СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Изобретение относится к биологии и медицине и может быть использовано для лечебного воздействия на биологические объекты, в частности при лечении новообразований и вирусных заболеваний у людей и животных путем облучения биологического объекта электромагнитным полем высокой и сверхвысокой частоты.

В настоящее время в медицине и биологии широко используются различные виды электромагнитного излучения как для лечения, так и для диагностики. При оценке эффектов взаимодействия с различными биологическими объектами принято разделение электромагнитных излучений на ионизирующие и неионизирующие. Обычно к ионизирующим излучениям относят такие электромагнитные колебания, в частности рентгеновское или гамма-излучение, квант энергии которых настолько велик, что происходят разрывы межмолекулярных связей вплоть до ионизации атомов. Более длинноволновое электромагнитное излучение с малой величиной энергии кванта относят к неионизирующему излучению, которое имеет иной характер воздействия на биологический объект и используется, например, для нагрева по крайней мере части объекта. В зависимости от частоты, мощности и иных параметров электромагнитного излучения такое воздействие разделяется на физиотерапию (менее мощное воздействие) и гипертермию (более мощное воздействие), повышающую температуру до 41^oC и выше.

При лечении различных онкологических заболеваний используют электромагнитное излучение сверхвысокой частоты, которое, воздействуя на опухоль, приводит к локальному нагреву пораженного участка, что вызывает торможение роста опухоли и ее рассасывание.

Известен способ проведения гипертермической электромагнитной терапии злокачественных новообразований, заключающийся во введении внутрь опухоли взвеси ферромагнитных частиц с температурой Кюри из диапазона от 42^oC до 45^oC с последующим нагревом энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты (СВЧ) (см. RU 2082458, A 61 N 5/02, 1997).

Способ предполагает использование генератора, мощность которого в зависимости от размеров и глубины залегания области нагрева составляет от 5 Вт до 100 Вт. Данный способ может быть использован для лечения не только онкологических заболеваний, но и при лечении других заболеваний, таких как пострадиационный фиброз, некоторые воспалительные заболевания почек и т.д. Использование ферромагнитных частиц, имеющих температуру Кюри, сопоставимую с требуемой температурой нагрева, позволяет обеспечить автоматическое поддержание заданной температуры, поскольку при превышении температуры нагрева ткани выше температуры Кюри ферромагнитные частицы теряют свои магнитные свойства и их взаимодействие с электромагнитным излучением резко падает.

Известен также способ формирования СВЧ-излучения при гипертермическом воздействии, включающий формирование импульсов СВЧ-излучения и воздействие электромагнитным полем сверхвысокой частоты на онкологических больных (см. SU 1804793, A 61 N 5/02, 1993).

Способ состоит в том, что предварительно осуществляют охлаждение области облучения до заданной температуры, затем фокусируют СВЧ-излучение в заданной области и производят облучение с задержкой относительно момента начала охлаждения. Предварительное охлаждение области облучения обусловлено следующим. Очевидно, что наиболее подверженными перегреву в результате воздействия СВЧ-импульса являются поверхностные ткани человеческого тела. Поэтому для увеличения мощности импульса, а следовательно, и для повышения гипертермического эффекта необходимо предварительное охлаждение поверхностных тканей в зоне воздействия СВЧ-излучения.

Установка для реализации способа содержит импульсный генератор СВЧ-излучения, систему направленных антенных элементов, связанных с генератором СВЧ-излучения, блок управления генератором СВЧ-излучения и систему датчиков температуры.

Задержка начала облучения осуществляется за счет наличия амплитудно-фазового преобразователя с регулируемым фазовым сдвигом, соединенным с генератором СВЧ-излучения и каждым антенным элементом. Мощность в импульсе длительностью 10 с в данной установке составляет не менее 10 кВт.

