CC BY
0УДК 614.78
АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ В
МЕДИЦИНЕ. ОБЗОРНЫЙ АНАЛИЗ
СТЕПАНЕНКО АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ
Аспирант кафедры «Конструирование и производство приборов» приборостроительного факультета Белорусского национального технического университета
Научный" руководитель - А. Л. САВЧЕНКО Минск, Республика Беларусь
Аннотация: В данной статье рассматривается влияние магнитных полей, генерируемых медицинскими приборами, на человека при проведении процедур физиотерапии. Также в работе приведена классификация применяемых форм сигналов в медицине и их ключевые особенности.
Ключевые слова: Магнитотерапия, формы сигнала, биологическое воздействие, медицина, физиотерапия.
Магнитотерапевтическое воздействие в медицине характеризуется несколькими параметрами [1]:
• Интенсивность - напряженность магнитного поля (единица измерения: Тесла (Тл) или миллитесла (мТл). В медицине применяется интенсивность диапазоном 0.01 - 4 Тл.
• Градиент - скорость нарастания или спада магнитного поля (единица измерения: Тесла в секунду (Тл/с). В медицине применяется градиент диапазоном 0.1 - 1.5 Тл/с.
• Вектор - направление силовых линий поля. Данный параметр показывает ориентацию магнитного поля относительно тела пациента. Различают продольные силовые линии магнитного поля, которые сонаправлены с осью тела, поперечные, где силовые линии перпендикулярны оси тела, и локальные - воздействие осуществляется на определенную часть тела пациента. направление вектора магнитной индукции изменяется от нормального в центре соленоида к продольному на его крае.
• Экспозиция - время воздействия магнитным полем на пациента за 1 процедуру. Различают краткие процедуры до 10 минут, Средние 30 минут и длительные свыше 30 минут.
• Частота - число колебаний магнитного поля в одну секунду. Единица измерения: Герцы (Гц). В медицине применяется интенсивность диапазоном 50 - 250000 Гц.
• Форма импульса. В медицине рассматриваются следующие формы импульса при генерации импульсного магнитного поля: синусоидальный - плавное изменение поля в соответствии с синусоидальным законом, прямоугольный - резкое изменение поля согласно прямоугольной форме и треугольный - постепенное нарастание и спад поля согласно треугольной форме.
• Локализация - локальное воздействие для лечения конкретных органов или областей тела.
• Направление воздействия магнитного поля определяется в зависимости от положения аппарата: статичного или динамичного. Поле может не менять своё положение, может менять свое положение, изменяется частота или перемещаться по телу пациента.
Магнитное поле отличаются друг от друга количеством исследуемых параметров и их характеристиками. Постоянное магнитное поле характеризуется такими параметрами как интенсивность, градиент, вектор и экспозиция. Переменное магнитное поле помимо вышеупомянутых характеристик обладает таким параметром как частота. К характеристике импульсного магнитного поля добавляется еще и форма импульса. Бегущее импульсное магнитное поле имеет также следующие параметры: локализация и направление движения.
Рассмотрим более подробно свойства отдельных видов магнитных полей [2].
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
При наличии неподвижного электрического заряда возникает постоянное электрическое поле, но не возникает магнитное поле - оно равно нулю. Линии силового поля исходят из положительного заряда, расходятся радиально и заканчиваются на отрицательном заряде. Помимо этого, при движении заряда генерируется не только электрическое поле, но и магнитное поле. Линии силового магнитного поля перпендикулярны линиям силового электрического поля. Они представляют собой кольца, окружающие путь движения заряда. Максимальная концентрация линий происходит близко к самому заряду. Направление линий силового магнитного поля можно определить с помощью правила правой руки - если вращать ручку буравчика по часовой стрелке, имитируя движение заряда, то направление вращения винта покажет направление линий силового поля.
Линии постоянного электрического поля всегда начинаются от положительного заряда и направляются к отрицательному. Они распространяются радиально от источника.
