Магнитные, низкочастотные. Что такое электромагнитные поля? Природные источники электромагнитных полей
Акустические поля.
Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка
Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колбаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 10 3 Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо безконтактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы раздела «воздух-тело человека» и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.
У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.
Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела. Рассмотрим каждый вид физических полей, создаваемых телом человека, по отдельности.
Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.
Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени; во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 - 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.
Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно фегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал во много раз меньше, чем поле трибозарядов.
В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки.
При этом на тело пациента подается переменное электрическое напряжение частотой - 10 МГц, а несколько антенн-электродов подносят к грудной клетке на расстоянии 2-5 см. Антенна и тело представляют собой две обкладки конденсатора. Перемещения грудной клетки меняет расстояние между обкладками, то есть емкость этого конденсатора и, следовательно, емкостной ток, измеряемый каждой антенной. На основании измерений этих токов можно построить карту перемещений грудной клетки во время дыхательного цикла, В норме она должна быть симметрична относительно грудины. Если симметрия нарушена и с одной стороны амплитуда движений мала, то это может свидетельствовать, например, о скрытом переломе ребра, при котором блокируется сокращение мышц с соответствующей стороны грудной клетки.
Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии. Основной прогресс в этих исследованиях обусловлен применением вычислительной техники, в том числе персональных компьютеров. Эта техника позволяет, например, получать так называемые электрокардиограммы высокого разрешения (ЭКГ ВР).
Как известно, амплитуда сигнала ЭКГ не более 1 мВ, а ST-сегмента еще меньше, причем сигнал маскируется электрическим шумом, связанным с нерегулярной мышечной активностью. Поэтому применяют метод накопления - то есть суммирование многих последовательно идущих сигналов ЭКГ. Для этого ЭВМ сдвигает каждый последующий сигнал так, чтобы его R-пик был совмещен с R-пиком предыдущего сигнала, и прибавляет его к предыдущему, и так для многих сигналов в течение нескольких минут. При этой процедуре полезный повторяющийся сигнал увеличивается, а нерегулярные помехи гасят друг друга. За счет подавления шума удается выделить тонкую структуру ST-комплекса, которая важна для прогноза риска мгновенной смерти.
В электроэнцефалографии, используемой для целей нейрохирургии, персональные компьютеры позволяют строить в реальном времени мгновенные карты распределения электрического поля мозга с использованием потенциалов от 16 до 32 электродов, размещенных на обоих полушариях, через временные интервалы порядка нескольких мс.
Построение каждой карты включает в себя четыре процедуры:
1) измерение электрического потенциала во всех точках, где стоят электроды; 2) интерполяцию (продолжения) измеренных значений наточки, лежащие между электродами; 3) сглаживание получившейся карты; 4) раскрашивание карты в цвета, соответствующие определенным значениям потенциала. Получаются эффектные цветные изображения. Такое представление в квазицвете, когда всему диапазону значений поля от минимального до максимального ставят в соответствие набор цветов, например от фиолетового до красного, сейчас очень распространено, поскольку сильно облегчает врачу анализ сложных пространственных распределений. В результате получается последовательность карт, из которой видно, как по поверхности коры перемещаются источники электрического потенциала.
Персональный компьютер позволяет строить карты не только мгновенного распределения потенциала, но и более тонких параметров ЭЭГ, которые давно апробированы в клинической практике. К ним в первую очередь относится пространственное распределение электрической мощности тех или иных спектральных составляющих ЭЭГ (α, β, γ, δ, θ-ритмы).
Карты α, β, γ, δ, θ- ритмов сильно отличаются. Нарушения симметрии таких карт между правым и левым полушарием может быть диагностическим критерием в случае опухолей мозга и при некоторых других заболеваниях.
Таким образом, в настоящее время разработаны бесконтактные методы регистрации электрического поля, которое создает тело человека в окружающем пространстве, и найдены некоторые приложения этих методов в медицине. Контакные измерения электрического поля получили новый импульс в связи с развитием персональных ЭВМ - их высокое быстродействие позволило получать карты электрических полей мозга.
Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало -10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Для его измерения используют квантовый магнитометр. Его датчиком является сверхпроводящий квантовый магнитометр (СКВИД), на вход которого включены приемные катушки. Этот датчик измеряет сверхслабый магнитный поток, пронизывающий катушки. Чтобы СКВИД работал, его надо охладить до температуры, при которой появляется сверхпроводимость, т. е. до температуры жидкого гелия (4 К). Для этого его и приемные катушки помещают в специальный термос для хранения жидкого гелия - криостат, точнее, в его узкую хвостовую часть, которую удается максимально близко поднести к телу человека.
В последние годы после открытия «высокотемпературной сверхпроводимости появились СКВИДы, которые достаточно охлаждать до температуры жидкого азота (77 К). Их чувствительность достаточна для измерения магнитных полей сердца.
Магнитокардиограмма и динамическая магнитная карта человека. Источник магнитного поля сердца человека тот же, что и электрического, - перемещающаяся граница области возбуждения миокарда. Различают два способа исследования этого поля: (1) измерение магнитокардиограмм (МКГ) и (2) построение динамической магнитной карты (ДМК). В первом случае измерение проводят в какой-то одной точке над сердцем, в результате получают зависимости величины магнитного поля от времени, зачастую совпадающие по форме с традиционными электрокардиограммами. Чтобы построить динамическую магнитную карту, необходимо измерить набор МКГ в разных точках над сердцем. Для этого пациента на специальной немагнитной кровати перемещают вблизи неподвижного датчика. Поле измеряется в области 20 х 20 см 2 по сетке из 6 х 6 элементов, т.е. всего в 36 точках. В каждой точке записывают несколько периодов сердечного цикла, чтобы усреднить записи, затем перемещают пациента так, чтобы измерить следующую точку. Затем в определенные моменты времени, отсчитываемые от R-пика, строят мгновенные динамические магнитные карты. Каждая ДМК соответствует определенной фазе сердечного цикла.
В магнитокардиографии (МКГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ) используют две основные формы представления полученных результатов. Традиционный способ - это построение изолиний, то есть проведение семейства кривых, соответствующих одному и тому же значению индукции магнитного поля и различающихся друг от друга на постоянное значение. Основные медицинские применения измерений магнитных полей тела человека - это магнитокардиография (МКГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). Достоинством МКГ по сравнению с традиционной электрокардиографией (ЭКГ) является возможность локализовать источники поля с высокой точностью порядка 1 см. Это связано с тем, что динамические магнитные карты позволяют оценить координаты токового диполя.
Рассмотрим два потенциальных приложения МКГ: 1. Локализация источников экстрасистолии. При этом заболевании источником возбуждения миокарда в некоторые моменты времени вместо соответствующих нервных центров сердца являются миоциты желудочка. При этом желудочек сокращается не в фазе с остальными камерами сердца и не обеспечивает выброс крови в кровеносные сосуды. Это приводит к расстройству кровообращения, и радикальным средством в тяжелых случаях является иссечение очага экстрасистолии путем оперативного вмешательства. Для этого очень важно иметь предварительную оценку координат очага - МКГ дает возможность провести подобное исследование. 2. Измерение электрических характеристик плода на ранних стадиях развития. Слабый электрический сигнал плода замаскирован большим кардиосигналом сердца матери, поэтому записать его электрокардиограмму крайне сложно. В то же время датчик магнитокардиографа можно поднести непосредственно к плоду и записать сигнал, на который удаленное сердце матери не окажет существенного влияния.
Таким образом, регистрация магнитных полей человека позволяет получить новую информацию, дополнительную к той, которую дают измерения электрических полей.
Инфракрасное излучение
Наиболее яркую информацию о распределении температуры поверхности тела человека и ее изменениях во времени дает метод динамического инфракрасного тепловидения. В техническом отношении это полный аналог телевидения, только датчик измеряет не оптическое излучение, отраженное от объекта, которое видит человеческий глаз, как в телевидении, а его собственное, не видимое глазом, инфракрасное излучение. Тепловизор состоит из сканера, измеряющего тепловое излучение в диапазоне длин волн от 3 до 10 мкм, устройства для сбора данных и ЭВМ для обработки изображения. Диапазон 3-10 мкм выбран потому, что именно в этом диапазоне наблюдаются наибольшие отличия интенсивности излучения при изменении температуры тела. Простейшие сканеры собраны по следующей схеме: тепловое излучение от разных участков тела последовательно, с помощью колеблющихся зеркал, проецируют на один приемник инфракрасного излучения, охлаждаемый жидким азотом.