Известен также способ воздействия на биологические объекты, заключающийся в том, что биологические объекты облучают электромагнитным полем сверхвысокой частоты с эффективной границей в виде однополостного гиперболоида вращения (см. SU 1156705, A 61 N 5/00, 1985).

Для повышения точности наведения СВЧ-излучения на объект в известном способе осуществляют индикацию воздействия СВЧ-излучения коллимированным светом по прямолинейным образующим однополостного гиперболоида, что осуществляется соединением антенны генератора со световыми источниками. Световые лучи, сформированные коллимационным устройством, постоянно или временно связанным с антенной, подают на объект облучения, например в виде двух световых пятен. Располагаясь непосредственно на эффективных границах невидимого поля СВЧ-воздействия, эти световые пятна определяют точное положение области, подвергающейся воздействию электромагнитного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому устройству является устройство воздействия на биологические объекты, содержащее генератор электромагнитного излучения сверхвысокой частоты, соединенный с излучающим антенным средством (см. SU 1736511, A 61 N 5/00, 1992).

Известное устройство содержит генератор и четыре излучателя сверхнаправленного антенного средства (решетки), обеспечивающие равномерное облучение опухоли при минимальном повреждении окружающих здоровых тканей за счет формирования однонаправленного излучения с прямоугольной характеристикой направленности. Мощность излучения известного устройства составляет около 200 Вт.

В основе воздействия СВЧ-излучения на биологические объекты всех вышеотмеченных способов с помощью известных устройств лежит метод гипертермии, т. е. метод локального повышения температуры облучаемых клеток. В результате имеет место гибель облучаемых клеток.

Однако данные методы требуют достаточно существенного повышения температуры облучаемых клеток при переходе энергии электромагнитного излучения в тепло и, следовательно, значительной величины мощности устройств для воздействия на объекты при помощи СВЧ-излучения. При этом обеспечить строго локальное облучение объекта воздействия невозможно. По этой причине тепловыделение происходит в здоровых клетках, смежных с злокачественными новообразованиями, что приводит к разрушению здоровых клеток. Известные методы не позволяют также равномерно повысить температуру всей облучаемой структуры. Поэтому степень положительного воздействия известных способов и устройств на биологические объекты относительно невысока.

Кроме того, известные способы и устройства оказывают сильное негативное воздействие на весь организм в целом, поскольку мощность СВЧ-излучения известных способов достаточно существенна - на уровне от нескольких ватт непрерывно до 10 кВт в импульсе. Широко известно, что после мощного и тем более длительного облучения больные, в частности онкологическими заболеваниями, испытывают общее недомогание, головокружение, тошноту.

Но возможно и такое воздействие электромагнитного излучения на облучаемый организм, при котором повышение температуры незначительно (менее 0,1^oC) и не оно оказывается главным фактором при достижении полезного эффекта. Благодаря ряду особенностей взаимодействия этих электромагнитных волн с различными объектами использование их в биологии и медицине является уникальным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является способ воздействия на биологические объекты, заключающийся в том, что биологические объекты облучают электромагнитным излучением сверхвысокой частоты (О. В. Бецкий, М.Б.Голант, Н.Д.Девятков. Миллиметровые волны в биологии. Подписная научно-популярная серия ФИЗИКА, Знание.: М., 6/1988, с. 5, 19- 22).

Известный способ исключает гипертермическое воздействие на объекты, но оказывает существенное влияние на жизнедеятельность различных организмов (от микроорганизмов до млекопитающих) благодаря частотнозависимому эффекту взаимодействия электромагнитного СВЧ-излучения с биологическими объектами. В частности, такое излучение оказывается полезным при лечении онкологических заболеваний, когда оно не только способствует рассасыванию опухолей, но и выполняет защитную роль по отношению к кроветворной системе, ослабляя токсическое действие химпрепаратов, рентгеновского излучения, используемых при лечении раковых заболеваний.

