CC BY
13
ßo
(1 - е-рт)(2р2 + 16тг2/2)е
2 f2\„k„z-k„h
,JP(1-e-PT)(p2 + 16n2f2)(jP + Jep + ß
Если теперь применить к (25) обратное преобразование Лапласа, то получим следующее выражение для напряженности электрического поля в воде:
ßo г
£o J
(1 - е-рт)(2р2 + 16n2f2)e
2f2\0k„z-k„h
aiœ ^p(1-e-vT)(p2 + 16n2f2)(jP + Jep+ß
(25)
dp, (26)
где а > 0.
Полученное выражение (26) для поля, которое прошло в воду, будет использовано при решении задачи о взаимодействии электромагнитных импульсов с находящимися в воде икринками стерляди.
Выводы
В данной работе рассмотрена краевая задача для системы дифференциальных уравнений Максвелла, моделирующих процесс влияния последовательности электромагнитных импульсов на икринки рыбы, которые находятся в инкубационной емкости. С помощью преобразования Лапласа исходная нестационарная задача сводится к задаче дифракции электромагнитных волн на области, содержащей икру, которая моделируется изотропной однородной средой с комплексной диэлектрической проницаемостью. В результате получено выражение для напряженности электрического поля, усредненного по емкости с исследуемой икрой.
Список литературы
1. Детлаф Т.Л. Развитие осетровых риб. (Созревание яиц, оплодотворение, развитие зародышей и предличинок) / Т.Л. Детлаф, А.С. Гинзбург. - М.: Наука, 1981. - 224 с.
2. Васильева Е.Г., Мельник И.В. Некоторые аспекты влияния электромагнитного поля на десятиногих ракообразных. // Вестник АГТУ. Сер: Рыбное хозяйство. - 2009. - №1. - С. 121-125.
3. Васильева Е.Г. Механизм влияния электромагнитных полей на живые организмы // Вестник АГТУ. - 2008. - №3(44). - С. 186-191
4. Sher L. D. In the possibility of no thermal biological effects of pulsed electromagnetic radiation / L.D. Sher, E. Kresch, H.P. Shwan // Biophys S. - 1970. - Vol. 10. - P. 970-979.
5. Девятков Н.Д. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности / Н.Д. Девятков, М.Б. Голонт, О.В. Бескин. - М.: Радио и связь, 1991. - 169 с.
6. Семенов А.А. Теория электромагнитных волн / А.А. Семенов. - М.: Изд. Моск. университет, 1968. - 317 с.
7. Плескунов М.А. Операционное исчисление: учебное пособие / М.А. Плескунов. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. - 143 с.
8. Краснов М.Л., Киселёв А.И., Макаренко Г.И. Функции комплексно го переменного. Операционное исчисление. Теория устойчивости. - М.: Наука, 1981.
АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ТОЧКИ
КОЖНОГО ПОКРОВА ЖИВОТНЫХ
Гузенко В.В.
Ассистент кафедры автоматизированных электромеханических систем, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко,
г. Харьков, Украина Косулина Н.Г.
Доктор технических наук, Заведующая кафедрой биомедицинской инженерии и теоретической электротехники, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко,
г. Харьков, Украина Пиротти А.Е. Кандидат технических наук, Доцент кафедры передачи электрической энергии, Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт ", г. Харьков, Украина
ANALYSIS OF THE ELECTRODYNAMICS MODEL OF AN BIOLOGICALLY ACTIVE POINT OF
ANIMAL SKIN
Guzenko V.
Assistant, Department of Automated Electromechanical Systems, Kharkov National Technical University of Agriculture named after Petr Vasilenko,
Kharkov, Ukraine Kosulina N.
Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Biomedical Engineering and Theoretical Electrical Engineering, Kharkov National Technical University of Agriculture named after Petr Vasilenko,
Kharkov, Ukraine Pirotti A.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electric Power Transmission, National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute",
Kharkov, Ukraine
Аннотация
В качестве электродинамической модели биологически активной точки (БАТ) была рассмотрена плоскослойная диэлектрическая структура. Эта структура образована тремя плоскими диэлектрическими слоями и конечным цилиндром, заполненным диэлектриком (белком коллагена). Верхний слой моделирует тучные клетки, средний слой - кровеносные и лимфатические сосуды, а нижний слой образован нервными волокнами, которые проводят и передают сигналы управления от БАТ к центральной нервной системе. Такая электродинамическая структура позволяет определить необходимые параметры информационного электромагнитного поля для лечения диспепсии новорожденных телят.