Особенности обработки и представления тепловизионного изображения. Тепловизионное изображение можно выводить в черно-белом либо цветном формате. Перепады температуры, которые нужно измерять на термограмме, составляют, как правило, доли градуса, в то время как полный сигнал соответствует приблизительно 300 К, т. е. исходное изображение обладает малым контрастом и его необходимо обрабатывать. Без предварительной обработки на ЭВМ полученная картина неинформативна. ЭВМ позволяет делать следующие операции обработки изображения: 1) усреднение; 2) изменение контраста получившихся изображений; 3) раскраску в квазицвет контрастированных изображений.
Используют два метода усреднения: по пространству и по времени (накопление). В первом случае в полученной карте вместо температуры каждого участка изображения записывают среднюю температуру нескольких соседних точек. Во втором случае суммируют несколько кадров, снятых друг за другом. В обоих случаях случайные шумы подавляются, и полезный сигнал становится более четким. Поскольку тепловые поля во времени меняются достаточно медленно, а их пространственные границы редко бывают резкими, эти методы обработки изображений позволяют значительно поднять чувствительность тепловизоров, которая может достигать нескольких тысячных долей градуса, и в то же время не очень портят качество изображения.
Контрастирование изображения и раскраска в квазицвет дают возможность усилить восприятие величины тепловых контрастов. Роль раскраски изображения мы обсудили выше. Остановимся на контрастировании. Контрастированием называется уменьшение диапазона измеряемой величины, которому соответствует полный масштаб изменения яркости или цветовой палитры. Пусть, например, изображение было раскрашено так, чтобы интервалу температур 1 К со средним значением Т 0 соответствовало изменение цвета от фиолетового до красного, причем средней температуре изображения Т 0 - условному нулю -соответствовал зеленый цвет. Тогда цвет более холодных участков с температурой от Т 0 до -0,5 К сдвинут к фиолетовому, более теплых - от Т 0 до +0,5 К - к красному. В этом случае малое изменение температуры, например на 0,05 К, проявляется на изображении в виде изменения оттенков зеленого цвета. Если же изображение контрастировать в 4 раза - растянуть его так, чтобы вся палитра соответствовала не 1 К, а 0,25 К, то перепаду температуры 0,05 К будет соответствовать контрастный-оранжевый - хорошо различимый глазом.
Разновидность тепловидения, при которой исследуется переменная динамика температурных полей, иногда называют динамическим тепловидением. Обрабатывая последовательно термокарты, можно определить динамику температуры в каких-то интересующих нас точках, эволюцию во времени меров определенных нагретых участков кожи и т.п.
Тепловидение в биологии и медицине .
Наиболее яркий результат применения тепловидения в биологии - это обнаружение и регистрация пространственного распределения температуры коры головного мозга животных (родился фактически новый раздел физиологии - термоэнцефалоскопия коры мозга).
Термоэнцефалоскопия позволила «увидеть» волны, растраняющиеся по поверхности коры головного мозга. Один из типов волн - волна распространяющейся депрессии (РД) -возникает при инъекции раствора KCI и движется со скоростью 5 мм/мин. Оказалось, что волна РД, которую ранее peгистрировали только в отдельных точках коры с помощью электродовсопровождается интенсивной тепловой волной. Последняя видна как локальное увеличение температуры (до 1 К), длится существенно дольше, чем электрическая волна, и вызвана генерацией тепла в клетках коры мозга.
К сожалению, тепловые карты мозга человека можно получить только в ходе нейрохирургических операций на открытом мозге, поскольку из-за сильного поглощения ИК-излучения скальп и толстая черепная коробка оказываются неприодолимой преградой для сигналов из мозга.