Однако наряду с положительными факторами известный способ и устройство не позволяют в полной мере реализовать свои преимущества, поскольку собственно степень поражения злокачественных новообразований, трансформированных клеток и иных клеточных структур опухолевых клеток недостаточно велика, что обусловлено, например, последовательным переотражением электромагнитной волны от облучаемого объекта. Кроме того, в этом случае не обеспечивается специфичность воздействия на клетки опухоли по сравнению с нормальными клетками.

Кроме того, эффективность действия электромагнитного излучения на объект зависит от исходного состояния объекта. Если в исходном состоянии некоторая функция объекта изменена по сравнению с нормальным состоянием, то облучение на какой-то частоте приведет к различным результатам после облучения, что также снижает эффективность применения известного способа и устройства.

Задачей изобретения является создание способа и устройства воздействия на биологические объекты электромагнитным излучением сверхвысокой частоты, обладающих повышенной эффективностью действия, особенно при лечении новообразований, бактериальных и вирусных инфекций, включая как злокачественные, так и доброкачественные опухоли любой природы.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые результаты, заключающиеся в том, что существенно повышается степень поражения клеток новообразований, а также увеличивается стабильность воздействия независимо от исходного состояния объекта.

Данные технические результаты достигаются тем, что способ воздействия на биологические объекты заключается в том, что биологические объекты облучают электромагнитным излучением сверхвысокой частоты одновременно пятью генераторами, соединенными с излучающими антенными средствами, причем частоту первого генератора выбирают от 1058 МГц до 1194 МГц, второго - от 901 МГц до 1017 МГц, третьего - от 515 МГц до 581 МГц, четвертого - от 400 МГц до 451 МГц, пятого - от 109 МГц до 124 МГц, а интенсивность мощности электромагнитного излучения, создаваемого генераторами в месте расположения объекта, составляет от 0,3 мкВт/см² до 10 мкВт/см².

Устройство воздействия на биологические объекты, содержащее генератор электромагнитного излучения сверхвысокой частоты, соединенный с излучающим антенным средством, дополнительно содержит, по крайней мере, четыре генератора электромагнитного излучения сверхвысокой частоты, соединенные с излучающими антенными средствами, причем частота первого генератора выбрана от 1058 МГц до 1194 МГц, второго - от 901 МГц до 1017 МГц, третьего - от 515 МГц до 581 МГц, четвертого - от 400 МГц до 451 МГц, пятого - от 109 МГц до 124 МГц, а интенсивность мощности электромагнитного излучения, создаваемого генераторами в месте расположения объекта, составляет от 0,3 мкВт/см² до 10 мкВт/см².

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в том, что получение качественно нового уровня воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты обеспечивается при использовании не менее пяти генераторов, функционирующих одновременно с различными диапазонами частот. Причем неожиданно оказалось, что указанные выше результаты будут реализованы только при условии того, что частота первого генератора составляет 1058 МГц до 1194 МГц, второго - от 901 МГц до 1017 МГц, третьего - от 515 МГц до 581 МГц, четвертого - от 400 МГц до 451 МГц, пятого - от 109 МГц до 124 МГц, а интенсивность мощности электромагнитного излучения, создаваемого генераторами в месте расположения объекта, составляет от 0,3 мкВт/см² до 10 мкВт/см².

Приведенные выше пять диапазонов частот электромагнитного излучения характеризуют пороговый уровень воздействия электромагнитного излучения на биологический объект, обеспечивая подавление размножения клеток новообразований, включая злокачественные. Причем выбор конкретной частоты из какого-либо диапазона не зависит от выбора конкретных частот в других диапазонах, а в каждом из диапазонов частот можно использовать несколько генераторов.

При интенсивности мощности излучения электромагнитного излучения сверхвысокой частоты в месте расположения объекта менее 0,3 мкВт/см² эффективность воздействия резко падает в связи с незначительным энергетическим воздействием электромагнитного излучения на биологический объект.

