1.3. Магнитные поля и магнитотерапевтические устройства

1.3.1. Источники и природа магнитных полей, используемых в медицине

В природе на живые организмы постоянно воздействуют различные по природе и характеру магнитные поля естественного и искусственного происхождения: геомагнитное поле земли, магнитные бури, поля создаваемые электростанциями, линиями электропередач, радиопередающими устройствами и др. В общем виде они характеризуются электрической и магнитной составляющими, которые в определенных условиях можно рассматривать отдельно.

Постоянное электрическое поле образуется в пространстве вокруг неподвижного заряда. Силовые линии поля либо начинаются и оканчиваются на электрических зарядах, либо одним концом уходят в бесконечность.

Во всех точках пространства, окружающего движущийся электрический заряд (электрический ток) существует магнитное поле, магнитные силовые линии которого могут быть либо замкнутыми, либо простираются из бесконечности в бесконечность. Постоянное магнитное поле образуется постоянным электрическим током или возбуждается постоянным магнитом.

В системе, характеризующейся переменным током или переменным зарядом, возникает электромагнитное поле, имеющее две компоненты: электрическую и магнитную составляющие. Соотношение между компонентами зависит от физической природы источника поля и от расстояния до источника. Магнитные поля создаются индуктивными элементами – катушками, а электрические поля – емкостными элементами. Раздельное действие электрического и магнитного полей наблюдается при сравнительно медленном их изменении в так называемой ближней зоне (зоне индукции), которая характеризуется условием:

R  ,

где R – наибольшие габариты объекта или наибольшее расстояние от источника поля;

 – длина волны.

В ближней зоне электромагнитная волна не сформирована, излучение не происходит и поле быстро убывает по мере удаления от источника.

В магнитотерапии используются низкочастотные электромагнитные поля, создаваемые индукторами – соленоидами или индукторами-электромагнитами в диапазоне частот от инфранизких до 10 кГц. Длина волны, соответствующая частоте 10 кГц составляет 30 км, что намного превышает размеры живых объектов и расстояние от них до источников магнитного поля. Следовательно, воздействие на биологические объекты происходит в ближней зоне и можно отдельно рассматривать электрические и магнитные поля.

Так для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используется постоянное электрическое поле (франклинизация), магнитное поле с частотой 10-40 МГц (индуктотермия), электрическое поле 20-25 МГц (УВЧ-терапия). Возможность раздельного действия электрического и магнитного полей сохраняется вплоть до высоких частот. Во всех применяемых в медицине аппаратах для магнитотерапии воздействие осуществляется практически чистым магнитным полем.

Степень воздействия магнитного поля на биологические объекты во многом определяется его формой. Различают однородное и неоднородное поле.

Если магнитная индукция не изменяется в пространстве, поле называется однородным. В однородном поле векторы магнитной индукции имеют одинаковые величину и направлены так, что градиент магнитной индукции равен нулю. Основными характеристиками однородного поля, кроме величины и направления вектора магнитной индукции являются объем поля и неоднородность в этом объеме – наибольшее процентное отклонение магнитной индукции от номинальной. Однородное поле можно получить в центральной части полости длинного соленоида или между плоскими полюсами постоянного магнита или электромагнита, если объем и линейные размеры их значительно превышают расстояние между полюсами и габариты объекта. Наилучшее по однородности поле в заданном объеме и с заданной неоднородностью получают с помощью так называемых скомпенсированных катушек, из которых наиболее распространены катушки Гельмгольца (соосно расположенные соленоиды у которых разноименные полюса установлены друг против друга). Однородные магнитные поля используют при физиологических исследованиях, а в практике магнитотерапии их применение ограничено. В промышленных магнитотерапевтических устройствах применяют неоднородное поле, т.к. они имеют более высокую магнитобиологическую активность. Значение магнитной индукции в каждой точке поля определяется составлением картины поля.

Основными видами магнитных полей, используемых в медицинских целях, являются следующие.

Постоянное магнитное поле, индукция которого не изменяется во времени. В каждой точке пространства вектор этого поля остается постоянным по величине и направлению. Поле создается либо постоянным магнитом, либо постоянным электрическим током, протекающим по проводнику. Любой источник такого поля имеет северный и южный полюса, причем биологическое действие этих полюсов неодинаково.

Переменное магнитное поле образуется с помощью индукторов при питании их переменным током. В каждой точке этого поля направление и значение вектора магнитной индукции изменяется в соответствии с законом изменения тока. Магнитное поле, образуемое при питании индуктора от промышленной сети переменного тока или от специального генератора синусоидальных колебаний является моногармоническим, называется синусоидальным магнитным полем и используется в большинстве магнитотерапевтических аппаратов.

Пульсирующее магнитное поле является частным случаем переменного, у которого вектор магнитной индукции изменяется по уровню, но не изменяется по направлению. Такое поле образуется в индукторе при питании его пульсирующим током, полученным, например, в результате одно или двух полупериодного выпрямления. Это поле является полигармоническим и его спектр содержит несколько гармонических составляющих.

Вращающееся магнитное поле характеризуется тем, что вектор магнитной индукции перемещается в пространстве (например относительно поверхности формообразующего цилиндра). Вращающееся поле может быть как моногармоническим, так и пульсирующим. Оно создается с помощью трех или многофазных преобразователей. При этом индукторы располагаются либо по окружности (для локальных воздействий), либо по образующей цилиндра (для общих воздействий).

Импульсное магнитное поле формируется с помощью индукторов при питании их импульсным током заданной формы (моно и биполярные) длительности, частоты и скважности.

Импульсное бегущее магнитное поле представляет собой поле, перемещающееся в пространстве относительно неподвижного пациента и импульсно изменяющееся во времени. Такое поле создается двумя способами: механическим перемещением источника импульсного магнитного поля относительно пациента и последовательным переключением тока в группе неподвижных индукторов.

Режим питания индуктора может быть непрерывным или прерывистым, в результате чего образуются непрерывные или прерывистые магнитные поля.