ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

ОРЕЛ Олександр Миколайович

УДК 632.935.4:621.396.652

Обгрунтування параметрів електромагнітного впливу і технічних засобів
для поліпшення відновлення кісткової тканини сільскогосподарських тварин

05.09.16 -електротехнології та електрообладнання

в агропромисловому комплексі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мелітополь – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії

Міністерства аграрної політики
України

Науковий керівник-кандидат технічних наук, доцент

Яковлєв Валерій Федорович,

Таврійська державна агротехнічна
академія,

завідувач кафедри електропостачання
сільського

господарства.

Офіційні опоненти:

-доктор технічних наук, професор Черенков Олександр Данилович,

Харківський державний технічний університет сільського господарства,

професор кафедри загальної електротехніки;

-кандидат технічних наук, доцент Берека Олег Миколайович,

Національний аграрний університет, м. Київ,

доцент кафедри електрифікованих технологій в агропромисловому
виробництві.

Провідна установа-Національний науковий центр

“Інститут механізації і електрифікації сільского господарства УААН”

(смт. Глеваха Васильківського району Київської області).

Захист відбудеться «18» лютого 2005 р. о 1300 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради К18.819.01 у Таврійській державній
агротехнічній академії за адресою: 72312, Запорізька область, м.
Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Таврійської державної
агротехнічної академії за адресою: 72312, Запорізька область, м.
Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18.

Автореферат розісланий «10» січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої

ради К18.819.01,к.т.н.,проф.
Діордієв В.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найбільш актуальних задач, що стоїть перед
аграрним комплексом України на сучасному етапі, є підвищення
продуктивності у тваринництві зі збереженням і збільшенням поголів’я
сільськогосподарських тварин, що залежить від своєчасного лікування
їхнього травматизму.

Травматизм тварин — найбільш розповсюджена група захворювань з усіх
незаразних хвороб, на його частку приходиться до 50 % від загальної
захворюваності тварин.

У більшості випадків причинами травматизму тварин є порушення правил їх
годівлі, утримання й використання.

У результаті травм і їх ускладнень хворі тварини знижують
продуктивність, передчасно вибраковуються, нерідко гинуть. Усе це
наносить господарствам великий економічний збиток. Тому зниження втрат
від травматизму є однією з найважливіших задач ветеринарних фахівців і
всіх працівників тваринництва.

В даний час для відновлення кісткової тканини травмованих кінцівок
тварин, в основному, використовують медикаментозні способи лікування.
Застосування антибіотиків та інших медикаментів для відновлення
кісткових тканин тварин у більшості випадків є малоефективним і
небезпечним, блокує симптоми захворювань. Вирішення поставленої задачі
можливо на основі застосування низкоенергетичних (інформаційних)
електромагнітних випромінювань НВЧ діапазону довжин хвиль.

Існуючі інші методи відновлення кісткової тканини тварин і розроблені на
їх основі пристрої не відповідають високим вимогам, специфічним для
апаратури електромагнітного випромінювання, по стабільності частоти,
подавленню потокових складових в спектрі вихідного сигналу, споживанню
потужності, металоємкості, необхідній надійності і ряду ін.

Тому розробка ефективних не медикаментозних способів відновлення
кісткової тканини при загоєнні травм тварин є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана
згідно з планом НДР ТДАТА на 1996-2000 р. р., програмою № 9 «Розробка
ультразвукової та НВЧ технологій, а також обладнання експрес-контролю
якості сільськогосподарської продукції), згідно НДР ТДАТА на 2001-2005
роки за науково-технічною програмою № 1 «Розробка наукових засад
технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки
Південного регіону України»(державний реєстраційний номер 0102V000678).
Тема дисертаційної роботи пов’язана з загальноукраїнськими науковими
програмами: постановою Кабінету Міністрів України від 22.06.1994р. № 429
«Про реалізації пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки»;
науково-технічною програмою Міністерства агропромислового комплексу
України від 30.02.1998 р. № 339 «Науково-дослідні і
дослідницько-конструкторські розробки». За планами НДР і ДКР,
проведеними у Таврійській державній агротехнічній академії, було
виконано наступні науково-дослідні роботи, що мають безпосередній
зв’язок з темою дисертаційної роботи: «Використання полів НВЧ енергії та
ультразвуку при аналізі якості біологічних матеріалів
сільськогосподарського рослинництва та тваринництва»; «Дослідження
впливу електромагнітних полів на біологічні об’єкти на базі створених
спеціалізованих стендів»; «Вивчення особливостей роздільного і
одночасного впливу постійного магнітного поля, лазерного випромінювання
й електромагнітного поля дециметрового діапазону хвиль на загоєння
ушкодженої кісткової тканини».

Мета і задачі дослідження. Поліпшення відновлення кісткової тканини
сільськогосподарських тварин шляхом низькоенергетичного
електромагнітного впливу на основі дослідження і обґрунтовування
параметрів електромагнітного поля, конструктивних схем, параметрів і
режимів роботи джерел випромінювання.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні
задачі:

провести аналіз стану використовування не медикаментозних методів і
вживаних технічних засобів для поліпшення відновлення кісткової тканини
тварин;

теоретично дослідити процес взаємодії низькоенергетичного ЕМП НВЧ
діапазону з тканинами кінцівок тварин на основі розробки математичної
моделі і встановити залежності між параметрами електромагнітного
випромінювання і біофізичними характеристиками тканин;

провести аналіз структурних схем формування коливань в НВЧ діапазоні,
обґрунтувати параметри і конструктивні рішення експериментального
джерела електромагнітного випромінювання для поліпшення відновлення
кісткової тканини кінцівок тварин;

розробити і провести експериментальні дослідження джерела НВЧ
випромінювання для поліпшення відновлення кісткової тканини кінцівок
тварин, обґрунтувати його режимні параметри;

розробити методику і провести експериментальні дослідження що до
встановлення залежності між показником електрофоретичної рухливості ядер
кліток кісткової тканини і параметрами ЕМП НВЧ діапазону;

провести виробничу перевірку результатів теоретичних і експериментальних
досліджень, дати техніко-економічне обґрунтування і визначити
перспективу застосування отриманих результатів.