Инфракрасное тепловидение тела человека дает информацию о температуре верхних слоев кожи - рогового слоя эпидермиса и некоторых подлежащих слоев общей толщиной около 100 мкм, поскольку, как показано специальными измерениями, электромагнитные волны ИК-диапазона затухают, пройдя в биологических тканях расстояние всего около 100 мкм. Температура этого слоя определяется балансом тепла за счет его отдачи в окружающую среду и притока за счет крови, притекающей из теплового ядра организма. Поэтому фактически ИК-тепловидение это способ оценить кожный кровоток в различных участках тела.
Наиболее распространенным применением ИК-тепловидения в медицине является визуализация кровоснабжения нижних конечностей. Если кровоснабжение в них нарушено, то температура дистальных участков резко снижена. Регистрируя размер областей со сниженной температурой, можно определить степень выраженности заболевания, а также эффективность терапевтических мероприятий.
Динамическое тепловидение позволяет отследить изменения температуры тела при различных дозированных воздействиях - функциональных пробах. Например, после снятия одежды кожа пациента оказывается в ином температурном режиме, и происходит длительная (15-20 мин) адаптация. Динамика измерения температуры тела в этот период служит критерием нормального функционирования системы терморегуляции. Плавное монотонное изменение температуры - обычная нормальная реакция, отсутствие динамики - свидетельство неблагополучия. Таким образом, например, контролируют развитие болезни Рейно, при которой нарушается терморегуляция: снижение температуры в комнате вызывает закономерное снижение температуры кожи здоровых испытуемых и не оказывает воздействие на больных этой болезнью. Отсутствие динамики при такой пробе характерно и для больных с поврежденной вследствие травмы иннервацией конечности.
Метод динамического тепловидения открыл возможности визуализировать реакцию организма в зонах Захарьина-Геда. В прошлом веке русский врач Захарьин и австрийский ученый Гед обнаружили, что определенные участки поверхности тела сигнализируют о неблагополучии в соответствующем ему внутреннем органе. В частности, при сердечной недостаточности боль ощущается с левой стороны и отдает в левую руку. Однако границы этих областей удается оконтурить с большим трудом, так как приходится опираться лишь на субъективные реакции пациентов. Использование тепловидения основано на том, что в случае болевой реакции какого-либо органа на функциональную пробу возникает сосудистая реакция в соответствующей зоне Захарьина-Геда - это приводит к изменению локальной температуры кожи
Всё многообразие живого на нашей планете возникло, эволюционировало и ныне существует благодаря непрерывному взаимодействию с различными факторами внешней среды, приспосабливаясь к их влиянию и изменениям, используя их в процессах жизнедеятельности. А большинство этих факторов имеют электромагнитную природу. На протяжении всей эпохи эволюции живых организмов электромагнитные излучения существуют в среде их обитания ― биосфере. Такие электромагнитные поля называют естественными.
К естественным излучениям относ ятся слабые электромагнитные поля, создаваемые живыми организмами, поля атмосферного происхождения, электрические и магнитные поля Земли, солнечное излучение, а также космическое излучение. Когда человек стал активно использовать электроэнергию, пользоваться радиосвязью, и. т. д., то в биосферу стало поступать искусственное электромагнитное излучение, в широком диапазоне частот (примерно от 10-1 до 1012 Гц).
Электромагнитное поле необходимо рассматривать как состоящее из двух полей: электрического и магнитного. Можно считать, что в объектах, содержащих электрические цепи, электрическое поле возникает при напряжении на токоведущих частях, а магнитное ― при прохождении тока по этим частям. Допустимо также считать, что при малых частотах, (в том числе 50 Гц), электрическое и магнитное поля не связаны, поэтому их можно рассматривать раздельно, как и оказываемые ими влияния на биологический объект.
Эффект воздействия электромагнитного поля на биологический объект принято оценивать количеством электромагнитной энергии, поглощаемой этим объектом при нахождении его в поле.
Искусственные низкочастотные электромагнитные поля большей частью создаются энергетическими установками, линиями электропередачи (ЛЭП), электробытовой техникой, работающей от сети.
Выполненные для действительных условий расчеты показали, что в любой точке электромагнитного поля низкой частоты, возникающего в электроустановках, на промышленных объектах, и. т. д., поглощенная телом живого организма энергия магнитного поля примерно в 50 раз меньше поглощенной им энергии электрического поля. Вместе с теми измерениями в реальных условиях было установлено, что напряженность магнитного поля в рабочих зонах открытых распределительных устройств и воздушных линий с напряжением до 750 кВ, не превышает 25 А/м, в то время как вредное действие магнитного поля на биологический объект проявляется при напряженности, во много раз большей.