Электроны на внешних орбитах атомов ферромагнитных материалов, которые не образуют пары, обладают магнитным моментом. В нормальном состоянии атомы в разных доменах ферромагнетика ориентированы хаотически, и их магнитные моменты компенсируют друг друга. Проходящий постоянный ток через катушку создает около нее постоянное магнитное поле. Линии сил этого поля всегда имеют одинаковое направление, а сама катушка получает два полюса - северный и южный. Интенсивность магнитного поля также остается постоянной.
Для создания импульсного магнитного поля используется катушка, через которую пропускают постоянный или переменный импульсный ток. Это поле может быть постоянным или переменным, и его воздействие проявляется через импульсы с периодическими паузами. Сила магнитного поля зависит от силы тока, а во время пауз она равна нулю.
Высокоамплитудное импульсное магнитное поле создается с использованием особой катушки, через которую проходит высоковольтный импульсный ток очень короткой длительности (примерно 100 микросекунд).
Высокоамплитудное импульсное магнитное поле (ВИМП) обладает постоянной направленностью линий силы и полюсов. Оно проявляется в виде очень коротких (около 100 микросекунд) импульсов с высокой амплитудой (до 2-3 Тесла). Паузы между импульсами в 34 раза длиннее самого импульса. Сила магнитного поля ВИМП зависит от силы тока, а во время пауз она равна нулю.
Переменное магнитное поле возникает при пропускании переменного тока через токопроводящую катушку. Направление силовых линий поля и наименование полюсов постоянно изменяется со сменой направления тока, напряженность поля зависит от постоянно изменяющейся силы тока.
Переменное магнитное поле вызывает отчетливые лечебные эффекты при небольшой продолжительности процедуры (15-30 мин) и малой курсовой дозе (10-15 процедур). Переменное магнитное поле используется в клинической физиотерапии, в том числе для воздействия на голову, область сердца, рефлексогенные зоны, а также при острой боли и выраженном экссудативном воспалении. При воздействии на голову, рефлексогенные зоны, связанные с шейными и грудными сегментами спинного мозга, оказывает седативное и гипотензивное действие.
Пульсирующее магнитное поле - разновидность переменного магнитного поля, у которого вектор магнитной индукции изменяется по уровню, но не изменяется по направлению. Такое поле образуется в индукторе при питании его пульсирующим током.
Импульсный постоянный ток — это вид тока, который изменяется по величине, но сохраняет постоянное направление. Такой вид тока обычно получают из переменного тока с использованием полуволнового или полноволнового выпрямителя. Полноволновой выпрямленный переменный ток часто называется выпрямленным переменным током. Постоянный ток сочетает в себе некоторые характеристики как переменного, так и постоянного тока. Напряжение в импульсном постоянном токе остается примерно
одинаковым, в то время как напряжение в переменном токе периодически меняется между положительными и отрицательными значениями [3].
Как и в случае с переменным током, напряжение импульсного постоянного тока изменчиво, но знак напряжения остается неизменным, как и у обычного постоянного тока.
Способность управлять движением заряженных частиц и действовать на намагниченные тела для усиления внутриклеточного и межклеточного обмена играет большую роль для биологический стимуляции человека при лечении или поддержании тонуса. Этот эффект по сравнению с постоянными и переменными магнитными полями наиболее выражен у бегущего импульсного магнитного поля частота импульсов которого попадает в диапазон биологически активных частот от 4 до 16 Гц,
Уникальная конструкция катушек-индукторов позволяет бегущему импульсному магнитному полю проникать вглубь тканей пациента на 8-10 см, что позволяет глубже некоторых других магнитных воздействий проникать внутрь организма человека.
Бегущее импульсное магнитное поле возникает при перемещении источника поля в пространстве. Имитация перемещения источника магнитного роля достигается использованием серии катушек-индукторов, в каждую из которых электрические импульсы подаются последовательно. Правильное размещение катушек-индукторов обеспечивает распространение поля в виде бегущей волны. Разновидностью бегущего импульсного магнитного поля является вращающееся поле. Бегущее импульсное магнитное поле и вращающееся поле обладают дополнительными биологическими и лечебными эффектами по сравнению с переменным магнитным полем и импульсным магнитным полем, рассмотренные выше, что связано с наличием еще одного параметра модуляции поля — пространственного.