Об’єкт дослідження. Процес взаємодії низкоенергетичних ЕМП НВЧ діапазону
з тканинами кінцівок тварин з кістковою патологією.

Предмет дослідження. Залежність між параметрами електромагнітного
випромінювання НВЧ діапазону і біофізичними характеристиками тканин.

Методи дослідження. Теоретичне обґрунтування взаємодії електромагнітного
випромінювання НВЧ діапазону з тканинами кінцівок тварин проведено з
використанням методу математичного моделювання, методу розділення
змінних при рішенні хвильового рівняння, теоретичних положень
електродинаміки, теорії хвиль.

Експериментальні дослідження проводилися як за
загальноприйнятим, так і розробленим методикам і передбачали
використання математичного методу планування повнофакторного
експерименту. Обробка даних здійснювалася математико-статистичними
методами на ЕОМ з використанням регресійного і дисперсійного методів
аналізу, та F- критерію Фішера при перевірці гіпотези про адекватність.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в даній
роботі:

вдосконалено математичну модель, що описує взаємодію електромагнітного
випромінювання з тканинами кінцівки тварини, в якій кінцівка тварини
розглядається як багатошаровий циліндр з різними біофізичними
характеристиками шарів;

отримано нові закономірності, які встановлюють взаємозв’язок між
параметрами низькоенергетичного ЕМП НВЧ діапазону і біофізичними
характеристиками тканин кінцівок тварин;

отримано нові закономірності, які дозволяють визначити пошаровий
розподіл енергії електромагнітного поля НВЧ діапазону усередині кінцівки
тварини;

теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджені кількісні
значення параметрів електромагнітного поля НВЧ діапазону при взаємодії з
тканинами кінцівок тварин, які сприяють поліпшенню відновлення кісткової
тканини;

вперше отримано регресійне рівняння, що встановлює залежність показника
електрофоретичної рухливості ядер кліток кісткової тканини від
експозиції і параметрів впливаючого електромагнітного поля (частоти,
щільності потоку потужності);

Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що на
підставі теоретичних і експериментальних досліджень обґрунтовані
передумови для розробки немедикаментозного методу для поліпшення
відновлення кісткових тканин і можливість його технічної реалізації на
основі застосування низкоенергетичних електромагнітних випромінювань НВЧ
діапазону. Отримала подальший розвиток методика аналізу джерел НВЧ
коливань за спектрально — флуктуаційним характеристиками.

Результати досліджень апробовані в господарстві ТОВ “Колос” Харківської
області. Економічна ефективність від впровадження методу
електромагнітної дії НВЧ діапазону для поліпшення відновлення кісткової
тканини тварин з кістковою патологією склала 5,6 тис. грн. на рік. Від
вибраковування було врятовано 10 високопродуктивних корів. На прикладі
корівника на 200 голів показано, що застосування низкоенергетичних ЕМП
НВЧ діапазону при лікуванні кісткової патології тварин дозволить
одержувати прибуток у розмірі 6700 грн.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором безпосередньо:

проаналізовано методи і технічні засоби застосовані для поліпшення
відновлення кісткової тканини тварин;

вдосконалено математичну модель процесу взаємодії електромагнітного
випромінювання НВЧ діапазону з тканинами кінцівок тварин, що дозволяє
визначити розподіли електромагнітних полів всередині кінцівки
сільськогосподарських тварин;

визначено кількісні значення параметрів електромагнітного поля НВЧ
діапазону при взаємодії з тканинами кінцівок тварин, що сприяє
відновленню кісткової тканини;

запропоновано методику розрахунку кварцового генератора і порівнянного
аналізу підсилююче — помножувальних каскадів джерел НВЧ коливань;

запропонований варіант технічної реалізації джерела НВЧ коливань;

розроблено методику і програму проведення експериментальних досліджень
впливу ЕМВ на пошкоджену кісткову тканину кінцівок тварин;

вперше отримано регресійне рівняння, що встановлює вплив параметрів
електромагнітного поля і експозиції на показник електрофоретичної
рухливості ядер кліток кісткової тканини;

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати
дисертаційної роботи заслуховувалися й обговорювалися на X міжнародній
науково-технічній конференції «Інформаційні технології: наука, техніка,
технологія, освіта, здоров’я» (Харків, НТУ ХПІ, 2002 р.); міжнародній
науково-практичній конференції «Проблеми енергозабезпечення та
енергозбереження в АПК України» (Харків, ХДТУСГ, 2002 р.); міжнародній
науково-практичній конференції «Проблеми електрифікації та автоматизації
сільського господарства» (Київ, НАУ, 2002 р.). ; міжнародній
науково-практичній конференції «Проблеми електрифікації та автоматизації
сільського господарства» (ННЦ “ІМЕСГ” смт. Глеваха, 2003 р.) ;на
науково-технічних конференціях ТДАТА (2000-2004 р.р.)

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 7
друкованих працях, які входять до переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох
розділів, висновків, списку літератури і додатків. Вона містить у собі
158 стор., 34 рисунки,

7 таблиць, список літературних джерел нараховує 120 найменувань, 5
додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, формулюється
наукова задача, у якій розкривається сутність і стан цієї задачі,
висвітлюється зв’язок роботи с програмами, планами та темами НДР;
формулюється мета і наукові задачі дослідження, розв’язання яких
забезпечує досягнення поставленої мети; визначається наукова новизна та
практичне значення одержаних результатів, а також особистий внесок
здобувача в надрукованих роботах; подано інформацію щодо апробації
дисертаційних досліджень; введено перелік робіт, що надрукованих за
темою дисертації.

