автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Автономные электростимуляторы желудочно-кишечного тракта с эндогенным электрофорезом микроэлементов

я м ет

° Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Романовский Михаил Николаевич

АВТОНОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОРЫ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА С ЭНДОГЕННЫМ ЭЛЕКТРОФОРЕЗОМ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

(05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Агафонников В. Ф.

Консультант по

биомедицинской части: доктор медицинских наук,

член-корреспондент РАМН Дамбаев Г.Ц.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ананьев Л.М.

кандидат технических наук, доцент Пеккер Я. С.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт медицинских материалов при Сибирском физико-техническом институте им. В.Д.Кузнецова.

Защита состоится 26 мая 1998 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 063.05.02 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУР.

Автореферат разослан Л/, апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

/

А. А. Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для повышения качества и эффективности функционирования радиотехнических элементов и устройств различного назначения все шире используются новые физические, химические и др. явления и процессы. С другой стороны, радиотехнические методы и устройства сами широко применяются в химии, биологии, медицине, многих др. областях науки и практической деятельности. Примером могут служить некоторые устройства для физиотерапии, в частности, автономные электростимуляторы (АЭС) желудочно-кишечного тракта (ЖТ), применение которых в значительной степени решает проблему лечения послеоперационных парезов и динамической кишечной непроходимости [1].

Другой актуальной проблемой является несбалансированность питания людей и сельскохозяйственных животных по микроэлементному составу. В живом организме микроэлементы присутствуют в весьма низких концентрациях, но оказывают большое влияние на метаболизм клеточных систем, тканей и органов. Недостаток какого-либо из эс-сенциальных микроэлементов приводит к нарушению метаболических процессов, гипомикроэлементозу и в практике животноводства, например, покрывается за счет введения в состав кормов солевых добавок. Степень усвоения минеральных веществ животными не превышает 10 - 40 %. Из-за антагонизма микроэлементов и по ряду др. причин дефицит какого-либо из них может проявляться даже при оптимальном содержании микроэлемента в воде и пище. При этом солевые добавки не решают проблемы, т. к. степень усвоения микроэлемента остается по-прежнему невелика.

При функционировании АЭС в кислотно-щелочной среде ЯКТ имеют место электрохимическая коррозия электродов и ионный эндогенный электрофорез. За счет этих двух процессов при надлежащей модификации АЭС можно более эффективно вводить в живой организм недостающие микроэлементы на фоне электростимуляции ЯКТ.

Важнейшая составная часть АЗС ККТ - генератор электрических импульсов. Расширение функций АЗС предъявляет дополнительные требования к электродам. Изготовление электродов из материалов, по-, ляризационные характеристики которых существенно отличны от характеристик электродного материала базовой модели АЭС - нержавеющей стали, предполагает (для обеспечения оптимальной амплитуды

импульсов тока электростимуляции) соответствующее модифицирование генератора.

Предварительный анализ функционирования АЭС с различными электродами удобно проводить на математических моделях с последующими всесторонними экспериментальными исследованиями. Сведения о моделировании АЭС ЖКТ в литературе отсутствуют, и первый шаг в реализации такого подхода может быть связан с моделированием нелинейной динамической нагрузки генератора импульсов АЗС.

Таким образом, разработка АЭС ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлементов является актуальной проблемой, решение которой предполагает моделирование генератора импульсов и нагрузки, выбор материалов и способов изготовления электродов, исследование функционирования АЭС с различными электродами, модифицирование генератора импульсов, исследование реального влияния АЭС на состояние живого организма. Решению перечисленных задач - с целью выяснения особенностей функционирования и изготовления АЭС ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлементов - и посвящена настоящая работа.

Научная новизна работы связана прежде всего с моделированием нагрузки генератора импульсов АЭС ЖКТ и реализацией нового способа введения в живой организм недостающих микроэлементов. Нелинейные математические модели нагрузки позволили получить новые данные о кинетике тока и напряжения на выходе генератора, соотношении в импульсном токе на границе анод-электролит емкостной и активной компонент, распределении тока по площади электродов и в объеме электролита. Проанализированы особенности функционирования АЭС ККТ с эндогенным электрофорезом ионов цинка, селена, молибдена, а также способы регуляции поступления микроэлементов в ЖКТ. Проведены исследования эффективности использования АЭС ЖКТ с микроэлементами в нормализации сперматогенеза у хряков (АЭС с цинком). обмена веществ у бычков на откорме (АЭС с селеном и молибденом). нормализации биохимических показателей у больных сахарным диабетом (АЭС с цинком).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные нелинейные модели нагрузки генератора электрических импульсов адекватно отражают электродные процессы и применимы для анализа функционирования АЭС ЖКТ в схемотехническом аспекте.

2. Доля емкостного тока на аноде АЭС базовой модели в 1 %

растворе соляной кислоты составляет около 63 % полного тока и зависит от внутреннего сопротивления генератора импульсов. Без учета поляризации электродов сопротивление нагрузки генератора пропорционально удельному сопротивлению электролита с коэффициентом 0.19 см"1.

3. Неравномерность распределения тока по поверхности электродов АЭС базовой модели, обусловленная особенностями их формы и взаимного расположения, в рабочем диапазоне токов электростимуляции сглаживается из-за нелинейности поляризационной характеристики системы электрод-электролит.

4. Покрытие электродов АЭС ЖКТ из нержавеющей стали слоем цинка или селена не ухудшает его основных характеристик; доза микроэлемента - материала покрытия, введенного за время экспозиции АЭС в ЖКТ, - в.значительной степени определяется локальными токами, обусловленными нарушениями сплошности слоя.