На основании этого можно сделать вывод, что отрицательное действие электромагнитного поля на биологические объекты в промышленных электроустановках обусловлено электрическим полем; магнитное же поле оказывает незначительное биологическое действие, и в практических условиях им можно пренебречь.
Электрическое поле низкой частоты можно рассматривать в каждый данный момент как электростатическое поле, т. е. применять к нему законы электростатики. Это поле создается по крайней мере между двумя электродами (телами), которые несут заряды разных знаков и на которых начинаются и оканчиваются силовые линии.
Низкочастотные радиоволны имеют очень большую длину волны (от 10 до 10000 км), поэтому установить экран, который бы не пропускал это излучение трудно. Радиоволны будут его беспрепятственно огибать. Поэтому низкочастотные радиоволны, имеющие достаточный запас энергии могут распространятся на достаточно большие расстояния.
Предполагается, что низкочастотные электромагнитные излучения наиболее масштабный вид загрязнения, имеющий глобальные неблагоприятные последствия для живых организмов и для человека.
Исследованы низкочастотные электромагнитные поля (НЧ ЭМП) в бытовых
условиях от различных внешних и внутренних источников, изучено влияние данного фактора на состояние здоровья населения.
В процессе эксплуатации электроэнергетических установок - открытых распределительных устройств (ОРУ) и воздушных линий (ВЛ) электропередачи сверхвысокого напряжения (330 кВ и выше) было отмечено ухудшение состояния здоровья персонала, обслуживающего указанные установки. Субъективно это выражалось в ухудшении самочувствия работающих, которые жаловались на повышенную утомляемость, вялость, головные боли. плохой сон. боли в сердце и т. п.
В условиях населенных мест основным внешним источником низкочастотных электрических и магнитных полей в квартирах жилых зданий, являются ЛЭП различного напряжения. В зданиях расположенных вблизи ЛЭП от 75 до 80% объема помещений квартир находятся под воздействием высоких уровней НЧ ЭМП и население, проживающее в них подвергается круглосуточному воздействию данного неблагоприятного фактора.
Специальные наблюдения и исследования, проводимые в Советском Союзе, в России и за рубежом, подтвердили обоснованность этих жалоб и установили, что фактором, влияющим на здоровье персонала, работающего с электрооборудованием, является электромагнитное поле, возникающее в пространстве вокруг токоведущих частей действующих электроустановок.
Интенсивное электромагнитное поле промышленной частоты вызывает у работающих нарушение функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой системы. При этом наблюдается повышенная утомляемость, снижение точности рабочих движений, изменение кровяного давления и пульса, возникновение болей в сердце, сопровождающихся сердцебиением и аритмией, и т. п.
Предполагается, что нарушение регуляции физиологических функции организма обусловлено воздействием низкочастотного электромагнитного поля на различные отделы нервной системы. При этом повышение возбудимости центральной нервной системы происходит вследствие рефлекторного действия поля, а тормозной эффект ― результат прямого воздействия поля на структуры головного и спинного мозга. Считается что, кора головного мозга, а также промежуточный мозг особенно чувствительны к воздействию электрического поля. Предполагается также, что основным материальным фактором, вызывающим указанные изменения в организме, является индуцируемый в теле ток (т. е. наведённый магнитной составляющей поля), а влияние самого электрического поля значительно меньше. Нужно отметить, что на самом деле влияние оказывают и индуцируемый ток и само электрическое поле.
Действие электромагнитных полей на клетки.
Рассмотрим действие электромагнитных полей (в том числе и низкочастотных) на клетки живых организмов.
Эффекты, вызываемые действием электрических полей на клеточные мембраны могут быть классифицированы следующим образом: 1) обратимое повышение проницаемости клеточных мембран (электропорация), 2) электрослияние, 3) движения в электрическом поле (электрофорез, диэлектрофорез и электроврашение), 4) деформации мембран, 5) электротрансфекция, 6) электроактивация мембранных белков.