У першому розділі проведено аналіз методів та електрофізичних пристроїв
для поліпшення відновлення ушкоджених кісткових тканин тварин і
обґрунтовані методи їх досліджень.

Кісткова патологія у тварин є однією із складних і актуальних проблем
ветеринарної травматології. Вона наносить значний економічний збиток
тваринництву, так, наприклад, періостити, некроз, карієс кісток знижують
удої корів на 30 — 50 % і більше, а при переломах кісток тварини часто
вибраковуються.

В даний час вигоювання кісткової патології включає хірургічну обробку з
наступною антибіотико терапією у сполученні з короткою новокаїновою
блокадою, при цьому обов’язково загальне лікування з застосуванням
антибіотиків і сульфаніламідних препаратів.

При ускладненій кістковій хворобі застосовують пружні коливання та
випромінювання оптичного діапазону, що у багатьох випадках виявляються
малоефективними. Крім того, медикаментозні методи відновлення ушкоджених
кісткових тканин тварин часто блокують симптоми захворювань і негативно
діють на організм людини через продукти тваринництва.

Тому в даний час триває пошук нових не медикаментозних методів
вигоювання кісткової патології тваринництві. Завдання немедикаментозного
впливу на кісткові травми може бути вирішена на основі застосування
низкоенергетичних (інформаційних) ЕМП НВЧ діапазону.

У ветеринарній практиці було проведено досліди на конях і коровах з
використанням електромагнітних випромінювань КВЧ діапазону високої
енергії для лікування міозитів, артритів, ентероколітів, емфіземи,
маститів. У багатьох випадках медикаментозні способи відчутних
результатів не давали, у той час як додаткова дія електромагнітним
випромінюванням мала наслідком повне видужання або поліпшення стану
тварини.

Дані численних досліджень дозволяють припустити, що характер реакції
біологічних об’єктів залежить не тільки від величини електромагнітної
енергії, але й від модуляційно-часових параметрів ЕМП. Підбираючи
параметри ЕМВ для дії на кісткові хвороби тварин, можна домогтися
терапевтичного ефекту без застосування медикаментів. Вплив ЕМВ підсилює
і прискорює боротьбу з захворюваннями, мобілізуючи для цього власні
можливості організму.

Проникаючи в організм тварини, ці випромінювання при певних параметрах
(частота, щільність потоку потужності, експозиція, модуляція,
стабільність частоти) трансформуються в інформаційні сигнали, що
здійснюють керування відбудовними процесами в ньому. Ефективний вплив на
хвороби тварин варто очікувати від дії ЕМП дециметрового діапазону,
оскільки вони мають більшу проникливу здатність, ніж хвилі інших
діапазонів.

Як один з основних механізмів дії НВЧ випромінювання на клітинному
рівні є концепція провідної ролі біологічних мембран у реакціях
екосистем на це випромінювання. Вибір біологічних мембран як предмету
дослідження обумовлено, по-перше, їх повсюдністю і вирішальною роллю в
життєдіяльності окремих клітин і організму в цілому; по-друге, їхньою
першочерговістю до впливів зовнішніх фізичних факторів. Тому пошуки
первинних механізмів впливу низкоенергетичних електромагнітних
випромінювань на клітину повинні йти паралельно з вивченням молекулярних
принципів будови і функціонування мембран, що залежать від їхньої
електричної і магнітної характеристики.

Слід зазначити, що терапевтичний ефект при дії на тварин
електромагнітним випромінюванням може бути пов’язаний як із просторовим
розподілом електромагнітного поля, так і з резонансними частотами тих
або інших білкових молекул або внутрішньоклітинних елементів.

Таким чином, при відновленні кісткової тканини кінцівок тварин
необхідне застосування електромагнітного випромінювання, для одержання
якого варто використовувати високо стабільні генератори НВЧ діапазону,
які дозволяють здійснити точне (103…10-4) настроювання на контур
біологічного об’єкта, що забезпечує повну (95 %) передачу енергії
опромінення біологічній структурі і суттєво змінює загальний час впливу.

Проведений огляд джерел НВЧ випромінювань показав, що для створення не
медикаментозних методів вигоювання кісткової патології у тварин,
пов’язаних зі застосуванням електромагнітних випромінювань, необхідні
дослідження по створенню високо стабільних джерел випромінювань НВЧ
діапазону, які відповідають високим вимогам щодо спектру вихідних
сигналів, діапазону перебудови частоти і потужності вихідного сигналу.

Зі сказаного вище можна зробити висновок, що для поліпшення процесу
вигоювання кісткової патології тварин варто застосовувати
низькоенергетичні ЕМП НВЧ діапазону, застосування яких вимагає
теоретичних та експериментальних досліджень для визначення параметрів
ЕМВ, а також розробки високостабільних спеціалізованих джерел НВЧ
коливань.

У другому розділі розроблено теоретичну модель електромагнітних полів
НВЧ діапазону усередині ушкодженої кінцівки сільськогосподарської
тварини.

Очевидно, що кінцівки сільськогосподарських тварин можна представити у
вигляді багатошарових структур, що складаються зі шкірного покриву,
м’яких тканин і власне кістки. Однак при визначенні структури
електромагнітного поля всередині реального біологічного об’єкта
виникають труднощі, пов’язані з точним математичним описом його форми.
Тому для опису структури розглянутих полів самі біологічні об’єкти
представляють у вигляді простих геометричних фігур. Зокрема, у даній
роботі травмована кінцівка сільськогосподарської тварини подана у
вигляді багатошарового циліндра.

-поляризація)

-поляризації буде мати вигляд:

(1)

– комплексні амплітуди електричного і магнітного полів, відповідно;

– хвильове число у середовищі, що оточує циліндр;

– кругова частота падаючого випромінювання;

– частота ЕМП;

опущено.