5. АЭС ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлемента цинка является эффективным средством нормализации половой функции у человека и сельскохозяйственных животных.

Практическая ценность. Модификации АЭС МТ с эндогенным электрофорезом микроэлементов расширяют функциональные возможности и, соответственно, область применения автономных электростимуляторов. По результатам исследований, проведенных в совхозе "Томский", годовой экономический эффект применения АЗС с цинком для нормализации сперматогенеза у 150 хряков в ценах 1992 года составил 2250000 рублей. Клинико-экспернментальные исследования свидетельствуют о возможности применения АЗС с эндогенным электрофорезом микроэлементов для лечения такого распространенного заболевания как сахарный диабет. Модели нелинейной нагрузки генератора импульсов электростимуляции удовлетворительно описывают экспериментальные данные и могут использоваться для разработки или оптимизации параметров АЭС ЖКТ с различными электродными материала!® в схемотехническом аспекте.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались на научно-практической конференции "Новые методы диагностики и лечения заболеваний, медицинская техника", организованной в. рамках мероприятий международной выставки "Медфарм-93" (Новосибирск, 1993), 49-й научной сессии НТО РЭС им. A.C. Попова (Москва, 1994), Областной научно-практической конференции по технмчес-

ким наукам и высоким технологиям (Томск, 1995), 4-м Российско-Японском Международном медицинском симпозиуме (Иркутск, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ в научных изданиях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 168 страниц текста (с приложениями и рисунками), 44 рисунка, список литературы (120 источников).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, изложены новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.

Первая глава - "Автономная электростимуляция желудочно-кишечного тракта" - является обзором литературы. В ней рассмотрены электрическая стимуляция как способ нормализации моторно-эвакуа-торной функции ЖГ, конструкция и особенности функционирования АЭС, схемы принципиальные электрические АЭС и интегральной микросхемы генератора импульсов, электродные процессы при автономной электростимуляции, результаты исследований по клиническому применению АЭС ХКТ. На основе анализа литературных данных сформулированы цель и основные направления исследования.

Основными характеристиками стимулирующих импульсов принято считать их форму, амплитуду, длительность, частоту следования. Большое значение имеют также продолжительность сеанса электростимуляции и кратность сеансов на курс.

АЭС ЖКТ базовой модели через нагрузку 100 Ом обеспечивает прямоугольные импульсы тока амплитудой (10 ± 2) мА с временными параметрами: длительность импульса т0 = (0.006 ± 0.001) с, период следования Т0 = (0.024 ± 0.005) с, длительность пакета импульсов х, * (0.38 ± 0.07) с. период следования пакета ^ = (3.0 ± 0.6) с. В АЭС 2-ой модификации добавлены вторые пакеты импульсов (т2 = (49 ±10) с. Т2 = (100 ± 20) с), в 3-ей модификации - третьи (т3 - (1600 ± 320) с, Т3 = (3200 ± 640) с). По результатам медико-биологических исследований 11]. указанные параметры стимулирующих импульсов являются адекватными для ответной моторной реакции ЖКТ.

Генератор пакетов импульсов АЭС выполнен (в виде гибридной

интегральной микросхемы) на КМОП-логических элементах. Комплементарные пары МОП-транзисторов практически не потребляют энергии в статическом режиме. Цепь обратной связи производит автоматическое включение задающего автогенератора только при появлении нагрузки на электродах. Все это обеспечивает длительное (не менее года) хранение АЭС в ждущем режиме с сохранением энергоресурса элементов электропитания (типа СЦ-21).

Активные элементы генератора сосредоточены в полупроводниковой интегральной микросхеме, представляющей собой (по классификации) управляемый девятнадцатиразрядный счетчик с переменным коэффициентом деления. Путем коммутации выводов интегральной микросхемы, можно обеспечить три режима ее работы, соответствующие трем модификациям АЭС.

Электроды базовой модели АЭС ЖКТ выполнены из стали 12Х18Н9 методом штамповки. При выборе материала электродов учтены требования токсикологической безопасности и возможно меньшей величины электродной поляризации в средах ЖКТ.

Во избежание нарушений синхронизации периодической активности различных участков стенки ЖКТ расстояние между электродами АЭС выбрано достаточно мальв 1 - 3 мм. Это позволило уменьшить амплитудные значения напряжения электростимуляции до значений, соизмеримых с напряжениями поляризации электродов.

Единственная публикация по применению АЭС ЖКТ для коррекции микроэлементного баланса живого организма [2] содержит сведения о введении в полость рубца бычков ионов меди, цинка, кобальта. Отмечено повышение концентрации микроэлементов и в содержимом рубца (кроме кобальта), и в венозной крови животных. Компоненты электродного материала базовой модели АЭС - железо, хром, никель - переходят в ЖКТ (за время экспозиции АЭС) в количествах существенно меньших среднестатистической нормы потребления организмом человека [1); по этой причине их влияние на микроэлементный статус и общефизиологическое состояние живого организма специально не исследовалось. Вместе с тем. с целью исключения избыточного поступления указанных компонентов в ЖКТ, Агафонниковым В.Ф. предложен АЭС с анодом, покрытым слоем необходимого живому организму микроэлемента - меди, цинка, кобальта, хрома [3]; некоторые производители АЭС ЖКТ распространили такой подход на др. материалы, в частности, серебро. Все это представляется не вполне корректным и

нуждается в дополнительном исследовании.

