Ключевые слова - Биотехническая система, стимулирование кроветворения.

Техническая система для научных исследований по стимулированию кроветворения

Д. В. Белик, А. С. Емцев

Кафедра Систем Сбора и Обработки Данных, НГТУ

Аннотация – Создание биотехнической системы по стимулированию кроветворения и пульт дистанционного управления для проведения научных исследований на животных (крысах) с перспективой продолжения экспериментов на человеческом организме. При научных экспериментах должен проводиться анализ крови и мочи.

Ключевые слова - Биотехническая система, стимулирование кроветворения.

I. ВВЕДЕНИЕ

УЩЕСТВУЮТ РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ физиовоздействий, факторами которых являются многие вещи в окружающем нас мире. Эти воздействия могут влиять на организм человека как положительно, так и отрицательно, но в любом случае организм сопротивляется внешним воздействиям. Это и является принципом, который заложен во все приборы для физиотерапевтических воздействий: воздействие фактором, отличающимся от нормального состояния (например, воздействие электрическим током или полем, которых в нормальном состоянии нет).

Отдельной категорией приборов являются устройства, излучающие электромагнитные поля. Воздействие электромагнитным полем во многих случаях благоприятно сказывается на многих параметрах тела на уровне клеточных структур, что является активатором различных процессов протекающих в организме.

До недавнего времени на базе этих приборов практически не существовало разработок, а тем более решений, позволяющих производить стимуляцию кроветворения.

Система кроветворения обеспечивает организм человека обновленным составом клеток крови, так как благодаря защитной функции крови, организм избавляется от продуктов распада, как самих клеток крови, так и от вредных веществ и продуктов распада, которые образуются в биотканях и клетках в процессе жизнедеятельности. Кроме того кровь выполняет питательную и транспортную функции, обеспечивая организм питательными веществами и кислородом.

Когда процесс кроветворения нарушается, возникают такие заболевания как, анемия, лейкопения, лейкоз и лимфогранулез.

Кроме того, снижение скорости процессов кроветворения отмечается и с возрастом, что сказывается на длительности жизни человека и процессах его нормального существования.

II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Красный костный мозг является основным органом кроветворения и вырабатывает из стволовых клеток эритроциты, тромбоциты и лейкоциты.

Клетки крови сохраняют жизнеспособность и восстанавливаются от 30 до 120 дней, а в критические моменты, при болезнях, травмах от 3 до 30 дней.

Учитывая размеры клеток крови, эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, а так же циклы их формирования в организме человека предполагается создать биотехническую систему для стимуляции кроветворения.

Предполагается апробирование вариантов такой системы с наборов частотных кодов и модуляций, сначала на крысах, затем на собаках, после этого на человеке.

Исследования смогут показать результат воздействия электромагнитных полей на кроветворную ткань, причем параметры излучения будут изменяться. Для проведения исследований предполагается использовать зону воздействия электромагнитным полем в области тазовых костей, так как в ней находится наиболее массированное скопление кроветворной ткани.

III. ТЕОРИЯ

Поскольку размеры структур костного мозга и стволовых клеток системы кроветворения человека находится в пределах от 3.6 - 100 мкм[3], а так же цикл кроветворения находится в пределах 3 - 120 суток, была предложена концепция стимулирования через резонанс определенных структур систем кроветворения.

Для наиболее глубокого проникновения в структуры костного мозга и влияния на процесс гемопоэза необходимо применение несущей частоты порядка сотен кГц. Для поиска оптимального варианта воздействия и осуществления дополнительного эффекта на процесс гемопоэза было принято использовать дополнительную сложную модуляцию по амплитуде частотами от 100 Гц до 20кГц. В качестве формы выходного сигнала несущей и модулирующих частот использовать модуль синусоиды, либо близкий по форме сигнал (Рис. 1,2,3,4).

Для влияния на суточные ритмы кроветворения предполагается использовать ультранизкочастотные излучения в пределах от до . Так же предполагается использовать паузы между наибольшими периодами воздействия (Рис. 4).

При этом нужно учитывать, что энергетические характеристики излучаемого электрического сигнала имеют вторичное значение.

Под влиянием вышеуказанных частот происходит ряд резонансов и возбуждение магнитосодержащих клеток, от стволовых до эритроцитов.

Нужно отметить, что при стимулировании кроветворной системы человека предполагается предварительное насыщение клеток организма питательными веществами.