Спочатку було знайдено коефіцієнти відбиття і проходження всередину
одношарового біологічного циліндричного об’єкта. Вони мають вигляд:

(2)

– функції Бесселя першого роду нульового і першого порядку,
відповідно;

– Функції Ханкеля другого роду нульового і першого порядку,
відповідно.

Гн/м, тому що і моделюючий кінцівку тварини циліндр і оточуюче його
середовище, тобто повітря, є немагнітними.

.

З огляду на результати, зазначені вище, електромагнітні поля у
внутрішньому і зовнішньому шарах були представлені у вигляді
суперпозиції двох полів: поля, що прийшло з зовнішньої до даного шару
області, і поля, відбитого від внутрішньої до даного шару області.

.

буде існувати електромагнітне поле з компонентами:

; (3)

. (4)

.

, отримуємо систему лінійних алгебраїчних рівнянь для нульової
гар-моніки, що є основною під час впливу ЕМВ на травмовану кінцівку:

(5)

. Системи, подібні (5), повинні бути записані для кожного з п’яти шарів
розглянутої кінцівки. Кожна сусідня пара з п’яти систем, що одержана,
буде «зчеплена» між собою за допомогою двох невідомих коефіцієнтів, які
входять одночасно до обох систем. Інакше кажучи, записавши систему
рівнянь для кожного з п’яти шарів, одержано систему з десяти однорідних
лінійних алгебраїчних рівнянь, що містять дванадцять невідомих
коефіцієнтів. Причому всі коефіцієнти, починаючи від першого шару
циліндра і закінчуючи навколишнім середовищем, взаємозалежні.

, тобто амплітуді падаючої на циліндр хвилі, то з дванадцяти невідомих
коефіцієнтів два визначаються з фізичного змісту задачі, що в результаті
приводить до системи з десяти алгебраїчних рівнянь з десятьма
невідомими, яка має єдине рішення.

систему (5) було представлено в матричному вигляді:

, (6)

— квадратні матриці другого порядку, елементами яких являються
відповідні функції Бесселя і Ханкеля.

Виконуючи аналогічну операцію для кожного із шарів, було одержано
матричне рівняння

, (7)

, за допомогою (6) обчислюють всі інші коефіцієнти.

Підстановка знайдених за допомогою (5), (6), (7) коефіцієнтів у
рівняння Максвела дає можливість обчислити внутрішні поля в кожному шарі
травмованої кінцівки, а також у її навколишньому середовищі.

На підставі запропонованої теоретичної моделі було проведено попереднє
визначення параметрів електромагнітних полів, що діють на травмовані
кінцівки сільськогосподарських тварин з метою поліпшення відновлення
ушкоджених тканин. Для цього було виконано чисельні розрахунки величин
цих полів у кінцівках різних геометричних розмірів, визначено оптимальну
величину частоти впливу, на підставі отриманих результатів дані
відповідні рекомендації для технічних характеристик терапевтичної
апаратури, що пропонується у роботі.

-поляризації.

Гц. Для уточнення даного частотного діапазону було проведено
дослідження залежності від частоти виразу (3), що представляє амплітуду
електричної складовий ЕМП в області кісткового мозку і кісткової тканини
кінцівки. Відповідні коефіцієнти розсіювання розраховувалися на підставі
виразу (7).

На рис. 1, 2 представлено результати розрахунку для ноги корови та
свині, що проводилися в діапазоні частот 3,0…4,2 ГГц. З рисунків
видно, що в області кісткового мозку і кісткової тканини максимальне
значення електричної складової буде мати місце в діапазоні частот
порядку 3,6-3,8 ГГц. При відхиленні вліво і вправо від зазначеної
частоти амплітуда поля зменшується

Рис. 1. Залежність квадрата амплітуди

для ноги свині:

1- зона кісткового мозку

2- зона кісткової тканини

Рис. 2. Залежність квадрата амплітуди

для ноги корови:

1- зона кісткового мозку

2- зона кісткової тканини

Було проведено також чисельне дослідження розподілу поля в
поперечному перетині травмованої кінцівки. Це необхідно було зробити для
з’ясування питання, наскільки ефективно це поле буде діяти саме на хворі
ділянки ніг.

На рис. 3 представлено залежність квадрата амплітуди
повздовжньої складової електричного поля ЕМВ всередині кінцівок корови
та свині від радіуса поперечного перетину ноги. Частота опромінення при
цьому бралась рівною середньому значенню вище вказаного діапазону
тобто, 3,7 ГГц. З графіка видно, що як в області кісткового
мозку, так і в області кісткової тканини електричне поле значно
вище, ніж в інших

областях. Звідси витікає висновок, що опромінення з даною частотою буде
максимально впливати саме на хвору кісткову тканину, що повинно сприяти
її якнайшвидшому відновленню.

Аналогічні результати були отримані і при проведенні розрахунків для
кінцівок інших сільськогосподарських тварин (кінь, вівця).

Рис. 3. Розподіл квадрата амплітуди електричної складової
електромагнітного випромінювання всередині кінцівки корови на частоті
3,7 ГГц:

1- свині; 2- корови

Даний діапазон прийнятний як з погляду одержання
максимальних амплітуд ЕМП усередині об’єктів, що опромінюються, так і з
погляду оптимального розподілу внутрішнього поля.

Крім того, із проведених розрахунків встановлено, що для
інтенсифікації процесу відновлення кісткової тканини джерело опромінення
повинно випромінювати приблизно 100Вт/м2.

*

D

o

oe

&

??????&

(

*

D

E

E

I

I

?

o

oe

o

AE)

O

??????ґрунтуванням вимог до спектральних і флуктуаційних характеристик.
Показано, що традиційно відомі схеми радіоелектронних пристроїв не
відповідають високим вимогам, специфічним для апаратури електромагнітної
терапії. Розглянуто принципи побудови джерел НВЧ коливань для
інформаційного впливу на кісткові тканини сільськогосподарських тварин з
виконанням високих вимог до стабільності частоти і ступеня придушення
побічних дискретних складових у спектрі вихідного сигналу. При побудові
багато каскадних помножувачів частоти з застосуванням транзисторів і
варакторів розглянуті основні причини виникнення паразитної фазової
модуляції і заходи для її зниження.