Спектр микроэлементов, необходимых для человека и сельскохозяйственных животных, достаточно широк, однако, эндемические заболевания (гипомикроэлементозы) обычно связаны с недостатком одного из эссенциальных микроэлементов. В настоящей работе исследовались микроэлементы цинк, селен и молибден, что обусловлено, во-первых, их значимостью для живого организма и, во-вторых, существенными различиями физико-химических свойств, позволившими более полно оценить возможности применения АЭС ЖКТ для введения в живой организм различных микроэлементов.

Анализ функционирования АЗС с различными электродами в схемотехническом аспекте удобно проводить на основе математических моделей с последующей проверкой результатов компьютерного моделирования в ходе всесторонних экспериментальных исследований. Для реализации такого подхода необходима разработка математических моделей генератора электрических импульсов и нелинейной динамической нагрузки АЭС ЖКТ. а также методик идентификации параметров моделей и последующих комплексных исследований АЭС. Сведения о моделировании АЭС ЮТ в литературе отсутствуют.

Вне живого организма в средах ЖКТ - желудочном соке, желчи -происходят биохимические процессы, проявляющиеся в изменении их электрохимических и др. свойств. Применение антисептиков для стабилизации сред нежелательно из-за их возможного влияния на коррозионные процессы. Поэтому для оценок адекватности моделей, предварительного анализа функционирования АЭС предпочтительнее модельные электролиты. В качестве такого электролита в настоящей работе выбран 1 % водный раствор соляной кислоты.

Традиционные осциллографические методики анализа функционирования АЭС [1] не обеспечивают получение точных количественных данных. Для идентификации параметров моделей, исследования функционирования АЭС с различными электродами в широком временном диапазоне. повышения точности данных и удобства их последующей обработки целесообразны разработка и использование системы экспериментального анализа на основе ПЭВМ.

В связи с изложенным - с целью изучения особенностей функционирования и изготовления АЭС''"ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлементов - основные задачи исследования определены следующим образом:

1) разработка структуры нелинейных математических моделей нагрузки генератора импульсов АЭС; выбор методик и идентификация параметров эквивалента генератора импульсов и моделей нагрузки: разработка алгоритмов и компьютерных программ реализации, анализ точности и адекватности моделей;

2) анализ на моделях распределения тока по площади электродов и в объеме электролита, кинетики тока и напряжения на выходе генератора импульсов, соотношения в импульсном токе на границе анод-электролит емкостной и активной компонент;

3) выбор способов изготовления электродов АЭС с эндогенным электрофорезом микроэлементов, анализ способов регуляции поступления микроэлементов в ЖКТ; модифицирование генератора электрических импульсов; разработка системы экспериментального анализа и исследование особенностей функционирования АЭС;

4) исследование эффективности применения АЗС ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлементов.

Во-второй главе - "Модели генератора импульсов и нагрузки автономного электростимулятора" - представлены структура и алгоритмы реализации нелинейных математических моделей нагрузки генератора импульсов АЭС, методики и результаты определения параметров моделей нагрузки и-эквивалента генератора импульсов, результаты реализации моделей. Модели вполне удовлетворительно описывают экспериментальные данные и применимы для анализа функционирования и оптимизации параметров АЭС с электродами из различных материалов. Динамическая нелинейная модель позволяет в импульсном токе на границах электрод-электролит выделить компоненты, обусловленные электродными процессами и заряжением двойного электрического слоя, что важно для оценок поступления микроэлементов в ШТ.

Рассмотрены три модели АЭС. Эквивалентная схема простой статической модели включает: эквивалент генератора импульсов - внутреннее сопротивление Шг) и идеальный источник напряжения (Ег); нелинейные сопротивления, отражающие анодную и катодную поляризации электродов; сопротивление электролитной среды.

Подобные простые модели применимы для оценки тока электростимуляции АЭС с различными электродными материалами - на основе аппроксимаций поляризационных характеристик, а также для оценки коррозионных электродных потенциалов - на основе характеристик

окисления металлов и восстановления деполяризаторов.

Распределенная статическая модель учитывает особенности формы и взаимного расположения электродов АЭС, предопределяющие неравномерное распределение плотности тока и напряжения поляризации по их поверхности. Для построения расчетной сетки распределенной модели, ввиду осевой симметрии АЭС, выбраны сферические и цилиндрические координаты.

Эквивалентная схема, отражающая структуру распределенной модели, включает радиальные - уг и тангенциальные - у1 компоненты электропроводности электролитной среды на шаге расчетной сетки и нелинейные проводимости уа.к- моделирующие локальные анодную и катодную поляризации электродов. Проводимости уг и у1 определяются интегрированием элементов объемной электропроводности электролита. Уа.к - из тафелевской или иной аппроксимации поляризационных характеристик. В модели, не учитывающей поляризацию электро-Д°в. Уа.к выступают как постоянные (большие) проводимости, по падению напряжения на которых определяются локальные токи 1а,к.

Для составления уравнений распределенной математической модели использовали метод узловых потенциалов (как наиболее подхо-ящий для расчетов на ЭВМ). Система узловых уравнений решалась методом последовательной верхней релаксации. Итерации осуществляли по формулам

ф^*1! ] = 0)<р+ (1-0)) Ф- ». а -1 УГ1.з-1 + <Рк 1л * 1 УГ1. л + +

+ ФЧчо.У'1.з> /<УГ1.з-1 + УГ1 .з + У*1-1.з + У11. л > : здесь ф - потенциал узла: к+1 - номер итерации:

1. 3 - координаты узла в тангенциальном и радиальном направлениях. соответственно: ш = 1.5+ 1,8- параметр релаксации: УгЛ - проводимости инцидентных узлу ветвей (для граничных узлов часть ветвей имеют нулевую проводимость). Итерации заканчивались, когда токи через поверхности электродов и в поперечных сечениях электролитной среды совпадали с точностью до трех первых значащих цифр.