Если интенсивность мощности излучения электромагнитного излучения сверхвысокой частоты в месте расположения объекта более 10 мкВт/см², то начинают проявляться начальные эффекты гипертермии, предполагающие нагрев облучаемой структуры. В результате изменяются физические свойства (диэлектрическая проницаемость, электрическая проводимость и пр.) биологического объекта как среды, в которой распространяется электромагнитная волна, и, следовательно, меняется характер описываемого воздействия на биологический объект.

Целесообразно также для повышения эффективности воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты на биологический объект наряду с основными пятью источниками электромагнитного излучения использовать еще дополнительные генераторы, создающие электромагнитное излучение с диапазонами частот: от 1419 МГц до 1682 МГц и/или от 1201 МГц до 1347, и/или от 660 МГц до 764 МГц, и/или от 583 МГц до 638 МГц, и/или от 453 МГц до 509 МГц, и/или от 263 МГц до 327 МГц, и/или от 201 МГц до 227 МГц, и/или от 84 МГц до 96 МГц, и/или от 42 МГц до 48 МГц, и/или от 34 МГц до 40 МГц, и/или от 15 МГц до 17 МГц.

Причем дополнительные генераторы электромагнитного излучения могут быть использованы в любой комбинации совместно с пятью основными генераторами. Возможно, например, совместное применение пяти основных генераторов и любого одного дополнительного, или пяти основных генераторов и любой части дополнительных генераторов, или пяти основных и всех дополнительных генераторов.

Кроме того, целесообразно биологические объекты облучать электромагнитным излучением в течение от 1 до 6 часов, а место расположения биологических объектов выбирать на расстоянии от 2 м до 8 м от излучающих антенных средств, которые могут быть расположены вокруг биологического объекта.

На чертеже изображена общая структурная схема устройства воздействия на биологические объекты.

Описываемые способ и устройство реализуются следующим образом. Устройство 1 воздействия на биологические объекты содержит не менее пяти основных генераторов 2, которые создают в соответствующих излучающих антенных средствах 3 электромагнитное излучение с диапазонами от 1058 МГц до 1194 МГц, от 901 МГц до 1017 МГц, от 515 МГц до 581 МГц, от 400 МГц до 451 МГц и от 109 МГц до 124 МГц соответственно. Устройство 1 может содержать дополнительные генераторы 4, соединенные с дополнительными излучающими антенными средствами 5. Число дополнительных генераторов, а также дополнительных излучающих средств 5 должно быть не менее одиннадцати, что соответствуют количеству дополнительных диапазонов частот электромагнитного излучения. Но в пределах любого частотного диапазона может быть задействовано несколько генераторов электромагнитного излучения. Каждый генератор 2 и генераторы 4 подключены к блокам 6 управления, которые соединены с общим пультом 7 управления.

Перед началом воздействия на биологический объект излучающие антенные средства 3, соединенные с основными генераторами 2 и при необходимости излучающие антенные средства 5, соединенные с дополнительными генераторами,4 располагают в направлении биологического объекта, предпочтительно вокруг места расположения объекта. С помощью блоков 6 управления осуществляется настройка каждого генератора 2 на одну из частот одного из пяти основных диапазонов частот электромагнитного излучения, а также производится выбор мощности, вырабатываемой генераторами с тем, чтобы интенсивность мощности электромагнитного излучения в месте расположения объекта была не менее 0,3 мкВт/см² и не более 10 мкВт/см².

Контроль за процессом воздействия и корректировка режимов электромагнитного излучения может быть произведена с помощью общего пульта 7, а также непосредственно блоками 6 управления.

Аналогичным образом производится установка и настройка дополнительных генераторов 4.