Показано, що при одержанні високочастотних коливань у НВЧ діапазоні за
допомогою множення частоти високостабільних низькочастотних коливань
виникає ускладнення апаратури, зниження надійності, зростання зовнішньо
полосних і побічних випромінювань, погіршення якості вихідного сигналу.
Зроблено висновок про те, що таких недоліків позбавлені пристрої з
гармоніковими кварцовими генераторами, у яких реалізується збудження
кварцового резонатора на вищих гармоніках, що дозволяє здійснити
безпосередню кварцову стабілізацію частоти у НВЧ діапазоні. При цьому
частота використовуваної гармоніки виявляється нижчою частотою спектра
вихідного сигналу і насиченість його «паразитними» частотами
зменшується.

Використання гармонікових кварцових автогенераторів дає можливість
зменшити габарити пристрою, підвищити його надійність, знизити
споживання енергії. Для розрахунку кварцових НВЧ генераторів
запропоновано методику, яка справедлива в широкій області частот при
значних рівнях вихідної потужності.

На рис. 4 показано залежності перебудови частоти вихідної потужності та
коефіцієнта регенерації в межах зміни керуючої напруги від -0,5 до 30 В
для генератора на частоті 250 МГц. З графіків видно, що потужність
генератора і коефіцієнт регенерації в межах перебудови змінюється
незначно. Характеристика перебудови частоти складає більше 5 МГц і
має майже лінійну залежність від Eупр.

за час виміру 1 с.

З урахуванням останніх досягнень у галузі напівпровідникової техніки
розроблений експериментальний пристрій для опромінення ран тварин з
кістковою патологією, що задовольняє вимогам монохроматичності вихідного
сигналу. Придушення побічних складових у спектрі вихідного сигналу – 30
Дб, номінальна вихідна частота – 3,75 ГГц, діапазон частотної перебудови
– 2 %, короткочасна нестабільність — 10-7, вихідна потужність – 45 мВт.

У результаті виконаної роботи отримано практичні результати щодо
розробки і дослідження джерел коливань НВЧ діапазону з високими
спектрально-флуктуаційними, енергетичними та експлуатаційними
характеристиками.

У четвертому розділі наведено експериментальні
дослідження опрацьованих пристроїв та результати дії низькоенергетичного
випромінювання НВЧ діапазону на процес відновлення кісткової тканини
кінцівок тварин.

У результаті теоретичних та експериментальних досліджень було
розроблено джерело НВЧ коливань з параметрами: вихідна частота–3,75 ГГц;
вихідна потужність Рвих ?10 -1 Вт; придушення побічних гармонік в
спектрі вихідного сигналу Qп вих?40 дБ; частота задаючого кварцового
генератора –

; потужність живлення 30 Вт; при зміні потужності живлення в межах 10 %
потужність вихідного сигналу змінюється не більше ніж на 5 %.

Для уточнення параметрів ЕМП, отриманих теоретичним шляхом, було
проведено експериментальні дослідження, які пов’язані з визначенням
електрофоретичної рухливості ядер клітин кісткової тканини. При цьому
було визначено фактори, які слід вважати основними: частота ЕМП
випромінювання f, експозиція t, щільність потоку потужнос-ті Р.

Для кількісної та якісної оцінки впливу вищеназваних факторів було
проведено регресійний та дисперсійний аналізи. За результатами
дисперсійного аналізу встновлено якісний вплив факторів на функцію
відгуку та ймовірні інтервали зміни факторів, а також перевірено
працездатність експериментального джерела НВЧ випромінювання на різних
режимах роботи.

На основі дисперсійного аналізу побудовано графічні
залежності рухомості ядер клітин кісткової тканини від кожного з
визначених параметрів ЕМП (рис. 5-7) при фіксації двох других факторів.
У дослідах частота ЕМП складала 3,75 ГГц, експозиція 10 хв, щільність
потоку потужності 100Вт/м2.

) від зміни Eупр

?,в.о.

хв.

?,в.о.

Вт/м 2; f=3750 МГц

?,в.о.

Рис. 7. Залежність рухомості ядер клітин від потужності: f =3750 МГц; t
= 10хв.

Регресійний аналіз проводився на основі багатофакторного
експерименту, що дозволило одержати поліноміальну модель, яка описує
взаємозв’язок показника електрофоретичної рухливості ядер клітин
кісткової тканини з параметрами електромагнітного поля і оцінити ступінь
впливу факторів на функцію відгуку. При проведенні експериментальних
досліджень прийнято такі рівні та інтервали варіювання факторів: частота
ЕМП –Х1 змінюється від 3,6 до 4,0 ГГц з інтервалом 0,2 ГГц, експозиція
–Х2 від 5,0 до 20,0 хв з інтервалом 7,5 хв, щільності потоку потужності
–Х3 від 50 до 150 Вт/м2 з інтервалом 50 Вт/м2.

Математичну модель, яка описує залежність показника електрофоретичної
рухливості ядер клітин, кісткової тканини від параметрів ЕМП, наведено у
вигляді рівняння регресії

Y= 6,16–0,192Х1– 0,292Х2–0,228Х3–0,409Х12 +0,331Х22
+

+0,565Х32–0,275Х1Х3+0,350Х2Х3 ,
(8)

де Х1,Х2,Х3 – кодоване позначення факторів, які здійснюють вплив на
вихідний параметр Y: частота Х1, експозиція Х2, щільність потоку
потужності Х3.

Результати досліджень та перевірка значущості коефіцієнтів регресії
показали, що ступенем впливу на електрофоретичну рухливість ядер клітин
кісткової тканини розподілилися приблизно однаково.

Перевірка за критерієм Фішера дозволила зробити висновок, що
гіпотеза про адекватність моделі при 1% рівні значущості не
відкидається.

