CC BY
19
Биотехнические системы и технологии (201000)
27
УДК 621.317.08
В. Г. Гусев, д-р. техн. наук, А. Ю. Демин, канд. техн. наук,
Уфимский государственный авиационный технический университет
Теплозависимые объекты и подходы к оценке их состояния
Ключевые слова: измерительный генератор, теплозависимый объект, заданная электрическая мощность. Key words: the measuring generator, the object dependent on heat, the set electric capacity
Рассматриваются особенности получения информации о параметрах, характеризующих состояние нелинейных теплозависимых объектов. Предлагаются подходы к измерению электрических параметров объектов живой природы, уменьшающие влияние негативных факторов.
Введение
Общим признаком теплозависимых объектов является нелинейность их характеристик, зависимость их параметров от значения энергии, введенной в них, и времени, в течение которого это сделано. Нелинейность характеристик является важнейшим признаком, в случае его отсутствия невозможно достигнуть состояния термодинамического равновесия в системе с теплозависимым объектом. Строго говоря, все известные физические объекты относятся к числу теплозависимых. Линейность их характеристик сохраняется только в определенном диапазоне конкретных значений параметров внешней среды, когда наблюдается состояние термодинамического равновесия. Можно только найти интегральные значения характеристик у теплозависимых объектов, эти значения не позволяют полноценно охарактеризовать их свойства при практическом использовании. Поэтому в технических и биологических системах используют разные методы оценки состояния теплозависимых объектов. На основе полученных результатов делаются выводы относительно их пригодности для применения в соответствующих областях и возможных способах коррекции их параметров и характеристик.
Теплозависимые объекты делятся на те, что принадлежат к живой природе, и те, которые относятся к неживой. Их общими свойствами являются:
• нелинейность вольт-амперной характеристики;
• возможность оценки их статических параметров только в режиме термодинамического равновесия, когда вводимая и рассеиваемая энергии равны;
• зависимость времени достижения состояния термодинамического равновесия от параметров объектов, участвующих во взаимодействии;
• характер распределения элементов, от которых зависит момент достижения состояния термодинамического равновесия;
• зависимость момента достижения состояния термодинамического равновесия от параметров и характеристик окружающей среды;
• зависимость параметров, определяющих мощность взаимодействия тел, от величины энергии, которой они обладают.
Для объектов живой природы дополнительно следует указать те особенности, которые характерны для взаимодействия объектов, имеющих ионный тип электропроводности, с измерительным преобразователем. Кроме того, необходимо учитывать случайный характер реакции ионных каналов клеток (их открытия и закрытия) от вида воздействующей на них электрической энергии и электрической мощности.
Результаты экспериментальных исследований
Как показали экспериментальные исследования [1-3], оценка результатов взаимодействия живого организма с источником электрической энергии зависят от ряда факторов, влияющих на его состояние. К ним относятся:
• значение электрической мощности, которая изменяет сопротивляемость участка живой материи при прохождении электрического тока;
• степень гидратации кожного покрова, на который устанавливаются электроды, предназначенные для оценки электрической сопротивляемости конкретного участка живого организма;
• состояние участка живой материи в предшествующий период, которое в определенной степени меняет сопротивляемость последнего электрическому току;
• термодинамическое равновесие, устанавливающееся в биологической ткани, в которую вводится внешняя электрическая энергия;
биотехносфера
| № 3(15)/2011
Биотехнические системы и технологии (201000)
• изменения степени гидратации под влиянием приложенной электрической энергии, что объясняется плохо изученными электрокинетическими явлениями;
• температура окружающей среды и участков организма, сопротивляемость которых оценивается;
• значение плотности электрической мощности (энергии), воздействующей на участок организма, и размеров этого участка;
• изменения сопротивляемости участка в результате воздействия электрической энергии;
• свойства используемых для организации взаимодействия электродов и их размеров;
• сила механического воздействия на зону кожного покрова и длительность этого процесса;
• реакция организма на воздействие электромагнитной энергии, в том числе света с разной длиной волны;
• работа желез внутренней секреции (в основном потовых).
Также установлено, что существует механизм изменения сопротивляемости живой материи движению зарядов электрического тока, благодаря которому устанавливается оптимальное значение сопротивляемости с учетом воздействующих факторов. Известные математические и физические модели в большинстве своем работают плохо, не позволяют оценить, от каких факторов и каких именно значений зависит состояние живого теплозависимого объекта.