В качестве генераторов 2 и генераторов 4 можно использовать любые известные устройства с необходимыми характеристиками, обеспечивающими вышеуказанные режимы их функционирования, например генераторы Г4-176 с диапазоном частот от 0,1 МГц до 1020 МГц, а также генераторы Г4-193 с диапазоном рабочих частот от 1 ГГц до 4 ГГц или генераторы HEWLETT-PACKARD HP 8643, HPESG. В качестве излучающих антенных средств 3 целесообразно применить симметричные полуволновые вибраторы, настроенные на выбранные частоты воздействия электромагнитным излучением. Пульт управления 7 и блоки управления 6, как правило, являются комплектующими узлами и используются совместно с генераторами электромагнитного излучения, а их создание является очевидной задачей для специалиста.

Выбор частот электромагнитного излучения основных генераторов 2, также количества и частот дополнительных генераторов 4, времени воздействия и интенсивности мощности электромагнитного излучения в месте расположения объекта производится на основе простых экспериментов.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие реализацию описываемого способа с помощью предложенного устройства.

Пример 1. Больной Ш., 54 года. С диагнозом рак верхнеампулярного отдела прямой кишки, IV-стадия, болен 1 год, ранее не лечился. Гистологически - аденокарцинома, в легких на рентгенограмме - солитарный метастаз в правом легком диаметром 1,3 см, при ультразвуковом исследовании (УЗИ) обнаружено прорастание первичной опухоли в мочевой пузырь. В связи с несколькими заболеваниями оперативное вмешательство провести невозможно. Было назначено проведение курса гамма-терапии суммарной дозой 32 Гр на первичную опухоль и курс воздействия электромагнитным излучением в течение 3-х дней по четыре часа. Облучение проводили на следующих частотах, выбранных из диапазонов пяти основных частот: 1058 МГц, 901 МГц, 547 МГц, 451 МГц и 124 МГц, а также на дополнительных частотах: 1419 МГц, 1347 МГц, 509 МГц и 17 МГц. Причем интенсивность мощности электромагнитного излучения в месте расположения больного (медицинская кушетка) составляла: от первого генератора - 0,3 мкВт/см², от второго генератора - 10 мкВт/см², от третьего генератора - 1,5 мкВт/см², от четвертого генератора - 6 мкВт/см² и от пятого генератора - 8,3 мкВт/см². Средняя интенсивность мощности электромагнитного излучения дополнительных генераторов 4 составила 3,2 мкВт/см².

Через одну неделю после начала облучения, когда эффект от гамма-терапии еще не мог проявиться, у больного исчезли боли в области крестца и прямой кишки. По данным УЗИ после окончания курса гамма-терапии в сочетании с облучением электромагнитным излучением одновременно на пяти вышеуказанных частотах первичной опухоли и метастаза (который гамма-терапии не подвергался) - "стабилизация процесса". Это позволило достаточно успешно провести более радикальные операции больному Ш.

Пример 2. Больная Г, 45. При поступлении диагноз - рак молочной железы, IV-я стадия, множественные метастазы в печень, яичники, периферические лимфоузлы, асцит. У больной выраженная кахексия, болевой синдром, требуется назначение наркотических средств. Было назначено проведение курса воздействия электромагнитным излучением в течение 5-ти дней по два часа ежедневно. Облучение проводили с помощью основных генераторов 2 на частотах: 1194 МГц, 940 МГц, 515 МГц, 400 МГц и 118 МГц и интенсивностью мощности электромагнитного излучения в месте расположения пациентки - 4 мкВт/см², 9,3 мкВт/см², 5 мкВт/см², 2,5 мкВт/см² и 0,4 мкВт/см² соответственно, а также с использованием одного дополнительного генератора 4 с частотой 89 МГц при интенсивности мощности электромагнитного облучения 9,5 мкВт/см². Курс воздействия с учетом тяжести заболевания составил пять дней по 6,5 час ежедневно. Затем после двухнедельного перерыва был проведен второй курс воздействия по первоначальной схеме, но с дополнением еще одного генератора с частотой облучения 44 МГц и интенсивностью мощности электромагнитного излучения 0,75 мкВт/см². После первого курса отмечена стабилизация процесса, прекращение болей, отсутствие нарастания асцита. Больная практически не нуждается в наркотических средствах. Повторное наблюдение после второго курса воздействия электромагнитным излучением, проведенное через 2 и 5 месяцев, подтвердило стабилизацию опухолевого процесса без прогрессирования основного заболевания. Проводится симптоматическое лечение без использования наркотических средств.