Встановлено також, що залежність показника електрофоретичної рухливості
ядер клітин кісткової тканини від параметрів ЕМП має нелінійний
характер.

Для знаходження оптимальних параметрів процесу була вирішено систему
рівнянь, які отримано порівнюванням нулю значень компонентів градієнта
виразу (8). Це дозволило отримати слідуючи значення факторів в
оптимальній точці: Х1оп= – 0,238; Х2оп= 0,436; Х3 оп =0,009, що
відповідає таким значенням натуральних параметрів: частоті ЕМП fоп
=3,752 ГГц; експозиції tоп = 15,8 хв; щільності потоку потужності Роп=
100,5 Вт/м2.

4,9 Вт/м2.

Спільно з інститутом експериментальної та клінічної
ветеринарної медицини УААН (м. Харків) була проведено науково-дослідну
роботу з вивчення особливостей роздільної та спільної дії постійного
магнітного поля (ПМП), лазерного випромінювання та низькоенергетичного
електромагнітного поля НВЧ діапазону.

В якості джерела ПМП використані кільцеподібні феритові
магніти з напруженістю поля внутрішнього кільця (310-330) 10-4 Тл.
Джерелом лазерного випромінювання був пристрій типу ЛГ-52-1 з вихідною
потужністю порядку 2·10-3 Вт. НВЧ опромінювання здійснювалося
генератором дециметрового діапазону хвиль ( j=3,752 ГГц ) з
використанням діелектричної антени малого розміру, що забезпечує
локальність дії.

Вивчення впливу фізичних факторів електромагнітної природи на
репараційні процеси здійснювалося на основі стандартної моделі
дірчастого дефекту (Schumacher G. L., Wischhusen I., 1967). Об’єктом
дослідження були пацюки Вістар у кількості 40 тварин. За пріоритетом
,найбільш активізуючий вплив на процес відновлення кіскової тканини має
нізькоенергетичне НВЧ випромювання , потім йде магнітне поле і, нарешті,
лазерний вплив.

У виробничому досвіді при лікуванні тварин з кістковою патологією
використовувалося розроблене експериментальне джерело НВЧ
випромінювання. Антена випромінювання встановлювалася контактно на
уражену область кінцівки тварини. Оцінку ходу лікування і процесу
відновлення кісткової тканини проводили фахівці Вовчанської рай-онної
державної лікарні ветеринарної медицини.

У результаті впливу було встановлено, що низькоенергетичні
випромінювання викликають більш швидку кістковідбудову. При цьому має
місце розсмоктування та зміна старого кортикального шару знову утвореним
зі збереженням кістково-мозкової рідини. Крім того, запропонований
метод та джерело НВЧ випромінювання мають значні переваги перед
традиційними технологіями впливу на кісткові тканини: низька потужність
випромінювання, зниження терміну відновлення тканини, часу дії,
кількості процедур, відсутності негативної дії (противопоказань).

Було проведено оцінку економічної доцільності використання
електромагнітного методу та джерела НВЧ випромінювання для поліпшення
відновлення кісткової тканини тварин. На прикладі корівника на 200 голів
було показано, що застосування низькоенергетичного ЕМП НВЧ діапазону
дозволяє одержати прибуток у розмірі 6700 грн. на рік.

Результати досліджень було апробовано в ТОВ „Колос” Харківської
області. Економічний ефект досягає 5,6 тис. грн. на рік.

Проведений розрахунок техніко-економічної ефективності технології
низькоенергетичного електромагнітного випромінювання НВЧ діапазону для
поліпшення відновлення кісткової тканини підтверджує прогноз
перспективності широкого її застосування у тваринництві.

ВИСНОВКИ

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню завдання отримання
нових науково-обгрунтованих теоретичних і експериментальних результатів,
які в сукупності є істотними для розвитку низькоенергетичної
електромагнітної дії і технічних засобів дециметрового діапазону для
відновлення кісткової тканини сільськогосподарських тварин.

Головними підсумками виконаної роботи є наступні результати.

1. Проведеними дослідженнями встановлено, що одним з перспективних
методів для поліпшення відновлення кісткової тканини тварин є метод,
заснований на використовуванні низкоенергетичних електромагнітних полів
НВЧ діапазону, який дозволяє створити ефективну, енергозберігаючу та
екологічно чисту технологію відновлення кісткової тканини.

2. Удосконалено математичну модель процесу взаємодії ЕМП з тканинами
кінцівки тварини, яка розглядається як багатошаровий циліндр з різними
біофізичними характеристиками шарів (? *к.т.=8.35-7.83; ?
*к.м.=5.90-4.90; ? *м.т.= 46.50-47.30; ?*к.п.= 43.50-45.20; ? *ш.п.=
4.63-5.36; ?к.т.= 1850-1930 кг/м3; ?к.м=. 928 кг/м3; ?м.т. = 1033-1048
кг/м3; ?к.п. =1250-1270 кг/м3; ?ш.п. =1.28-1.33 кг/м3), що дозволяє
визначити параметри впливаючого електромагнітного випромінювання
(частоту, щільність потоку потужності, діапазон зміни частоти тощо) і
розподілу самого поля по поперечному перетину кінцівки, дє викликє
необхідний відновний ефект, що зумовлює технічні параметри джерела НВЧ
випромінювання.

3. Проведені на підставі математичної моделі розрахунки показали, що
найприйнятніший діапазон частот електромагнітного опромінювання кінцівок
різних сільськогосподарських тварин є 3,6-4,0 ГГц., у цьому випадку
найбільша кількість енергії ЕМП виділяється в шарі кісткової тканини
кінцівки тварини (? *к.т. = 8.35 -7.83).

4. У результаті експериментальних досліджень отримано
регресійні рівняння, які встановлюють залежність показника
електрофоретичної рухливості ядер кліток кісткової тканини від
експозиції і параметрів впливаючого електромагнітного поля (частота,
щільність потоку потужності).