Abstract
As an electrodynamics model of bioactive point (BAP) the dielectric structure of flat layers was considered. This structure is formed by three flat dielectric layers and eventual cylinder filled by a dielectric (by the albumen of collagen). An epiphase designs obese cages, middle layer are blood and lymphatic vessels, and an understratum is formed by conducting nervous fibers, transmitter management signals from BAP to the central nervous system. The upper layer models mast cells, the middle layer - blood and lymph vessels, and the lower layer is formed by nerve fibers that conduct and transmit control signals from the BAP to the central nervous system. Such electrodynamics structure allows defining the necessary parameters of the informative electromagnetic field for treatment of dyspepsia of new-born calves.
Ключевые слова: модель биологически активной точки, лечение диспепсии телят, параметры информационного электромагнитного поля.
Keywords: model of bioactive point, treatment of dyspepsia of calves, parameters of the informative electromagnetic field.
Постановка задачи
Увеличение поголовья крупного рогатого скота связано с быстрым и эффективным лечением новорожденных телят. Экономический ущерб, наносимый сельскому хозяйству болезнями телят, состоит из снижения их производительности, непроизводительных расходов на лечение, прирезки и падежа больных. Основными инфекционными болезнями новорожденных телят являются: диспепсия паратиф; диплококковая или пневмококковая инфекция, на которые приходится 65-80 % гибели телят [1].
Для лечения диспепсии телят следует применять радиоимпульсное электромагнитное излучение для воздействия на биологически активные точки кожного покрова животных.
Радиоимпульсное информационное электромагнитное излучение способно модифицировать иммунный статус организма животных, оказывать противовоспалительное действие, улучшать микроциркуляцию крови в тканях [2, 3], активизировать физиологическую и репаративную регенерацию [4, 5].
Анализ предыдущих исследований
Увеличение поголовья крупного рогатого скота связано с повышением жизнеспособности телят в первые дни после их рождения.
По данным литературных источников из-за болезней высокие потери телят бывают до 15-дневного возраста. При этом, на первые 5 дней жизни приходится 40-50 % гибели телят, на первые 10 дней - 65-70 % и до 15-дневного возраста - 7580 % от павших в течение первого года жизни [6].
В настоящее время для сохранения молодняка используют антимикробные препараты, гормоны и другие химические препараты. Медикаментозные средства являются часто неэффективными, а длительное их применение нередко влечет за собой тяжелые осложнения, вызываемые бурным развитием грибков, стафилококков, гематологических штаммов кишечных палочек и протея [7].
Результаты исследований показывают, что альтернативой медикаментозным средствам для терапии больных диспепсией новорожденных телят может быть использование радиоимпульсных информационных электромагнитных излучений для
воздействия на биологически активные точки, тучные клетки и нейтрофилы в кровеносных сосудах на ранних стадиях развития диспепсии животных [8].
В основе радиоимпульсного электромагнитного воздействия на биологические объекты лежат резонансные явления, степень проявления которых зависит от молекулярной организации облучаемых животных и условий их существования.
Однако эффективное лечение диспепсии новорожденных телят может быть получено только при оптимальном сочетании биотропных параметров радиоимпульсного электромагнитного излучения (частота следования импульсов, скважность, мощность, частота заполнения импульсов, экспозиция) [9].
В то же время, проведенный анализ литературных источников показывает, что еще недостаточно изучен вопрос создания моделей, способных дать аналитическое описание процессов терапии новорожденных телят, больных диспепсией, отсутствует методология определения многочисленных значений биотропных параметров радиоимпульсного излучения, недостаточно проведены исследования по созданию антенной системы и импульсных электромагнитных источников с низкой величиной напряжения источников питания.
Таким образом, исследование и разработка радиоимпульсной электромагнитной биотехнологии и электронных систем для терапии телят, больных
диспепсией, несомненно, является актуальной задачей в технологическом процессе увеличения поголовья сельскохозяйственных животных.
Объект, цель и задачи исследования
Объектом исследования является процесс взаимодействия радиоимпульсного электромагнитного излучения с моделью биологически активных точек (БАТ) кожного покрова животных.
Целью работы является определение модели БАТ для электромагнитного лечения телят больных диспепсией.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Обосновать модель БАТ телят крупного рогатого скота.
2. На основе разработанной модели БАТ сформулировать задачу определения биотропных параметров ЭМП для лечения диспепсии телят.