Вычислительные эксперименты показали. что распределение платности тока по поверхности электродов и полный ток системы а«ктроды-электролит практически не зависят от шага расчетной

сетки - h при h < 0.04 см и числа узлов сетки в радиальном направлении - п при h>n 2,2 см.

Эквивалентная схема динамической модели включает: эквивалент генератора импульсов; емкости плотной и диффузной части двойного электрического слоя на аноде и катоде; нелинейные сопротивления, описывающие анодные и катодные электродные процессы; сопротивление электролитной среды.

В базисе узловых потенциалов, как известно, динамическую математическую модель можно представить в виде:

Y(<pnktj) Aq>Vi = -Нф\м.<Рк>. где фпк+1 - искомый вектор узловых потенциалов для (к+1)-го момента времени;

п - индекс ньютоновских итераций; Y - матрица проводимостей; Лф"к+1 - вектор поправок; Иф) - вектор узловых токов. Решается уравнение модели методом Ньютона: kmax соответствует моменту окончания анализируемой серии импульсов генератора АЭС.

Компьютерные программы реализации статических и динамической моделей имеют модульную структуру и написаны на языке Паскаль. Отладка программ проведена на тестовых задачах, имеющих точное аналитическое решение.

Для определения параметров эквивалента генератора импульсов измеряли нагрузочные характеристики генератора АЭС; при токах 4 * 10 мА внутреннее"сопротивление Rr и напряжение Ег составили, соответственно. 300 Ом и 3.7 В.

Удельную объемную электропроводность сред ЖКТ измеряли на частоте 3 кГц (для исключения поляризации электродов, наблюдаемой при постоянном токе). Установлено, что для желудочного сока при рН = 1 * 4 и температуре t = 30 50 °С

у0 = 15.800 - 2.744 рН + (6.405 - 0.055 рН) t, мСм /см; электропроводность желчи в зависимости от температуры аппроксимируется выражением

уо = 7.25 + 0.324 t, мСм /см. Емкости двойного слоя оценивали из измерений кинетики поляризации электродов при гальваностатическом включении и выключении. Использовали двухэлектродную электрохимическую ячейку, электроды изготавливали из исследуемого материала, площадь вспо-

могательного электрода превышала площадь исследуемого в 100 - 150 раз.

Замыкание исследуемого и вспомогательного электродов (после выключения поляризующего тока) резистором R интенсифицирует спад напряжения поляризации V. Заряд деполяризации Q определяли численным интегрированием тока на ПЭВМ методом трапеций. Для электродов из нержавеющей стали в 1 % растворе соляной кислоты оценки емкости двойного слоя по начальным участкам зависимостей V(Q), полученных при R = 5 + 40 Ом, на катоде дают величину 20 мкФ/смг, на аноде - 80 мкФ/смг.

Характерно наличие пиков (максимумов) V(Q), смещающихся в область больших значений Q с уменьшением сопротивления R. Подъем V(Q) для разных значений R начинается с различных потенциалов электрода и при больших R не наблюдается вообще, что свидетельствует о связи пиков с кинетическими факторами. Для окончательного установления природы пиков перспективны исследования на полупроводниковых электродах с использованием (предложенного автором) двухимпульсного, а также др. методов анализа, позволяющих разделять "быстрые" и "медленные" процессы релаксации. Предположительно происхождение пиков можно объяснить десорбцией специфически адсорбированных частиц.

Для оценки адекватности иерархического ряда математических моделей АЭС сопоставлены результаты вычислительных и натурных экспериментов. Измерения локальной поляризации проводили в трех точках образующей электродов АЭС из нержавеющей стали в 1 % соляной кислоте. Использовали трехэлектродную электрохимическую ячейку с капилляром Луггина от хлорсеребряного электрода сравнения (для измерения напряжения поляризации) и платиновым вспомогательным электродом. По результатам статистической обработки серий из восьми измерений относительная погрешность напряжения поляризации с надежностью вывода 95 % не превышала 3.5%. Расчетные данные на основе распределенной статической модели получены при h = 0.036 см, п « 80, Ус - 0.02 См /см, ак = 0.88 В, Ьк = 0.07 В, аа = 1.2 В. Ьа = 0.03 В.

Отклонение расчетных и экспериментальных данных для цилиндрической части электрода-колпачка не превышает погрешности эксперимента. Заметное несоответствие для вершины полусферической части устраняется, если учесть в модели экранирующее действие капил-

ляра Луггина. Учет достигается путем исключения из расчетной сетки соответствующих капилляру узлов. Необходимость такой коррекции обусловлена весьма быстрым увеличением уг по мере удаления от сферической поверхности. Для цилиндрической части электрода экранирующее действие капилляра менее выражено.

Расчетное распределение тангенциального тока по сечению электролита в средней части АЭС от величины тока зависит слабо. Неравномерность распределения плотности тока по поверхности электродов, обусловленная особенностями их формы и взаимного расположения, в рабочем диапазоне токов электростимуляции существенно сглаживается из-за нелинейности поляризационной характеристики электродного материала нержавеющей стали - в 1 % соляной кислоте. Без учета поляризации электродов АЭС электросопротивление системы электроды-электролит пропорциональна удельному объемному сопротивлению электролита с коэффициентом 0.19 см"1 и не зависит от тока, а плотность тока максимально концентрируется по краю электрода-колпачка.

