электрод.

Экспериментальные данные, полученные при апробации заявляемого устройства путем воздействия СИЭР и НСКР для подавления темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плисса in vivo, показали, что рост опухоли, после воздействия импульсными разрядами, составил 2,5-4,5 см³ для СИЭР и 4,5-5,5 см³ для НСКР против 11,0 см³ для контрольной группы лабораторных животных.

Воздействие сильноточным искровым разрядом - 9600 импульсов и коронным однократным - 20 импульсов достоверно снижает уровень кахексии (истощения) за счет сохранения концентрации глюкозы и липидов в крови. Уровень глюкозы приближается к норме. В организме с опухолью без воздействия уровень глюкозы снижен в 2 раза. Сохранение питательного субстрата в организме после воздействия на неоплазию также объясняется подавлением роста опухоли.

После воздействия НСКР на суспензию опухолевых клеток, которые затем перевивались животным, показано, что продолжительность жизни животных увеличивалась в 1,5 раза (в сравнении перевитыми опухолевыми клетками без воздействия).

Морфофизиологический анализ показал, что воздействие сильноточным искровым разрядом и НСКР на область опухолевого узла вызывает изменение в структурной организации опухолевых клеток и внутриклеточных структур, активирует деструктивные некротические и апоптотические процессы в клетках лимфосаркомы Плисса.

1. Устройство для воздействия на биообъект, содержащее генератор высоковольтных электрических импульсов с регулируемой частотой следования импульсов и соединенный с ним электроразрядный излучатель с открытым разрядным промежутком в воздухе при атмосферном давлении, с заземленным и потенциальным электродами, последний из которых выполнен заостренной формы и размещен в диэлектрическом корпусе, отличающееся тем, что заземленный электрод выполнен в виде ложемента для размещения биообъекта, а потенциальный электрод установлен с возможностью изменения расстояния между ним и заземленным электродом, причем в качестве генератора высоковольтных импульсов использован генератор импульсов наносекундного диапазона длительностей, выходное напряжение которого составляет 28 кВ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроразрядный излучатель дополнительно содержит, по крайней мере, еще один заостренный изолированный потенциальный электрод, при этом потенциальные электроды соединены с выходом генератора параллельно изолированными проводниками.