Основная часть
Введем цилиндрическую систему координат г,ф,г с осью г, совпадающей с осью цилиндра и началом координат в точке О, которая находится на нижней границе БАТ (рис. 1). Рассмотрим действие КВЧ излучения на БАТ, длина волны которого значительно превышает геометрические размеры этой точки. Этот факт позволяет усреднить материальные параметры по координате Поэтому, далее предположим, что материальные параметры (диэлектрическая проницаемость) плоскослойной структуры не зависит от координаты (р.
Z
h
—1 ' ■—1--—;—Л- ;—
.'I I •• ><Р ; ;».' . 1__
Р
h
h
2R
р
.'-н———■—
р
_^_
р
р
0
Рис. 1. Электродинамическая модель БАТ
Геометрические характеристики и материальные параметры БАТ показаны на рис. 1:
2Я и И - диаметр и высота цилиндра;
К2 - толщина слоя, моделирующего тучные клетки;
- толщина слоя, моделирующего нервные волокна;
£1, е2, £3, £4 - диэлектрическая проницаемость соответствующих элементов плоскослойной диэлектрической структуры.
Относительно электромагнитного поля, возбуждаемого радиоимпульсным излучением, предполагается следующее. Напряженности электрического и магнитного полей не зависят от координаты
то есть электромагнитное поле является осесим-метричным и имеет вид:
Е& = Е^ёу, Н& = Н?ШГ + Н*ё2, (1) где ег, ер, е2 - орты цилиндрической системы координат.
Такое электромагнитное поле может быть возбуждено кольцевым электрическим током, расположенным на некотором расстоянии Ь от внешней поверхности БАТ. Предположим, что этот ток возбуждает гармоническое колебание с круговой частотой ш и модулированное по амплитуде с частотой модуляции П. Тогда компоненту можно представить в следующем виде:
= E0(1 + mcosnt)cos[u(t— ^j]. (2)
Здесь m - глубина модуляции; E0 - амплитуда; c - скорость света в вакууме. Частота модуляции П характеризует скорость изменения амплитуды и для нее выполняется неравенств П << ш. Частота ш лежит в КВЧ диапазоне (^~40 ^ 60 ГГц). В результате взаимодействия электромагнитного поля (1), (2) с БАТ
возникает электромагнитное поле с такой же поляризацией, что и у возбуждающего поля. Это поле должно удовлетворять уравнениям Максвелла:
^ 1dD
г otH ^ , (3)
с dt w
1дВ
rotE =---—. (4)
d
Кроме того, тангенциальные компоненты напряженностей электрического и магнитного полей должны быть непрерывны на границах раздела сред. Векторы индукции D и В выражаются через напряженности E и H с помощью следующих выражений:
D = eE,B = H, (5)
где £ - кусочно-постоянная функция, связанная с диэлектрической проницаемостью следующим образом:
П, z <0, z> h + h^,
£г,0 < z < ht;
e2, h1 < z < h1 + h- h2,r > R; (6)
e3, h1 + h — h2 < z < h + hi,r > R; { £4, h1 < z < h + hi,r < R.
Как следует из (2)-(4), задача о взаимодействии волн радиоимпульсного излучения с БАТ является нестационарной задачей дифракции. С помощью метода комплексных амплитуд [10] эту задачу можно свести к задаче дифракции для электромагнитных полей, зависящих экспоненциально от времени. Действительно, представим возбуждающее поле (2) в следующем виде:
m m
^=E0Rer (С
=
= E0Re[e-ikz (eiwt +mei(n+w)t +mei(n-w)tj], (7)
где Re - обозначает реальную часть комплексного числа; к = —. Из (7) следует, что возбуждающее поле является суперпозицией трех полей:
рЬ — рЬ I рЬ I рЬ -•ф = Е1р + Е2р + Е3р
Здесь:
Е\р = Ке(е1ш):е-1кг); ЕЫр = 0,5тЕ0Ке(е1(п+ш)):е-1кг);
<Ь — О^тР П^оКП-ы^р—кг
Etp = Eitp + E2<p + E3<p. (8)
ЕЫр = 0,5тЕ0Яе(е1(а-ш) е-1кг) (9)
В силу принципа суперпозиции решение исходной задачи может быть получено как суперпозиция решений трех задач с полями возбуждения (9). Тогда, используя метод комплексных амплитуд, достаточно решить три задачи дифракции с полями возбуждения:
ЕЫр = Епе1ы1е—кг, где п = 1,2,3. (10)
где = Е0, Е2 = Е3 = = ш, ш2 = ш + П, ш3 = ш — П.