Экспериментальные и расчетные кинетические кривые напряжения или тока на выходе генератора базовой модели АЭС имеют одинаковую форму; количественное расхождение (погрешность нелинейной динамической модели нагрузки генератора) не превышает 10 %. Под действием пакета из 16 импульсов генератора АЭС доля емкостного тока от 1-го импульса к 16-му закономерно уменьшается, так как в паузах между импульсами емкость двойного слоя разряжается не полностью. Для первых трех импульсов генератора АЭС доля емкостного тока на аноде составляет практически 100 %. в среднем за 16 импульсов пакета - около 63 % полного тока.

Увеличение доли емкостного тока на электроде возможно за счет интенсификации разряда емкости двойного слоя в паузах между импульсами тока. Управлять процессом разряда можно путем изменения внутреннего сопротивления генератора АЭС.

В третьей главе - " Модифицирование автономных электростимуляторов желудочно-кишечного тракта" - рассмотрены вопросы модифицирования электродов и генератора импульсов АЭС ЖКТ, содержатся описания подготовки объектов, аппаратного и программного обеспечения, методик и результаты исследования функционирования АЭС. Показано, что покрытие электродов АЭС ЖКТ из нержавеющей стали цинком, селеном, применение молибдена в качестве электродного ма-

териала не ухудшают основные характеристики АЭС. Обсуждены эффект локальных токов, обусловленных макродефектами покрытий, способы регуляции поступления микроэлементов в ЖКТ.

В качестве электродных материалов АЭС могут выступать сами микроэлементы или содержащие их сплавы при условии, что они обладают необходимыми электропроводностью, электрохимическими и конструкционными свойствами и за время экспозиции в ЖКТ гарантированно не перейдут в организм в количествах, способных вызвать отравление или гипермикроэлементоз. Поскольку далеко не все эссенци-альные микроэлементы удовлетворяют этим требованиям, в ряде случаев предпочтительнее изготовление электрода-основы из нейтрального, достаточно инертного материала с последующим нанесением покрытия, содержащего микроэлемент (или микроэлементы) в оптимальной дозе. Нанесение покрытия может быть осуществлено электрохимически или из газовой фазы, причем как на всю поверхность, так и на часть поверхности основы.

Структура и свойства покрытий зависят, как известно, от толщины и условий осаждения. Поскольку импульсный ток электростимуляции варьироваться не должен, для регуляции скорости коррозии и поступления микроэлементов в ЖКТ можно, во-первых, изменять площадь. толщину и условия нанесения покрытий, во-вторых, использовать локальные элементы, созданные для этой цели на поверхности электродов АЭС (нанесением материалов с соответствующими электродными потенциалами), в третьих, управлять внутренним сопротивлением генератора в паузах между импульсами тока.

В гибридной микросхеме генератора импульсов АЭС ЖКТ бескорпусные навесные элементы - конденсатор КС-цепи и полупроводниковая микросхема - приклеиваются на подложку, на поверхность которой нанесены толстопленочные резисторы и проводники. С целью повышения надежности функционирования и технологичности изготовления АЭС на основании технического задания, разработанного с учетом результатов моделирования, создана полупроводниковая интегральная схема генератора. Поскольку изготовление КС-цепи с большой постоянной времени в твердотельном варианте сопряжено с известны!® трудностями, это потребовало увеличения частоты задающего автогенератора (до 10 кГц) и соответствующего усложнения схемы делителя частоты.

Образцы АЭС изготавливались в двух вариантах - для человека

и сельскохозяйственных животных. Микроэлементы цинк и селен наносили перед сборкой АЭС на электроды из нержавеющих сталей 12Х18Н9 или 17Х18Н9 (цинк - электрохимически, селен - термическим испарением в вакууме). Молибденовые электроды изготавливали из молибденовой ленты.

Исследование кинетики тока и напряжения электростимуляции проводили на пустых капсулах с различными электродами в 1 % растворе соляной кислоты. Источником электрических импульсов служил собственный генератор АЭС. Ток определяли по падению напряжения на измерительном резисторе.

Для регистрации напряжения на электродах и измерительном резисторе. а также для определения параметров математических моделей разработан автоматизированный измерительный комплекс, включающий широкополосный измерительный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). ПЭВМ и согласующее устройство. Последнее осуществляет периодический запуск АЦП по командам с ПЭВМ (до 8000 раз в секунду) и передачу в порт ПЭВМ значений исследуемого сигнала в цифровой форме. Согласованную работу ПЭВМ и АЦП. размещение результатов измерений в оперативной памяти ПЭВМ, их предварительную обработку, графическое представление, вьвод в удобном для пользователя виде обеспечиваются программой, написанной на языке Паскаль.

Анодно-катодные поляризационные характеристики электродов исследовали ..отенциодинамическим методом при скорости развертки 1 мВ/ с. Использовались потенциостат П-5848, трехэлектродная электрохимическая ячейка, хлорсеребряный электрод сравнения ЭВЛ-1М1 и платиновый вспомогательный электрод.;

Эксперименты показали, что поляризация электродов с цинковым покрытием заметно меньше, чем электродов из нержавеющей стали 12Х18Н9; связанное с этим увеличение амплитуды импульсов тока достигает до 30 %, форма импульсов напряжения и тока - близка к прямоугольной. После полного растворения покрытия параметры импульсов соответствуют АЭС с электродами из нержавеющей стали.