В силу того что свое влияние оказывают многочисленные факторы, практически невозможно получить однозначные воспроизводимые и хорошо повторяющиеся результаты. Можно только повысить достоверность оценки состояния живой материи путем стабилизации тех параметров, от которых зависит конечный результат. Таким образом, задача получения объективной информации о состоянии живой материи сводится к стабилизации и поддержанию в неизменном состоянии всех параметров, оказывающих влияние на конечный результат оценки состояния теплозависимого объекта. Одним из наиболее важных факторов является электрическая мощность, с которой взаимодействует объект, состояние которого оценивается. До наступления динамического равновесия между энергией, поступающей к объекту и рассеиваемой в нем, будет наблюдаться изменение показаний.
Вследствие внешних воздействий и внутренних процессов, связанных с биоритмами организма, чувствительность живого организма к изменениям параметров оказывается достаточно высокой. При подаче постоянной мощности (скачке мощности) начальное значение падения напряжения характеризует термодинамическое состояние объекта исследований, то есть его взаимодействие с постоянной электрической мощностью. В результате внешнего воздействия в течение времени т устанавливается новое состояние термодинамического равновесия, когда показания остаются стабильными до тех пор, пока
не изменятся термодинамические параметры внутренней или внешней среды или той и другой одновременно. Так, если уровень внешнего электрического воздействия меняется на какую-либо величину, то энергетическое состояние живой материи становится иным вплоть до наступления состояния термодинамического равновесия. Его можно оценить по времени следующего установления состояния термодинамического равновесия. Если значение изменения внешней энергии воздействия постоянное и определенное, то энергетическое состояние материи зависит от состояния организма в точке, в которой проводится оценка. Под влиянием постоянной электрической мощности тепло, поступающее к объекту, рассеивается в нем и изменяется энергетическое состояние частиц, находящихся в пределах участка, подвергающегося внешнему электрическому воздействию.
Электронные устройства, обеспечивающие неизменное значение электрической мощности, рассеиваемой в нагрузке, подключенной к их выходу и имеющей произвольное сопротивление (в определенном диапазоне), с погрешностью, не превышающей заданное значение, называют измерительными генераторами заданной электрической мощности (ИГЗМ) [5].
При использовании источника постоянной электрической мощности Р можно определить работу А, затраченную на изменение термодинамического состояния:
А = Ри (1)
Если известны два значения мощности Р, то на изменение термодинамического состояния затрачивается работаА-^ и А2, причем эти величины различаются между собой:
А ~ Р\Ч' = •
(2) (3)
Так как работа зависит от падений напряжения на объекте, то, разделив первое значение работы на второе, получим
РЧ
(4)
Если наА-^ сказывается падение напряжения и1, а наА2 — падение напряжения и2, то формулу (4) можно записать в виде
рл Р2*2
(5)
Напряжения и^ и и2 измеряются прибором, отношение мощностей Р1/Р2 задается ИГЗМ прибора и является постоянной величиной, отношение значений времени и ¿2, при которых наблюдается термодинамическое равновесие, зависит от состояния объекта исследований. Если обозначить
С = ; К = Рх/Р2 ; П - ЩЩ
2 '
№ 3(15)/201Т[
биотехносфера
Биотехнические системы и технологии (201000)
то уравнение (5) примет вид П = КС.
(6)
Состояние объекта характеризуется двумя параметрами С и П. Если времена и ¿2 достаточно большие, так что при каждом воздействии устанавливается термодинамическое равновесие, то коэффициент С ^ 1 и состояние организма в данной зоне, под воздействием мощностей Р^ и Р2, характеризуется коэффициентом П, причем П = К.
По существу, состояние точки акупунктуры предлагается оценивать по результатам, полученным при двух значениях мощности электрической энергии, воздействующей на организм. Полученные результаты делятся друг на друга. Такой подход существенно уменьшает влияние факторов, от которых зависят результаты взаимодействия организма с источником постоянной электрической мощности, и, следовательно, повышается достоверность оценки состояния локальных зон кожного покрова.