Сформулируем эти задачи дифракции. Введем обозначения:
Епр = ипе1рт,п = 1,2,3. (11)
где ип - обозначает комплексную амплитуду, которая возникает при воздействии возбуждающего поля ЕПЫр на БАТ (см. 10).
Далее, представляя уравнение (3) и (4) в координатной форме в цилиндрической системе координат, после ряда преобразований имеем:
д2Цп 1дип д2Цп ,
1dUn d2Un { , 1\
d 2 d d 2 n 2 n d Un d( Un)
И ____npt-Mnt- И ____4 ny rlQ)nt.
"nr К dz 6 ; "nz knr dr 6 ;
En<p = UneL"nt;n = 1,2,3. (13)
где кп = —; Hnr, Hnz, - компоненты напряженности магнитного поля, а кусочно-постоянная функция е определяется по формуле (6).
Можно показать, что краевые условия для функции Un заключаются в непрерывности самой функции и ее нормальной производной на границах раздела сред.
Таким образом, начальная нестационарная задача дифракции радиоимпульсного излучения на БАТ сведена к трем задачам дифракции (12), (13) и (10).
Как следует из (12), (13), эти задачи отличаются только волновыми числами кп = шп/с, п = 1,2,3. Это обстоятельство позволяет строить решения одной из этих задач, а для других достаточно заменить соответствующие волновые числа.
Выводы
1. Для анализа взаимодействия радиоимпульсного излучения с БАТ кожного покрова телят следует использовать модель в виде плоскослойной диэлектрической структуры.
2. При определении биотропных параметров ЭМП для лечения диспепсии телят следует использовать вместо нестационарной задачи дифракции радиоимпульсного излучения на БАТ три задачи дифракции, используя метод комплексных амплитуд.
Список литературы
1. Урван В.П. Болезни молодняка в промышленном животноводстве / В.П. Урбан, Л. Найманов. - М.: Колос, 1984. - 152 с.
2. Kovalova A. Microcirculation evaluation capabilities using capillaroscopy / A. Kovalova, O. Avrunin // Proceedings of the 3rd International scientific and practical conference "Perspectives of world science and education" (November 27-29, 2019) CPN Publishing Group, Osaka, Japan. - 2019. - P. 665-669.
3. Ковальова А. А. Можливосп оцшки мжро-циркуляци за допомогою кашляроскопп / А. А. Ковальова, О.Г. Аврунш // Матерiали 1 М1жнародно1 науково-техшчно1 конференцп Сучасш проблеми шфокомушкацш, радюелектрошки та наносистем СП1РН-2019. - Вшниця, ВНТУ, 2019. - С. 49-50.
4. Kovalova A.A. Microcirculation evaluation capabilities using capillaroscopy / A.A. Kovalova, O.G. Avrunin // Тези доп. VIII мiжнародноï науково-практично1 штернет-конференцп Сучасний рух науки.- Дншро, 2019. - Т. 2. - с. 117-121.
5. Aleksandr D. Cherenkov Theoretical Analysis of Electromagnetic Field Electric Tension Distribution in the Seeds of Cereals / Aleksandr D. Cherenkov, Na-talija G. Kosulina and Aleksandr V. Sapryca // Research journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences - November - December - 2015. -RJPBCS 6(6) - Page No. 1686 - 1694.
6. Воронцов Л.А. О профилактике и лечении желудочно-кишечных болезней телят / Л.А. Воронцов, М.Г. Гамидов // Сб. науч. тр. БСХИ. - Благовещенск, 1992. - Вып. 9. - С. 14 - 21.
7. Александров И.Д. Технология получения выращивания здоровых телят / И.Д. Александров, И.В. Нестеренко, Г.А. Лоншаков. - Благовещенск: РИО Амурупрполиграфиздат, 1984. - 29 с.
8. Мачерет Е.Л. Рефлексотерапия / Е.Л. Маче-рет, И.З. Самосюк, В.П. Лесенюк - К.: «Здоро-вья»,1989. - 232с.
9. А. Cherehkov. Analysis of the electromagnetic field of multilayered biological objects for their irradiation in a waveguide system / A. Cherenkov, N. Kosulina, V. Popriadukhin, I. Popova, M. Chorna // Схвдно-£вропейський журнал передових технологи. - 2017. - №6/5 (90). - Р. 58 - 65.
10. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн/ В.В. Никольский. - М.: Наука, 1978. - 544 с.