Движение клеток в электрическом поле бывает двух типов. Постоянное поле вызывает перемещение клеток, имеющих поверхностный заряд, ― явление электрофореза. При воздействии на клеточные суспензии переменного неоднородного поля происходит движение клеток, называемое диэлектрофорезом. При диэлектрофорезе поверхностный заряд клеток не имеет существенного значения. Движение происходит из-за взаимодействия наведённого дипольного момента с внешним полем.
В теории диэлектрофореза клетку обычно рассматривают в виде сферы, имеющей диэлектрическую оболочку. Частотно-зависимая составляющая индуцируемого дипольного момента для такой сферической частицы записывется в виде:
где, ― циклическая частота. Параметры A1, A2, B1, B2, C1, C2 определяются независящими от частоты значениями проводимости и диэлектрической проницаемости наружной и внутренней сред, а также разделяющей оболочки.
Из приведённых соотношений рассчитаны частотные зависимости диэлектрофоретической силы,. Действующей на клетки в неоднородном электрическом поле, а также усилия, определяющего вращение клеток во вращающемся электрическом поле. Согласно теории, джиэлектрофоретическая сила пропорциональна действительной части безразмерного параметра К и градиенту квадрата напряжённости поля:
F=1/2·Re(K)·grad E2
Вращающий момент пропорционален мнимой части парпметра К и квадрату напряжённости вращающегося поля:
F=Im(K)·E2
Различие направлений диэлектрофоретической силына низких (килогерцы) и высоких (мегагерцы) частотах обусловлено различной ориентацией индуцированного дипольного момента по отношению к внешнему электрическому полю. Известно, что дипольные моменты плохо проводящих диэлектрических частиц в проводящей среде ориентируются противоположно вектору напряжённости электрического поля, а дипольные моменты хорошо проводящих частиц, окружённых малопроводящей средой, наоборот, ориентируются сонаправлено с вектором напряжённости.
В случае воздействия низкочастотного поля мембрана представляет собой хороший изолятор, и ток идёт в обход клетки по проводящей среде. Индуцированные заряды распределяются как показано на рисунке, и усиливают напряжённость поля внутри частицы. При этом дипольный момент антипараллелен напряжённости поля. Для высокочастотного поля проводимость мембран высока, следовательно дипольный момент будет сонаправлен с вектором напряжённости электрического поля.
Деформация мембран под влиянием электромагнитных полей происходит из-за действия на поверхность клетки сил, называемых максвелловскими напряжениями. Величина и направление силы, действующей на клеточные мембраны в электрическом поле, определяется соотношением
где T― сила, E ― напряжённость поля, n ― вектор нормали к поверхности, ε ― относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, ε0 ― абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
В случае действия на клетку низкочастотного поля силовые линии обходят клетку, т. е. поле направлено вдоль поверхности. Следовательно векторное произведение E равно нулю. Поэтому
Эта сила действует на клетку, заставляя её вытягиваться вдоль силовых линий поля.
Когда на клетку действует высокочастотное поле, то сила, действующая на мембрану, растягивает концы клеток в направлении электродов.
В качестве примера электроактивации мембранных ферментов можно назвать активацию Na, К-АТФазы в эритроцитах человека при действии переменного поля с амплитудой 20 В/см и частотой 1 кГц. Существенно, что электрические поля такой слабой напряжённости не оказывают повреждающего действия на функции клеток и их морфологию. Слабые поля низкой частоты (60 В/см, 10 Гц) оказывают также стимулирующее влияние на синтез АТФ митохондриальной АТФазой. Предполагают, что электроактивация обусловлена влиянием поля на конформацию белков. Теоретический анализ модели облегчённого мембранного транспорта с участием переносчика (модель с четырьмя состояниями транспортной системы) указывет на взаимодействие транспортной системы с переменным полем. В результате такого взаимодействия энергия поля может использоваться транспортной системой и преобразовываться в энергию химической связи АТФ.
Влияние слабых НЧ ЭМП на биоритмы.
Характер и выраженность биологических эффектов ЭМП своеобразно зависят от параметров последних. В одних случаях эффекты максимальны при некоторых "оптимальных" интенсивностях ЭМП, в других ― возрастают при уменьшении интенсивности, в третьих ― противоположно направлены при малых и больших интенсивностях. Что касается зависимости от частот и модуляционно-временных характеристик ЭМП, то она имеет место для специфических реакций (условные рефлексы, изменения ориентации, ощущения).