Рис. 1. Форма несущей частоты 150 кГц

Рис. 2. Модуляция несущей частоты в 150 кГц частотой №1 - 10 кГц

Рис. 3. Модуляция несущей частоты в 150 кГц, частотой №1 - 10 кГц и частотой №2 - 500 Гц

Рис. 4. Модуляция частотой №3(частоты №1,2 показаны в масштабе)

IV. РЕАЛИЗАЦИЯ

Для решения этой задачи на кафедре ССОД был разработан экспериментальный образец технической системы для стимуляции кроветворения (Рис. 9), который может позволить за счет излучения модулированных переменных электромагнитных полей низкой частоты активизировать выработку клеток крови в наиболее крупном скоплении лимфоидной ткани – костном мозге.

Экспериментальный образец состоит из прибора для стимуляции кроветворения (Рис. 8,9), который производит излучение модулированными переменными электромагнитными полями низкой частоты и пульта-ДУ (Рис. 7) – для управления параметрами воздействия и контроля. Оба устройства работают на базе микроконтроллеров.

Функциональная схема биотехнической системы представлена на Рис. 5.

Прежде чем проводить исследование влияния поля на лимфоидную ткань человека, было принято решение произвести исследование на крысах. Мы будем производить излучения переменным электромагнитным полем различной частоты и модуляции на крыс, результатами которых будут изменения параметров состава мочи и крови (Рис.6).

Рис. 5 Функциональная схема системы для стимуляции кроветворения

При анализе параметров можно будет судить о положительном или отрицательном влиянии электромагнитным полем на функции системы кроветворения и соответственно изменять параметры воздействия. В итоге мы получим статистические данные о стимуляции кроветворения электромагнитным полем на различных частотах с различной модуляцией. Получив эти данные, мы выберем лучший вариант воздействия для конечного продукта.

Разработанный прибор для научных исследований на крысах имеет весьма скромные размеры (внутреннее пространство для печатной платы и батарей питания мм).

Рис.6. Прибор для стимуляции в действии

Рис. 7 Макет пульта дистанционного управления

Рис. 8 Эскиз корпуса прибора для стимуляции кроветворения

Рис. 9 Прибор для стимуляции кроветворения с катушкой-излучателем

V. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Были рассмотрены различные варианты исполнения конструкции биотехнических систем для крыс и разработан экспериментальный образец такой системы (Рис. 9).

Предполагается проводить забор крови и мочи у подопытных крыс в течение 30 дней после проведения электромагнитных воздействий, причем следует учитывать и тот факт, что забирая некоторое количество крови у крыс, мы будем стимулировать процесс кроветворения, т.к. в организме животного будет восполняться недостаток забранной крови.

Изменяя параметры воздействия, мы сможем выделить частоты, на которых изменяется состав периферической крови и мочи в лучшую или худшую сторону.

В итоге мы получим статистические данные о стимуляции кроветворения электромагнитным полем на различных частотах с различной модуляцией. Получив эти данные, мы выберем лучший вариант воздействия для эффективной стимуляции кроветворения.

VI. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Созданная биотехническая система для стимуляции кроветворения позволяет проводить научные исследования в этой области и имеет перспективы ее применения в дальнейших экспериментах на собаках и человеческом организме

VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная конструкция биотехнической системы для стимуляции кроветворения имеет возможность использоваться с периодами от 6 до 12 часов в зависимости от источника питания.

Разработанный пульт дистанционного управления позволяет контролировать работу системы в процессе экспериментов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] патент №2096048 от 20.11.1997 Авторы: Счастный

С.А.; Семикин Г.И.; Щукин С.И - Способ стимуляции костномозгового кроветворения.

[2] Белик Д.В., Белик К.Д. Контрактивная биоэлектрокинетика Новосибирск 2005 - 304 c.

[3] Шиффман Ф.Дж. Патофизиология крови. (Перевод с английского) Спб. 2001 - 448 c.

[4] Цынкаловский О.Р., Розенлюнд Б., Эйкен Х.Г., Лярум О.Д. Разработка методики
оценки экспрессии циркадных генов, контролирующих суточные ритмы
кроветворения, в стволовых клетках костного мозга.//Аллергология и иммунология. -2008.-9 (1) -4

Белик Дмитрий Васильевич, д.т.н., заведующий кафедрой Систем Сбора и Обработки Данных, директор НИИ медицинской инженерии НГТУ.

Емцев Александр Сергеевич, студент 4 курса НГТУ, кафедра Систем Сбора и Обработки Данных. По этой работе будет защищать диплом бакалавра техники и технологии. Так же работает в ЗАО "Радио и микроэлектроника" на должности инженера-программиста микроконтроллеров.