Данный вывод обусловлен тем, что в первом приближении при обоих значениях мощности одинаковыми будут следующие параметры:
• степень гидратации кожного покрова;
• состояние участка живой материи в предшествующий период;
• температура окружающей среды и участков организма;
• значения распределения мощности по поверхности исследуемого тела;
• свойства электродов, используемых для взаимодействия;
• сила механического воздействия на зону кожного покрова.
Воздействие электрической мощностью осуществляется скачкообразно, реакция ионных каналов многочисленных клеток организма имеет случайный характер, поэтому при повторениях энергетического воздействия варьирует количество открытых ионных каналов и они пропускают разные ионы. Электрическая сопротивляемость среды, подвергаемой электрическому воздействию, изменяющемуся в соответствии с функцией Хэвисайда, меняется случайным образом, в зависимости от того, сколько и каких именно ионных каналов открылось при ступенчатом изменении воздействующих на них электрической мощности и энергии. Поэтому повторяемость оценки состояния живой материи при многократном выполнении операции оценки состояния обычно наблюдается в ограниченном количестве случаев, что затрудняет оценку состояния живой материи. Зафиксированы определенные значения, получаемые при повторении измерительных операций 3 и 5 раз. Это известно рефлексотерапевтам. На основании данного факта представители школы Сар-чука делают вывод о состоянии локальной зоны живого организма по показаниям, полученным после пятикратного повторения идентичных воздействий на нее электрическим током [6]. Другими словами,
состояние биологической ткани живого организма меняется при повторении идентичных операций оценки их состояния после идентичных взаимодействий с постоянной электрической мощностью и энергией. Эту неоднозначность оценки, имеющей нестационарный характер, причина которой объяснена в биофизике, специалисты в области техники иногда относят к числу шумов, выявляемых во время работы с биологическим объектом.
Под влиянием постоянной электрической мощности состояние теплозависимого объекта в определенной мере изменяется вследствие того, что в нем рассеивается электрическая энергия, которая описана уравнением (1).
Живая материя изменяет свою сопротивляемость электрическому току, в том числе благодаря адаптации. Целевое направленное изменение свойств, в частности сопротивляемости электрическому току, является одним из специфических признаков, которые характеризуют живую материю.
Экспериментальные исследования показали, что, несмотря на все меры для стабилизации параметров взаимодействия живой материи с электрической мощностью, наблюдается разброс показаний во время каждой индивидуальной операции оценки состояния живой материи. Тем самым подтверждается известное положение: равновесное состояние может наблюдаться при разных значениях основных показателей, характеризующих состояние живой материи. При применении прибора с источником постоянной электрической мощности было установлено, что разброс показаний, наблюдаемый при каждой измерительной операции, меньше, чем при использовании любых других источников электрической энергии [2, 4]. Причем лучшая повторяемость результатов наблюдается после третьей оценки состояния, проводимой непрерывно при мощности воздействия Р = 40 мкВт. Подобное повторение наблюдается, если последовательно выполнить 5 измерительных операций при мощности Р = 40 мкВт. Интересным является то, что уход показаний, в течение времени наблюдаемый в результате воздействия данной мощности, значительно меньше, чем в результате первого и второго воздействия. Видимо, в организме имеется какой-то механизм памяти, действие которого достаточно кратковременно, но пока он работает, сохраняется информация о результатах предыдущего воздействия. Вероятно, из этого следует вывод о том, что для повышения достоверности результатов оценки состояния живой материи следует учитывать значения после 3 и 5 раз установки электрода в одну и ту же точку. При значении мощности (Р = 40 мкВт) изменения показаний, вызванные ею, обычно не существенны для результатов оценки состояния. Суть заключается в том, что даже при одном значении мощности воздействия установившееся значение получается при разных параметрах. Это, вероятно, есть следствие того, что при одном воздействии мощности откры-
2
биотехносфера
| № 3(15)/2Ш
31
Биотехнические системы и технологии (201000)
вается разное количество ионных каналов клеток. Это в какой-то степени случайный процесс, с элементами памяти о предыдущем состоянии. Поэтому показания, снятые после 3 или 5 измерительных операций, более достоверно отражают действительное состояние живой материи. Если используется ПЭВМ, целесообразно использовать математическое ожидание, полученное в результате измерений состояния живой материи.