Магнитное поле превращается во вращающееся благодаря одному из параметров магнитного поля - переменной частоты. Из-за вращения двух магнитов на оси рабочего органа медицинского прибора с затухающей и вновь нарастающей скоростью вращения [4].
Недостатком прибора является отсутствие возможности изменения его параметров в процессе лечения с целью предотвращения адаптации, а также невозможность предсказать воздействие между задающими частотами на организм пациента, а также неприемлемость сочетания с другими физическими воздействиями.
Вращающееся магнитное поле генерируется трехфазной обмоткой, создающей обособленную рамку, что позволяет достигать значительных результатов в лечении без необходимости в отдельном помещении и экранирующих элементах. Изменение направления вектора магнитной индукции в контуре влияет на организм пациента.
Изменение направления магнитного поля в контуре является ключевым фактором, влияющим на человеческий организм. Изменение интенсивности магнитного поля способствует появлению физиологических реакций в кровеносной системе, что приводит к физическому воздействию на организм пациента. Исходя из биологических и физиологических особенностей человеческого организма, частота переменного магнитного поля устанавливается в диапазоне до 100 Гц [5].
При рассмотрении вопроса реакции биологических тканей на магнитное воздействие исследования показывают, что магнитное поле оказывает воздействие на все части человеческого тела, но при этом различные части человеческого тела реагируют на импульсное магнитное поле в различной степени. Одной из наиболее важных особенностей применения магнитного поля по сравнению с другими методами воздействия в физиотерапии является то, что в отличие от лазера или ультрафиолетовой радиации, магнитное поле проникает в тело человека в более щадящем и менее болезненном виде.
Самое наибольшее воздействие магнитное поле оказывает на нервную, эндокринную, сердечно-сосудистую системы, а также на кровь, мышцы и органы чувств.
Лечебная эффективность магнитного поля в медицине основана на улучшении кровообращения, восстановлении полярности клеток, активации ферментов и повышении иммунитета пациента при проведении процедур в организациях здравоохранения. Эффект и
глубина проникновения воздействия во многом зависит от выходных параметров магнитного поля, рассматриваемых в пункте 1.1, генерируемого медицинским физиотерапевтического аппарата.
Магнитное поле изменяет концентрацию микроэлементов в тканях. Например, оно снижает содержание железа в мозге и сердце, но повышает его содержание в костях.
Магнитное поле используется для лечения некоторых видов рака. Магнитотерапия неоперабельных форм рака позволяет снизить воспалительный процесс, улучшить состояние пациента, стабилизировать рост опухоли и иногда даже уменьшить её размер. Применение магнитного поля в комплексном лечении повышает эффективность лучевой терапии и снижает её побочные эффекты. Однако важно помнить, что при лечении рака магнитное воздействие не является первоочередным при назначении процедур лечения.
Магнитные поля низких частот, которые работают с частотой от 0,01 Гц до 100 Гц, способны проникать глубоко в ткани на расстояние до 10 см без теплового воздействия, что стимулирует регенерацию тканей и ускоряет заживление ран - при лечении трофических язв на голени низкочастотное магнитное поле способствует образованию грануляций и эпителизации поверхности раны. Магнитное поле низкой частоты также может оказывать влияние на уровень нейромедиаторов, таких как серотонин, и дофамин, которые играют ключевую роль в регуляции настроения, сна и болевых ощущений. При этом снижается уровень кортизола - гормона стресса,
Во время лечения происходит улучшение кровообращения пациента, так как магнитное поле низкой частоты посредством расширения сосудов через расслабление гладкой мышцы сосудов ускоряет поток крови, что способствует повышению кровотока в мозгу, что улучшает поступление кислорода и питательных веществ, а также вывод продуктов обмена. При этом меняются физические свойства крови, как например, снижается вязкость крови, вследствие чего повышается скорость потока крови в организме и предотвращается образование тромбов.