Исследования поверхности покрытий в металлографическом микроскопе после экспонирования электродов в растворе соляной кислоты обнаруживают нарушения сплошности. 8 покрытиях из селена возникают значительные механические напряжения. Обсуждены возможные механизмы возникновения нарушений сплошности покрытий (пор) и не-

ханических напряжений.

Стационарный потенциал электродов с покрытием из селена составляет -{0.25-5-0.40) В; разброс значений обусловлен нарушениями сплошности покрытия и участием основы в установлении электрохимического равновесия. При потенциалах до 0.3 В селен анодно инертен и растворяется в катодном цикле по реакции

Бе + 2 Н+ + 2 е - Нг5е. Поляризационные характеристики электродов с покрытием из цинка и электродов из молибдена определяются анодным растворением металла и выделением водорода.

Неоднородности стационарного потенциала по поверхности покрытий из цинка и селена, обусловленные порами и др. макродефектами, приводят к возникновению локальных токов. Локальные токи протекают через прилегающие к электроду слои электролита от покрытия к нержавеющей стали, т. е. способствуют коррозии покрытия и разрастанию пор. При этом доза микроэлемента - материала покрытия, перешедшего в электролит с электродов АЭС за время экспозиции, -в значительной степени определяется локальными токами и ограничивается массой покрытия. Нанесение на электроды АЭС покрытия, стационарный потенциал которого выше, чем у основы, может увеличить скорость коррозии основы.

Таким образом, ввод микроэлемента при функционировании АЭС в ЖКТ происходит не только "за счет электрохимического эффекта, возникающего при протекании тока между электродами через проводящие среды и ткани" [31: большое значение могут иметь и локальные токи. По этой же причине для электродов АЭС из нержавеющей стали сомнительным представляется защитный эффект покрытий из золота и др. благородных металлов, рекламируемый некоторыми производителями АЗС ЖКТ. Локальные токи через поры, неизбежно присутствующими в таких покрытиях ввиду их малой толщины, приводят к отслоению покрытий и ускоренной коррозии основы. Прямое подтверждение этому можно найти в табл. 5 из работы [2]: после 72-часовой экспозиции в рубце бычков АЭС с анодом из нержавеющей стали с медным покрытием содержание железа в крови животных - (330.6±11.44) мг/ кг -несколько превышает аналогичный показатель после экспозиции АЭС с электродами без покрытия - (314.5+24.04) мг/ кг.

Четвертая глава - "Исследование эффективности применения автономных электростимуляторов с эндогенным электрофорезом микро-

элементов" - содержит описание методик и результаты научно-хозяйственных и клинико-экспериментальных исследований эффективности использования АЭС ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлементов в нормализации сперматогенеза у хряков (АЭС с цинком), обмена веществ у бычков на откорме (АЭС с селеном и молибденом), нормализации биохимических показателей у больных сахарным диабетом (АЭС с цинком). Положительные результаты исследований свидетельствуют о правильности принятых технических решений.

Исследование эффективности применения АЗС предполагает организацию, ведение и переработку больших массивов информации. В работе использованы система баз данных, разработанная на основе реляционной СУБД R:base for DOS v. 2.11, а также более простая система учета и обработки, включающая устройство дистанционного ввода данных в ПЭВМ в фоновом режиме и программу статистического анализа, написанную на языке Паскаль.

Влияние АЭС ЖКТ с эндогенным электрофорезом ионов цинка на сперматогенез исследовали в совхозе "Томский" на хряках-производителях пород "Крупная белая", "Немецкий ландрас". "Дюрок". Хрякам опытной группы дважды (с интервалом в две недели) вводили АЭС ЖКТ с цинком посредством болюсодавателя. Результаты оценивали по ' объему и качеству эякулята у хряков опытной и контрольной групп.

Объем эякулята корректировали с учетом степени последующего разбавления путем введения поправочных коэффициентов: густая сперма - 5; средняя - 3; редкая - 1.5; брак - 0. Время наблюдений после введения хрякам АЭС ЖКТ делили на интервалы (по 48 дней в каждом), результаты наблюдений для каждого из интервалов подвергали обычной статистической обработке на ПЭВМ; доверительные интервалы значений объемов эякулята вычисляли с надежностью 95%. Перед статистической обработкой объемы эякулята нормировали на средние значения для данного хряка, полученные за месяц до применения АЭС ЖКТ (в интервале 0). Изначально хряки контрольной группы имели более высокие показатели (см. табл. 1), поскольку электростимуляции подвергались далеко не лучшие производители.

По результатам двухлетних наблюдений применение АЭС с эндогенным электрофорезом ионов цинка благоприятно сказывается на общефизиологическом состоянии животных, повышает их половую активность и объем (до 30 %) эякулята. Иропангированность аффекта однократного применения АЭС по указанной методике - не немее полу-

Таблица 1

Среднее количество разбавленной спермы на одну эякуляцию у хряков основной и контрольной групп за месяц до начала электростимуляции, мл

Крупная Немецкий Дюрок Без деления

белая ландрас по породам

Основ- Конт- Основ- Конт- Основ- Конт- Основ- Конт-

ная рольная ная рольная ная рольная ная рольная

616±78 678185 669164 665±127 439+108 714+205 586+52 681+65

года (см. табл. 2). Активность сперматозоидов у хряков как опытной. так и контрольной групп составляла от 5 до 8 баллов: существенных различий средних за временной интервал значений активности не обнаружено. Отмечены некоторое снижение числа прохолостов и повышение многоплодия при использовании для осеменения свиноматок эякулята хряков опытной группы.

