В.Б. Байбурин1, А.И. Тома2, В.П. Мещанов3, М.И. Балакин4, С.Л. Чернышев5, В.М. Дорошенко6, В.В. Комаров7, А.А. Никифоров8, И.О. Лунева9, В.А. Киркица10

1,4,6–8,10 Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина (г. Саратов, Россия)
2 ФГБУ «Объединенная больница с поликлиникой» Управления делами Президента Российской Федерации (Москва, Россия)
3 ООО НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов, Россия)
5 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) (Москва, Россия)
9 Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского (г. Саратов, Россия)
1baiburinvb@rambler.ru,2 al_toma@mail.ru, 3nika373@bk.ru, 4balakinmaxim@gmail.com, 5 chernshv@bmstu.ru, 6dorvalentina9@gmail.com, 7vyacheslav.komarov@gmail.com, 8 ieei_director@mail.ru, 9microbe. sgmu@ mail.ru, 10SKrkts@mail.ru

Постановка проблемы. Одним из актуальных направлений применения электромагнитного излучения сверхвысоких частот (СВЧ) является стерилизация (обеззараживание) биомедицинских объектов и пищевого сырья. Подавляющее большинство известных в России и мире стерилизаторов используют принципы термического воздействия и требуют длительного времени обработки (не менее часа). Эти установки стационарны, имеют большие габаритные размеры и вес. Поэтому особый интерес вызывает возможность применения в процессах стерилизации электромагнитного излучения, отличающегося легкостью управления, безынерционностью, избирательностью, энергетической и экономической эффективностью. Указанные свойства открывают возможность создания мобильных сверхбыстродействующих стерилизаторов с малыми габаритными размерами и весом, приспособленных к ручной транспортировке. Такие стерилизаторы способны обеспечить оперативность медицинской помощи не только в повседневной практике клиник, амбулаторных пунктов, но и в полевых госпиталях, в зонах военных конфликтов и в условиях чрезвычайных ситуаций.

Цель работы – экспериментальное и теоретическое обоснование возможностей создания сверхбыстродействующего (время обработки – несколько минут) СВЧ-стерилизатора с простейшей технологией применения, компактного по габаритным размерам, с малым весом, удобным в том числе для ручной транспортировки, а также создание экспериментальной установки низкоинтенсивного импульсного воздействия и ее применение для обработки биологических материалов.

Результаты. Разработана экспериментальная установка, позволяющая подавать на исследуемые биомедицинские объекты электромагнитное излучение как в режимах непрерывной генерации, так и в импульсных режимах. Подобраны параметры контейнеров для помещения в них объектов стерилизации. Найдены режимы полной стерилизации исследуемых объектов. Построены математические модели расчета элементов волнового тракта, рабочей камеры, магнетронного генератора. На основе численной математической модели магнетрона показана возможность разработки магнетрона мощностью 1,5 кВт в непрерывном режиме, что позволит увеличить количество стерилизуемых объектов и сократить время обработки. Разработана математическая модель магнетрона в терагерцевом диапазоне, применимая для решения прикладных задач медицины.

Практическая значимость. Полученные результаты подтверждают возможность создания стерилизационных установок, обеспечивающих их высокоэффективное применение в клинических и полевых условиях и соответствующих целям, поставленным в данной работе. Проведенные экономические оценки себестоимости стерилизаторов медицинских инструментов лежат в интервале от 20-25 тыс. рублей, что способствует их массовому выпуску и созданию значительного числа рабочих мест.

1. Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ-электротермии. Саратов: Научная книга, 2011. 560 с.
2. Девятков Н.Д. Применение электроники в медицине и биологии // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1993.
   № 1(455). С. 67–76.
3. Кудряшов Ю.Б., Перов Ю.Ф., Рубин А.Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. М.: Физматлит. 2008. 184 с.
4. Семенов А.С., Байбурин В.Б. СВЧ-энергия и ее применение: особенности, оборудование, технологические процессы. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 1999. 114 с.
5. Patent (US) № 5019344. Method for sterilizing articles such as dental handpieces / B.S. Kutner, D.A. Latowicki. Filed 21.04.1988; Pub. 28.05.1991.
6. Patent (US) № 5019359. Method and apparatus for rapid sterilization of material / B.S. Kutner, D.A. Latowicki. Filed 22.11.1989; Pub. 28.05.1991.
7. Патент (РФ) на изобретение № 2130319 от 20.05.1999 г. Способ быстрой стерилизации медицинских инструментов / В.Б. Байбурин, Б.Н. Максименко, А.А. Терентьев и др.
8. Патент (РФ) на изобретение № 45271 от 10.05.2005 г. Устройство сверхбыстрой стерилизации медицинских инструментов / В.Б. Байбурин, В.В. Тертышник, Г.М. Шуб и др.
9. Байбурин В.Б. СВЧ-энергия в задачах практической медицины // Актуальные вопросы биомедицинской инженерии: Сб. материалов IV Всерос. науч. конф. Саратов: ИЦ «Наука». 2014. С. 178–181.
10. Патент (РФ) на полезную модель № 136818 от 20.01.2014 г. Устройство для стерилизации медицинских инструментов / В.Б. Байбурин, В.В. Тертышник.
11. Байбурин В.Б., Терентьев А.А., Лунева И.О, Михайлин А.Ю. Исследование стерилизующего эффекта СВЧ-излучения на фармакологические материалы // Электротехнология на рубеже веков: Материалы науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ. 2001. С. 77–79.
12. Байбурин В. Б. Тертышник, В. В., Шуб, Г. М., Лунева, И. О., Хороводова, Н. Ю. Стерилизация медицинских инструментов на основе СВЧ-электротехнологии // Вопросы электротехнологии. 2018. № 2. С. 5–8.
13. Baiburin V.B., Balakin M.I., Luneva I.O., et al. Experimental study of the sterilization capabilities of various methods of microwave exposure to medical instruments. Proceedings of the International IEEE Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). Saratov. 2022. V. 1. Р. 170–172.
14. Байбурин В. Б., Балакин М.И., Комаров В.В., Лунева И.О., Никифоров А.А., Мещанов В.П. Быстрый метод полной деконтоминации в СВЧ-электромагнитном поле // Вопросы электротехнологии. 2022. № 2 (35). С. 27–30.
15. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П. Моделирование электродинамических параметров микроволнового стерилизатора // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2022. Т. 25. № 4. С. 52–58. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.4.52-58.
16. Еремин В.П., Ершов А.С., Байбурин В.Б., Балакин М.И., Шелудяков Д.А., Мещанов В.П. Анализ возможностей создания магнетрона повышенной мощности для СВЧ-стерилизатора на основе математической модели и экспериментального образца // Вопросы электротехнологии. 2022. №3 (36). С. 39–43.
17. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П., Балакин М.И., Киркица В.А. Аналитические модели резонанса Фано для частотно-селективных поверхностей СВЧ-диапазона // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 10. С. 155–164. DOI:https://doi.org/ 10.18127/j00338486-202210-18.
18. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы и реализации) / Под ред. Г.А. Морозова и Ю.Е. Седельникова. М.: Радиотехника. 2003. 112 с.
19. Гуляев Ю.В., Мещанов В.П., Ёлкин В.А., Кац Б.М., Комаров В.В., Коплевацкий Н.А., Лопатин А.А., Рытик А.П., Саяпин К.А., Байбурин В.Б., Чернышев С.Л. Разработка комплекса низкоинтенсивного микроволнового облучения водосодержащих биологических материалов и его применение // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. Т. 76. № 6. С. 5–12. DOI: https://doi.org/10.18127/ j20700784-202206-01.
20. Ёлкин В.А., Тома А.И., Комаров В.В., Мещанов В.П., Алтухов П.Л. Лечебно-диагностическая технология восстановления поврежденных участков спинного мозга // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023. Т. 26. № 1. С. 45–53. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j15604136-202301-05.
21. Son J.-H. Terahertz biomedical science and technology – NY: CRC Press, 2014–377 p.
22. Байбурин В.Б., Черепанов П.Д., Мещанов В.П., Комаров В.В., Балакин М.И. Математическая модель перспективного генератора магнетронного типа в терагерцевом диапазоне частот // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. Т. 76. № 10. С. 39–45. DOI: https://doi.org/10.18127/ j20700784-202210-04.
23. Капица П.Л. Электроника больших мощностей // Успехи физических наук. 1962. Т. 78. № 10. С. 181–265.