Воздействие магнитным полем также способствует ускорению заживления переломов посредством образования костной мозоли и оказывает воздействие на вилочковую железу, селезенку и лимфатические узлы, стимулируя иммунную систему.
Хорошо себя зарекомендовало магнитное поле в медицине при лечении хронических заболеваний. Это наблюдается в снижении частоты и тяжести приступов астмы и способствует оттоку выделений из гайморовых пазух.
Нервная система очень чувствительна к воздействию магнитных полей, что вызывает успокаивающий эффект. Это проявляется в улучшении настроения, снижении тревожности, улучшении сна и других положительных изменениях, а также в непосредственном улучшении передачи нервных импульсов. Кроме того, такой тип лечения блокирует передачу болевых импульсов по нервным волокнам, уменьшая чувствительность к боли и стимулирует функционирование костного мозга, что приводит к увеличению количества иммунных клеток и улучшению работы фагоцитоза.
Магнитные поля усиливают ингибиторные процессы в центральной нервной системе. Это происходит благодаря повышению покоя трансмембранного потенциала нейронов, торможению проведения возбуждения по асцендентным путям ретикулярной формации, что уменьшает поток сенсорной информации к головному мозгу.
Также важной особенностью воздействия магнитного поля на пациента является седативный эффект. Влияние седативного эффекта заключается в успокаивающем воздействии, которое приводит к уменьшению возбудимости центральной нервной системы, вызывает расслабление, способствует засыпанию, уменьшение чувства тревоги и беспокойства. Данный эффект магнитных полей особенно выражен при использовании постоянного и импульсного магнитного поля с частотой около 100 Гц.
Также важно иметь в виду, что наличие болезней или индивидуальных особенностей, которые считаются противопоказанием для проведения воздействия на пациента магнитным полем может приводить к негативным последствиям, такие как беременность, наличие
сердечного стимулятора либо других имплантированных электронных устройств, сложные острые инфекционные заболевания, злокачественные опухоли, кровотечения и тяжелые хронические заболевания.
Помимо единичного воздействия магнитного поля на тело пациента также реализуется практика совмещения магнитного воздействия с другим и известными методами лечения.
Например, при комбинации вращающегося магнитного поля с лучевой и химиотерапией отмечается противоопухолевый эффект и хорошая дальнейшая переносимость процедур пациентами [6].
Из-за такой способности, как иммунный ответ, иммунная система может поддерживать динамическое равновесие - гомеостаз с помощью активации и ингибирования сигналов. При этом организм начинает адаптироваться к сигналам импульсного магнитного поля. Восстановление гомеостаза играет важную роль в возобновлении работы иммунной системы и предотвращении перехода острой фазы воспалительного ответа в хроническую. В воспалительной фазе импульсное магнитное поле может регулировать сигнальные механизмы иммунных клеток, способствуя регенерации тканей. Иммуномодулирующие клетки оказывают иммуноподавляющее воздействие через различные механизмы - индукция макрофагов, влияющих на иммунную систему пациента при воздействии магнитного поля.
Импульсное магнитное поле может распространяться и эффективно усиливаться по всему пути передачи сигнала, тем самым изменяя поведение клеток.
Иммунный ответ - регулируемый процесс в организме человека, когда происходит неравновесие системы, что может привести к патологическим состояниям, вследствие чего появляется необходимость в строгой регуляции.
Прямое воздействие импульсного магнитного поля на фосфолипиды в плазматической мембране стимулирует их выработку. Также импульсное магнитное поле может изменять функции клетки, вызывая принудительные колебания свободных ионов на поверхности плазматической мембраны, вызывая нарушения электрохимического баланса трансмембранных белков (ионных каналов) внешним осциллирующим полем. Польза от работы ионных каналов в иммунной функции заключается в том, что после иммунной активации изменения в микроокружении клеток интегрируются в ответ на восстановление с помощью сложных механизмов передачи сигналов.