Таблица 2

Динамика прироста разбавленной спермы на одну эякуляцию

Ин- Крупная Немецкий Дюрок Без деления тер- белая ландрас по породам вал __!_

Основ- Конт- Основ- - Конт- Основ- Конт- Основ- Конт-

ная рольная ная рольная ная рольная ная рольная

0 0±57 0+55 0+54 0+ 20 . 0+92 0+108 0138 0140

1 149+47 -25+76 70±94 -188+164 82+49 -1351125 118134 -70+61

2 134+59 40+52 139+85 -149+143 109+57 -109+ 84 129139 -15146

3 137±56 121+83 101+99 -127+113 94+76 -108+ 95 119141 32+62

4 158+62 18+91 122+64 -44+109 48+89 -1831111 122144 -35165

5 200+91 96+76 95+81 -145+185 37+67 -951103 135154 19+63

6 58+61 93+99 39+78 -119+158 39+61 -421104 49139 30+72

7 77+76 77+84 32+99 -136+142 -7 ±65 -126+ 88 46149 3163

Исследования АЭС с эндогенным электрофорезом микроэлементов

селена и молибдена проводили в опытно-производственном хозяйстве "Боровское". Были подобраны девять бычков черно-пестрой породы в возрасте 12-13 месяцев живой массой 350 кг и разделены на группы: 1 группа - контрольная, 2 и 3 - опытные. Животные подбирались по принципу аналогов в отношении возраста и живой массы. Продолжительность опыта 90 дней. Животным опытных групп один раз в неделю вводили при помощи болюсодавателя АЗС ЖКТ с селеном (2 группа) и молибденом (3 группа). Все животные содержались в одинаковых условиях и получали идентичный рацион.

Для изучения морфобиохимических показателей, характеризующих состояние пищеварительных и обменных процессов, от подопытных животных за 1 час до утреннего кормления брали пробы содержимого рубца и крови из яремной вены. Исследования проводились по общепризнанным методикам.

Установлено, что системное применение АЭС бычкам на откорме активизирует моторную функцию преджелудков, увеличивает ферментативную и синтетическую активность микрофлоры содержимого рубца, положительно влияет на образование общего количества летучих жирных кислот и их молярное соотношение в сторону увеличения пропио-ната. Активизация функциональной деятельности пищеварительного тракта способствует рациональному течению обменных процессов в организме животных и более эффективному использованию питательных веществ кормов на прирост живой массы. Среднесуточный прирост живой массы бычков в контрольной группе составил 900 г, при применении АЭС с селеном - 1022 г (больше на 13.5 %) и при применении АЭС с молибденом - 966 г (больше на 7.3 %).

Положительные результаты/ полученные на животных, позволили перейти к клиническим исследованиям.

Известно, что цинк усиливает гипогликемический эффект инсулина, стабилизирует его молекулу и предохраняет его от разрушения инсулиназой. В Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова исследовалось применение АЭС с эндогенным электрофорезом микроэлемента цинка в комплексе с медикаментозными средствами для лечения сахарного диабета (СД). Масса цинка на аноде АЭС составляла 10-15 мг, что соответствует среднестатистической суточной норме потребления организмом человека.

Исследования показали, что применение АЭС в комплексе с медикаментозными средствами оказывает положительное влияние на уро-

вень глюкозурии, гликемические профили, содержание в сыворотке крови холестерина, триглицеридов, липопротеидов высокой и низкой плотности.

В развитие исследований на животных, оценивали влияние АЭС ЖКТ на действие половых желез больных СД - по содержанию в сыворотке крови тестостерона, эстрадиола, фолликулостимулирующего и литеинезирующего гормонов.

Обычно у больных СД угнетена половая функция. Установлено, что использование АЭС с эндогенным электрофорезом цинка существенно (до 100 %) повышает уровень половых гормонов в сыворотке крови при одновременном понижении уровня гонадотропинов.

Повышение уровня половых гормонов происходит до значений, не превышающих нормальные показатели, что открывает возможность применения АЭС с эндогенным электрофорезом цинка для нормализации функции половых желез.

Исследования АЭС с эндогенным электрофорезом микроэлемента цинка в Сибирском медицинском университете и Медицинском институте Чувашского государственного университета также дали положительные результаты; АЭС рекомендован к серийному производству и внедрению в медицинскую практику.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны нелинейные математические модели нагрузки генератора импульсов АЭС ЖКТ. Модели адекватно отражают электродные процессы и применимы для анализа функционирования АЭС в схемотехническом аспекте.

2. Доля емкостного тока на аноде АЭС ЖТ базовой модели в 1 % соляной кислоте под действием первых трех импульсов генератора составляет практически 100 %. в среднем за 16 импульсов пакета -около ба % полного тока и зависит от внутреннего сопротивления генератора. Без учета поляризации электродов сопротивление нагрузки генератора пропорционально удельному объемному сопротивлению электролитной среды с коэффициентом 0.19 см"1.

3. Неравномерность распределения тока по поверхности электродов АЭС базовой модели, обусловленная особенностями их формы и взаимного расположения, в рабочем диапазоне токов электростимуляции сглаживается из-за нелинейности поляризационной характеристи-

ки системы электрод-электролит.

4. Распределение тока в объеме электролита от величины тока зависит слабо; заметное растекание тока происходит на расстоянии от поверхности, не превышающем длины АЭС.