Пример 3. Больной К. 80 лет. Диагноз: рак гортано-глотки, III стадия, гистологически - низкодифференцированный плоскоклетчатый рак. При поступлении опухоль признана неоперабельной, радикального лечения не проводили. Проведен курс воздействия электромагнитным излучением в течение трех дней по 3 часа. Облучение проводили пятью генераторами 2 на частотах 1128 МГц, 960 МГц, 581 МГц, 423 МГц и 109 МГц при интенсивности мощности электромагнитного излучения: 10 мкВт/см², 7 мкВт/см², 0,45 мкВт/см², 5,5 мкВт/см² и 0,3 мкВт/см² соответственно, а также восемью дополнительными генераторами 4 на частотах: 1682 МГц, 1201 МГц, 638 МГц, 456 МГц, 327 МГц, 213 МГц, 48 МГц и 15 МГц соответственно при средней интенсивности мощности электромагнитного излучения - 4,5 мкВт/см². При контрольном осмотре через 5 месяцев установлено, что опухоль уменьшилась в размере, регионарные лимфоузлы не увеличены. Больному предложена радикальная операция, от проведения которой он отказался. Больной покинул клинику с положительными результатами после воздействия облучением электромагнитным излучением и направлен под наблюдение онколога.

Пример 4. Больной Г., 60 лет. Поступил с диагнозом: состояние после резекции прямой и сигмовидной кишки 3 годами ранее с выведением колостомы по поводу рака прямой кишки III стадии, метастазы в печень. Проведен курс воздействия электромагнитным излучением шестью основными генераторами 2 на частотах: 1017 МГц, 901 МГц, 547 МГц, 425 МГц, 109 МГц и 117 МГц соответственно при средней интенсивности мощности излучения 6,5 мкВт/см², а также электромагнитным излучением, создаваемым четырьмя дополнительными генераторами 4 на частотах: 660 МГц, 583 МГц, 263 МГц и 40 МГц при средней интенсивности мощности излучения в месте расположения больного - 9,2 мкВт/см² в течение пяти дней по 6 часов ежедневно. После проведения курса воздействия облучением электромагнитным излучением сверхвысокой частоты состояние больного удовлетворительное, при УЗИ образования в печени не определяются.

Пример 5. Больная К., 15 лет. Диагноз - остеогенная саркома нижней трети правой бедренной кости, диагноз подтвержден гистологически. Проведен курс воздействия электромагнитным излучением в течение семи дней по 4 часа. Облучение проводили на пяти частотах, выбранных из основных диапазонов частот: 1145 МГц, 995 МГц, 565 МГц, 451 МГц и 118 МГц при средней интенсивности мощности излучения 0,35 мкВт/см² и одновременно с помощью одиннадцати генераторов 4 на следующих частотах: 1580 МГц, 1165 МГц, 764 МГц, 453 МГц, 263 МГц, 201 МГц, 96 МГц, 42 МГц, 46 МГц, 34 МГц и 16 МГц при средней интенсивности мощности излучения в месте расположения пациентки - 3,5 мкВт/см².

После проведения курса воздействия состояние больной значительно улучшилось, наблюдался эффект обезболивания и стабилизации роста опухоли. Эффект электромагнитного излучения рассматривался как положительный и адьювантный для последующей химиотерапии.

Промышленная применимость
Таким образом, описываемые способ и устройство воздействия на биологические объекты могут быть практически реализованы и использованы для подавления роста клеток новообразований и для рассасывания клеток некрозных тканей, что повышает эффективность лечения заболеваний.