5. Підтверджено принципову можливість регенерації кісткової
тканини при дії на неї НВЧ випромінюванням з оптимальними параметрами:

частотою ЕМП fоп – 3,752 ± 0,15 ГГц;

щільністю потоку потужності Роп – 100.5 ± 4,9 Вт/м2;

експозицією tоп – 15.8 ± 0,9 хв.

при ? *к.т. = 8,45 – 7,93; ?к.т. = 1850 – 1930 кг/м3; dк.т. = (5-8)
·10-3 м.

6. Проведений аналіз варіантів структурних схем формування
коливань у НВЧ діапазоні показав, що за простотою роботи і надійністю,
та за об’ємно-ваговими показниками слід надати перевагу схемі з прямим
множенням частоти кварцового генератора (подавлення побічних складових у
спектрі вихідного сигналу не менше 40 дБ), а за
спектрально-флуктуаційними характеристиками (подавлення побічних
складових в спектрі вихідного сигналу до 100 дБ) – схемам з фазовим
підстроюванням частоти.

7. Теоретичні та експериментальні дослідження підтвердили
необхідність і можливість створення джерела НВЧ випромінювання з
технічними параметрами:

вихідна частота – 3,75 ± 0,15 ГГц;

щільність потоку потужності – 100 ± 5,0 Вт/м2;

частота задаючого кварцового генератора – 250 МГц;

діапазон перебудови частоти кварцового генератора – 2%;

подавлення побічних гармонік вихідного сигналу – не менше 40 дБ;

10-9 за 1 с;

0,1 Вт;

споживана потужність Р пот. – 30 Вт;

коефіцієнт множення підсилювально-розмножувального каскаду N – 15.

8. Практична значущість отриманих результатів полягає в
тому, що на підставі теоретичних і експериментальних досліджень створено
передумови для розробки і впровадження у виробництво немедикаментозного
способу і технічного пристрою НВЧ випромінювання для поліпшення
відновлення кісткової тканини тварин, застосування яких в умовах
виробництва підтвердило їх високу ефективність, яка була неможлива із
застосуванням традиційних способів дії.

9. Результати досліджень апробовано в господарстві ТОВ “Колос”
Харківської області. Економічна ефективність від упровадження
електромагнітного методу лікування тварин склала 5,6 тис. грн на рік,
від вибраковування було врятовано 10 високопродуктивних корів. На
прикладі корівника в 200 голів було показано, що застосування
низкоенергетичних ЕМП НВЧ діапазону дозволить одержувати прибуток у
розмірі 6700 грн на рік.

10. Результати, отримані в процесі виконання даної роботи,
можуть бути використані для розробки нових типів технічних пристроїв для
дії на різні органи тварин за допомогою направлених надвисокочастотних
низкоенергетичних електромагнітних полів з метою підвищення їх
життєдіяльності.

СПИСОК ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яковлєв В.Ф., Орел О.М. Модель травмованої кісткової тканини
тварин, що знаходиться під дією НВЧ опромінення // Праці Таврійської
державної агротехнічної академії. — Мелітополь: ТДАТА. — Вип. 12. —
2003. — С. 60 — 67.

Автором запропоновано метод, який дозволяє моделювати розподіл
електромагнітних полів усередині травмованої кісткової тканини.

2. Яковлєв В.Ф., Орел О.М. До питання про модель травмованої кісткової
тканини тварин, що знаходиться під дією НВЧ опромінення // Праці
Таврійської державної агротехнічної академії. — Мелітополь: ТДАТА. —
Вип. 12. — 2003. — С. 68 — 73.

Запропоновано методику одержання розв’язку для математичної моделі, що
дозволяє визначити розподіл електромагнітних полів усередині травмованої
кінцівки сільськогосподарської тварини/

3. Орел О.М. Аналіз методів та електрофізичних пристроїв для лікування
кісткової хвороби тварин // Праці Таврійської державної агротехнічної
академії.-Мелітополь:ТДАТА.-Вип.15.-2003.-С.92-98.

4. Орел А.Н., Яковлев В.Ф. Метод расчета кварцевых генераторов СВЧ //
Вісник ХДТУСГ. — Харків.-2003.-Вип.19.-С.191-197.

Автором запропоновано один з можливих варіантів методики
розрахунку кварцового генератора.

5. Орел А.Н., Яковлев В.Ф. Лечение костной патологии животных
низкоэнергетическим электромагнитным излучением СВЧ диапазона // Вісник
ХДТУСГ. — Харків.-2003.-Вип.19.-С.197-201.

В роботі описана запропонована та виконана автором методика
проведення експериментів з вивчення впливу електромагнітних
випромінювань на ушкоджену кісткову тканину.

6. Яковлев В.Ф., Назаренко И.П., Орел А.Н. Высокостабильный
источник СВЧ излучения дециметрового диапазона // Праці Таврійської
державної агротехнічної
академії.-Мелітополь:ТДАТА.-Вип.19.-2004.-С.101-106.

Автором обґрунтовано варіант технічної реалізації
високостабільного пристрою НВЧ коливань.

7. Яковлев В.Ф., Орел О.М. Біотропні параметри
електромагнітного випромінювання для регенерації травмованої кісткової
тканини тварин. // Електрифікація та автоматизація сільського
господарства. Науково виробничий журнал №3(8).-2004р.-С.64-68.

Автором обґрунтовано біотропні параметри електромагнітного поля
НВЧ діапазону при взаємодії з кістковими тканинами тварин.

АНОТАЦІЯ

Орел О. М. Обгрутування параметрів електромагнітного впливу і
технічних засобів для поліпшення відновлення кісткової тканини
сільськогосподарських тварин . — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за
спеціальністю 05.09.16 — електротехнології та електрообладнання в
агропромисловому комплексі . — Таврійська державна агротехнічна
академія, Мелітополь, 2004.