5. Разработаны модификации АЭС ЖКТ (с использованием современной элементной и технологической базы), обеспечивающие введение в организм человека и сельскохозяйственных животных микроэлементов цинка, селена, молибдена на фоне электростимуляции ЖКТ.

6. Покрытие электродов из нержавеющей стали слоем цинка или селена не ухудшает основных характеристик АЭС. Доза микроэлемента - материала покрытия, введенного за время экспозиции в ЖКТ, - в значительной степени определяется локальными токами, обусловленными нарушениями сплошности слоя, и ограничивается массой покрытия.

7. Регуляция процессов коррозии и поступления микроэлементоз в ЖКТ возможна путем изменения площади, толщины, условий нанесения покрытий, др. параметров локальных элементов, создаваемых на электродах, а также путем изменения внутреннего сопротивления генератора АЭС.

8. По результатам двухлетних наблюдений на хряках-производителях применение АЭС ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлемента цинка благоприятно сказывается на общефизиологическом состоянии животных повышает их половую активность, объем (до 30 %) и качество эякулята.

9. Системное введение АЭС ЖКТ с селеном и молибденом бычкам на откорме активизирует моторную Функцию преджелудков, увеличивает ферментативную и синтетическую активность микрофлоры содержимого рубца, способствует рациональному течению обменных процессов в их организме и более эффективному использованию питательных веществ кормов на прирост живой массы.

10. Применение АЭС ЖКТ с цинком в комплексе с медикаментозными средствами оказывает положительное влияние на липидный состав крови больных сахарным диабетом, гликемические профили, уровень глюкозурии. АЭС ККТ с цинком повышают уровень половых гормонов в сыворотке крови больных сахарным диабетом до значений, не превышающих нормальные показатели.

Положительные результаты исследований применения АЭС ЖКТ с эндогенным электрофорезом микроэлементов свидетельствуют о пра-

вильности принятых технических решений.

На электростимулятор автономный для животных АЭС-й разработаны технические условия {ЯЮКЛ.944414.001 ТУ) и инструкция по применению (ЯЮКЛ.944414.001 И). С целью госрегистрации технических условий на АЭС ЖКТ с цинком для человека проведены технические и клинические испытания. По результатам проведенных испытаний АЭС ЖКТ рекомендованы к серийному производству.

Основные результаты работы изложены в публикациях:

1. Агафонников В.Ф., Романовский М.Н. Новый способ коррекции электролитного состава крови // Научно-практич. конф. "Новые методы диагностики и лечения заболеваний, медицинская техника": Тез. докл. - Новосибирск. 1993. - С. 3.

2. Агафонников В.Ф., Романовский М.Н. Автономный электростимулятор желудочно-кишечного тракта с внутренним электрофорезом микроэлементов // 49-я научная сессия РНТОРЭС им. А.С. Попова, посвященная дню радио: Тез. докл. Часть 2. - Москва, 1994. - С. 102.

3. Агафонников В. Ф., Романовский М. Н. Влияние автономных электростимуляторов желудочно-кишечного тракта с эндогенным электрофорезом ионов цинка на сперматогенез // Медицинский журнал Чувашии. - 1995. - Н 3-4. - С. 126-132.

4. Аббасов М.М.» Моллекер В.В.. Романовский М.Н. Моделирование автономного электростимулятора (АЭС) // Областная научно-практическая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям: Тез. докл. - Томск, 1995. - с. 5.

5. Шубенкин С.С.. Романовский М.Н. Влияние электростимуляции с введением ионов цинка на сперматогенез у хряков-производителей // Областная научно-практическая конференция молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям: Тез. докл. - Томск, 1995. - С. 12.

6. Агафонников В.Ф., Еранов A.M., Романовский М.Н. Использование автономных электростимуляторов в нормализации процесса сперматогенеза у хряков // Проблемы и пути повышения продуктивности животноводства Сибири. - Новосибирск, 1995. - С. 123-126.

7. Агафонников В.Ф.. Еранов A.M., Романовский М.Н. Применение автономных электростимуляторов желудочно-кишечного тракта для

нормализации обмена веществ у бычков на откорме // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 1996. - N1-2. - С. 73-78.

8. Агафонников В.Ф., Налесник О.И., Романовский H.H. Распределение плотности тока по поверхности электродов автономного электростимулятора желудочно-кишечного тракта // Медицинская техника. - 1996. - N 5. - С. 28-31.

9. Романовский М.Н.. Захаров И.С.. ШироковА.А.. Поцелуева Л.П. Двухнмпульсный метод исследования генерационных процессов в структуре антимоннд индия - анодный окисел // Радиотехника н электроника. - 1986. - Т. 31. -HI. - С. 211-213.

10. Agafonnikov V.F.. Balabolkin М.I.. Damhaev G.C.. Roma-novsky M.N. The influence endogenios electrodiffusion microelements Cr and Zn on diabetes mellitus // The 4-th Russia-Japan International Medical Symposium: Abstracts. - Ircutsk, 1996. - P. 270.

1. Автономные электростимуляторы организма человека и животных / В.В. Пекарский. В.Ф. Агафонннков. Г.Ц. Дамбаев и др. -Томск: изд. ТПУ. 1995. - 132 с.

2. Агафонников В.Ф., Еранов A.M., Поталенков С.С. Использование автономных электростнмуляторов в нормализации процессов пищеварения и обмена у тавотных // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 1991. с? ИЗ. - С. 62-68.

3. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта / В.Ф. Агафонников. Патент РФ N 2036671, 1995 г.

Цитируемая литература

Заказ »62 Тире* 100 ТУСУР г. Томск