Специалисты по рефлексотерапии пытаются объяснить феномен стабилизации показаний после 3 и 5 воздействий измерительным электродом на кожный покров тем, что таким образом стабилизируются механические свойства кожного покрова и уменьшается влияние механорецепторов на результат. Наши исследования подтвердили справедливость данного утверждения. Однако работу механорецепторов мы не исследовали.
Заключение
Благодаря представленным положениям удалось разработать теоретически и экспериментально проверить концепцию оценки состояния теплозависи-мых живых объектов по результатам их взаимодействия с источником постоянной электрической мощности или с источником импульсов мощности, учитывая величину электрического тока, протекающего в цепи при замыкании между собой электродов в паузах между импульсами.
Обобщены, систематизированы и подробно исследованы методы и вопросы построения нового класса нелинейных электронных устройств, обеспечивающих неизменное значение электрической мощности, рассеиваемой в объекте с любым значением электрического сопротивления. Составлены рекомендации по проектированию этих устройств с использованием аналоговых и цифровых микросхем с различной степенью интеграции. Проведены экспериментальные исследования и оценены технические возможности, которые обеспечивают устройства, созданные на основе разных подходов.
Созданы новые структуры и измерительные генераторы с постоянной электрической мощностью и импульсами мощности с заданными временными параметрами и выполнены исследования их технических возможностей с помощью компьютерного моделирования и экспериментальной проверки полученных результатов.
Разработаны, исследованы и доведены до практического применения функциональные узлы информационно-измерительной системы (ИИС), выполненных на основе разработанных концептуальных положений. Проведена оценка их технических возможностей и даны рекомендации по практическому применению [7]. Проведен анализ особеннос-
тей, появляющихся у замкнутых структур с перемножающими устройствами.
Предложены и исследованы структуры оригинальных ИИС в петле обратной связи, позволяющих выполнить оценку состояния живых организмов. Созданы и экспериментально исследованы два типа ИИС, обеспечивающих оценку состояния в тех режимах, которые метрологически достоверны и характерны для живой материи.
Экспериментально проверена справедливость основных концептуальных положений. Предложены и теоретически исследованы вопросы оценки состояния теплозависимых объектов по результатам их взаимодействия с разными значениями электрической мощности.
Проведенные исследования позволили создать предпосылки для реализации ИИС, позволяющих провести объективную оценку состояния меридианов у человека с помощью существующих методик, оценить состояние отдельных органов у человека с помощью точек Фолля, проводить мониторинг состояния организма и проводить массовые обследования групп населения. Полученные результаты могут быть использованы при создании информационной части систем для управления параметрами и техническими процессами в областях, где приходится иметь дело с жидкими электропроводящими средами или со средами с ионной проводимостью электрического тока. Все изложенное характеризует новый уровень получения информации о состоянии теплозависимых объектов в конкретном электрическом режиме.
| Л и т е р а т у р а |
1. Гусев В. Г., Демин А. Ю. Измерительные генераторы малой заданной электрической мощности (для медико-биологических целей) // Вестник УГАТУ. 2005. Т. 6, № 1 (12). С. 88-94.
2. Гусев В. Г., Демин А. Ю. Исследование электрических свойств кожного покрова человека // Медицинская техника. 2009. № 3. С. 20-25.
3. Гусев В. Г., Демин А. Ю., Мирина Т. В. Получение информации о состоянии и параметрах сложных теплозависимых объектов // Датчики и системы. 2009. № 8. С. 66-71.
4. Демин А. Ю. Измерительные системы для определения электрических параметров теплозависимых объектов // Сборник научно-технических трудов: «Электротехнические комплексы и системы». Уфа: УГАТУ, 2009. С. 97-102.
5. Гусев В. Г., Зеленов С. А., Мирин Н. В. Принципы построения и структуры электронных измерительных генераторов заданной электрической мощности // Измерительная техника. 1999. № 4. С. 26-31.
6. Сарчук В. Н. Метод биорезонансной психосоматической диагностики заболеваний и безлекарственной терапии информационным полем. Симферополь: Таврида, 2005. 164 с.
7. Демин А. Ю. Измерительные генераторы заданной электрической мощности. Уфа: УГАТУ, 2010. 137 с.
'№ 3(15)/20Т"[
биотехносфера