±0,15ГГц; щільність потоку потужності P=100±4,9 Вт/м 2; експозиція t=
15,8±0,9 хв.

Ключові слова: низькоенергетичне електромагнітне поле,
випромінювання НВЧ діапазону, помножувачі частоти, система алгебраїчних
рівнянь, травмовані кінцівки тварин, кісткова тканина, електрофоретична
рухливість ядер.

АННОТАЦИЯ

Орел А.Н. Обоснование параметров электромагнитного воздействия и
технических средств для улучшения восстановления костной ткани
сельскохозяйственных животных.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по
специальности 05.09.16 — электротехнологии и электрооборудование в
агропромышленном комплексе. — Таврическая государственная
агротехническая академия, Мелитополь, 2004.

Диссертация посвящена решению задачи получения новых научно-обоснованных
теоретических и экспериментальных результатов, которые в совокупности
являются существенными для развития низкоэнергетической электромагнитной
технологии и технических средств дециметрового диапазона для улучшения
восстановления поврежденной костной ткани у сельскохозяйственных
животных.

Проведенный анализ состояния вопроса показал, что травматизм животных –
наиболее распространенная группа заболеваний из всех незаразных
болезней. На его долю приходится до 50 % от общей заболеваемости
животных. В настоящее время для лечения травм животных в основном
используют медикаментозные способы. Применение антибиотиков и других
медикаментов при восстановлении костной ткани травм животных в
большинстве случаев является малоэффективным и небезопасным, блокирует
симптомы заболеваний.

Поэтому разработка эффективных немедикаментозных способов
восстановления костной ткани животных является актуальной задачей.
Решение поставленной задачи возможно на основе применения
низкоэнергетических (информационных) электромагнитных излучений СВЧ
диапазона длин волн. В ветеринарной практике СВЧ и КВЧ воздействия
является тем методом, который принципиально и выгодно будет отличаться
от существующих ранее физиотерапевтических процедур. В ряде случаев он
может заменить медикаментозный и хирургический методы лечения.

Для определения биотропных параметров электромагнитного излучения
(частота, мощность, нестабильность частоты, экспозиция), вызывающих
необходимый терапевтический эффект у больных животных, проведены
исследования математической модели с учетом строения и
электрофизических свойств костной ткани животных. С целью получения
решения рассматриваемой задачи, основываясь на решении задачи о
рассеянии электромагнитной волны на однородном биологическом объекте в
форме цилиндра, получены величины внутреннего и внешнего поля в
поврежденной конечности животного с конечным числом радиальных слоев.
Задача решена с помощью сшивания тангенциальных составляющих полей
каждого слоя на границах между слоями, что приводит к системе линейных
алгебраических уравнений. Проведенные на основании усовершенствованной
теоретической модели расчеты показали, что наиболее приемлемой частотой
электромагнитного облучения конечностей различных сельскохозяйственных
животных является 3,6…4,0 ГГц. В этом случае, как распределение самого
поля по поперечному сечению конечности, так и его амплитуда наиболее
оптимальны. Сделан вывод, что облучение должно вестись с мощностью
порядка 100 Вт/м2, что интенсифицирует обмен веществ на уровне мембран
больных клеток и способствует быстрейшему восстановлению поврежденной
костной ткани.

Проведенный сравнительный анализ вариантов структурных схем
формирования колебаний в СВЧ диапазоне показал, что по простоте работы и
надежности, объемно-весовым показателям следует отдать предпочтение
схеме с прямым умножением частоты кварцевого генератора (подавление
побочных составляющих в спектре выходного сигнала более 50 дБ).

Вт; подавление побочных гармоник в спектре выходного сигнала – 40 дБ;
частота задающего кварцевого генератора – 250 МГц с перестройкой по
частоте 2 %.

±0,15 ГГц; P=100±4,9 Вт/м 2; t =15,8±0,9 мин.

Результаты исследований внедрены в хозяйстве ООО «Колос» Харьковской
области. Экономическая эффективность от внедрения электромагнитного
метода восстановления костной ткани животных составила 5,6 тыс. грн. в
год, от выбраковки были спасены 10 высокопродуктивных коров. На примере
коровника в 200 голов было показано, что применение низкоэнергетических
ЭМП СВЧ диапазона позволит получать прибыль в размере 6700 грн. в год.

Ключевые слова: низкоэнергетическое электромагнитное поле, излучение СВЧ
диапазона, травмированные конечности животных, костная ткань,
электрофоретическая подвижность, система алгебраических уравнений,
умножители частоты, излучения СВЧ диапазона.

ANNOTATION

Oryol A.N. Electromagnetic Influence parameters
substantiation and hardwares for the improvement of renewal of bone
fabric of agricultural animals. — Manuscript.

The thesis for a candidate degree on specialty 05.09.16 —
Electrical technologies and electrical equipment in agriculture. — The
Tavriya state technical academy of agriculture, Melitopol, 2004.

2±0,15GHz; Р=100±4,9 W/m 2; t =15,8±0,9 min.

Keywords: low-energy electromagnetic technologies, injured extremities
of animal, bone pathologies, membrane of ill cells, system of algebraic
equations, frequency multipliers, microwave radiating.

Підписано до друку 06.01.2005 Формат
145х215(60х90/16)

Зам.№36
Обсяг 0,8 ум.авт.арк.

Тираж 100 прим.

Адреса редакції видавця та
поліграфпідприємства

ТДАТА,просп. Б.Хмельницького,18, м.Мелітополь,
72313

3,0

f, ГГц

0

2

1

0,18

0,16

0,12

0,1

0,08

0,04

0,02

0,14

3,4

3,8

4,2

3,0

f, ГГц

0

3,4

3,8

4,2

0,04

0,03

0,01

0,06

0,04

0,02

0,02

2

1

r, м

2

1

0,12

0,09

0,06

0,03

0

0,15

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

хв.

Похожие записи