Применение импульсного магнитного поля может способствовать регуляции потенциала ионов. Количественная величина подаваемого сигнала зависит от того, какие ткани должны быть подвергнуты воздействию, какая плотность костно-мышечной системы на данном участке и состояние иммунной системы.
Импульсное магнитное поле имеет способность проникать через плазменную мембрану клеток, что позволяет ему воздействовать на различные функции клеток и тканей. Импульсное магнитное поле создаёт деполяризацию в клеточной мембране, что приводит к увеличению или уменьшению внутриклеточного кальция Са. Данный эффект позволяет управлять иммунными процессами по отношению к различным патогенам.
Импульсное магнитное поле влияет на потенциалы клеток и гиперполяризацию для модуляции эндогенных электрических потенциалов у человека является важным фактором для регуляции клеточного гомеостаза является уровень потенциалов, генерируемых на клеточной мембране.
Группа мембранных белков содержится в возбудимых клетках организма, которые располагаются в мышцах, нейронах и глиальных клетках и в невозбудимых, и способны способствовать генерации электрического тока, но также повышают внутриклеточную концентрацию Са, что приводит к возникновению электрических стимулов, которые содействуют регенеративным процессам.
Биоэлектрические свойства клетки определяются потенциалом клеточной мембраны. Данный элемент определяет различные функции клетки, зависящие от ее типа. Электрически заряженные мембраны регулируют концентрацию ионов, такие как кальций Са, натрий № или
калий K. Эти химические элементы клетки используют в качестве мощных нейромедиаторов,
из-за которых и проявляется воздействие импульсного магнитного поля.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Lin, James C. Electromagnetic Fields in Biological Systems / Lin, James C. [Электронный ресурс] // Library.oapen.org : [сайт]. — URL: https://library.oapen.org/handle/20.500.12657/41769 (дата обращения: 21.05.2024).
2. Максимов Александр Васильевич, Кирьянова Вера Васильевна МАГНИТНАЯ ТЕРАПИЯ В КЛИНИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ // Физиотерапия, бальнеология и реабилитация. 2019. №6. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/magnitnaya-terapiya-v-klinicheskoy-praktike (дата обращения: 21.05.2024).
3. Шевелева Н.И., Покрашенко Ольга Александровна, Домбаев А.А., Мусаепова А.Б., Хасен Ж.К., Нургабдешова А.Р., Дубовихин А.А. Применение магнитотерапии у пациентов с заболеванием опорно-двигательного аппарата // АМЖ. 2020. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-magnitoterapii-u-patsientov-s-zabolevaniem-oporno-dvigatelnogo-apparata (дата обращения: 21.05.2024).
4. Максимов Александр Васильевич, Кирьянова Вера Васильевна МАГНИТНАЯ ТЕРАПИЯ В КЛИНИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ // Физиотерапия, бальнеология и реабилитация. 2019. №6. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/magnitnaya-terapiya-v-klinicheskoy-praktike (дата обращения: 21.05.2024).
5. Чекрыгин Владимир Эдуардович Теоретические основы метода магнитотерапии // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. №10. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/teoreticheskie-osnovy-metoda-magnitoterapii (дата обращения: 21.05.2024).
6. Дмитриев Михаил Владимирович, Слепнева Ксения Сергеевна, Абрамов Евгений Иванович, Захаров Юрий Борисович, Нестеренко Александр Григорьевич Физические принципы воздействия вращающегося магнитного поля в установке "алма" при лечении рака молочной железы // European science. 2018. №3 (35). URL: https://cyberleninka.ru/article/n7fizicheskie-printsipy-vozdeystviya-vraschayuschegosya-magnitnogo-polya-v-Ustanovke-alma-pri-lechenii-raka-molochnoy-zhelezy (дата обращения: 21.05.2024).