Анализ этих закономерностей приводит к заключению, что биологические эффекты слабых низкочастотных полей, необъяснимые их энергетическим взаимодействием с веществом живых тканей, могут быть обусловлены информационными взаимодействиями ЭМП с кибернетическими системами организма, воспринимающими информацию из окружающей среды и соответственно регулирующими процессы жизнедеятельности организмов.
НЧ ЭМП антропогенного происхождения близки по параметрам к естественным электрическим и магнитным полям Земли. Поэтому в биологической системе, находящейся под влиянием искусственных НЧ ЭМП, может произойти нарушение биоритмов, свойственной этой системе.
Например, в организме здорового человека наиболее характерными короткопериодными ритмами центральной нервной системы (ЦНС) в состоянии покоя следует считать колебательную активность электрических и магнитных полей головного мозга (2―30 Гц), частоту сердечных сокращений (1.0―1.2 Гц), частоту дыхательных движений (0.3 Гц), периодичность колебаний артериального давления (0.1 Гц) и температуры (0.05 Гц). Если длительное время воздействовать на человека НЧ ЭМП, амплитуда которых достаточно велика то может произойти нарушение естественных ритмов (дизритмия), что повлечёт физиологические нарушения.
Все биологические объекты находятся под влиянием электрического и магнитного полей Земли. Поэтому большинство изменений, происходящих в биосфере, в той или иной степени связаны с изменением этого поля. Очевидно, что изменения геомагнитного поля носят периодический характер. Если происходят какие-то отклонения от установившегося периода изменений, то могут произойти нарушение физиологических параметров биологических систем.
Эти отклонения могут произойти по двум причинам. Первая причина ― естественная (например, влияние солнечной активности на геополя). Причём большинство отклонений также периодичны. Вторая причина носит антропогенный характер, следствием которой является нарушение частотного спектра параметров внешней среды. В общем случае вредным следует считать любое заметное отклонение частотного спектра искусственных полей от оптимального, определяемого спектром геомагнитного поля Земли.
Можно сказать, что в процессе эволюции живая природа использовала естественные ЭМП внешней среды как источники информации, обеспечивавшей непрерывное приспособление организмов к изменениям различных факторов внешней среды: согласование процессов жизнедеятельности с регулярными изменениями, защиту от спонтанных изменений.А это привело к использованию ЭМП как носителей информации, обеспечивающей взаимосвязи на всех уровнях иерархической организации живой природы, от клетки до биосферы. Формирование в живой природе информационных связей посредством ЭМП в дополнение к известным видам передачи информации посредством органов чувств, нервной и эндокринной систем было обусловлено надёжностью и экономичностью "биологической радиосвязи".
Последние новости
- 24.01.18
Открыты клетки отвечающие за регистрацию лишнего веса
Шведские ученые, научным путем, установили, что клетки человека. Находящиеся в костной ткани, отвечают за регистрацию изменения массы тела человека, а затем сообщают об этом всему организму.
Научные сотрудники провели ряд экспериментов, в Гётеборгском университете на подопытных мышах, страдающих ожирением. Первой группе подопытных под кожу были имплантированы небольшие грузы, составляющие 15 процентов их веса, второй группе вживлены полые капсулы, которые составляли 3 процента веса грызуна.
Первая группа подопытных, с реальными грузами, за две недели сбросила вес, который равнялся массе внедренного груза, при этом у них существенно уменьшилась жировая прослойка. При обратном ходе эксперимента, когда имплантированные грузы были удалены, подопытные снова набрали прежний вес.
Ученые считают, что регистрацией избыточной нагрузки занимаются клетки, которые продуцируют костную ткань в организме человека. Такие клетки называются остеоцитами. В настоящее время эксперименты и наблюдения продолжаются. - 01.12.17
Предложен эксперимент для поиска квантовых свойств гравитации
Уже много десятилетий идут попытки соединения квантовой механики со специальной теорией относительности. Выдвинуто множество теорий, включая знаменитую теорию струн, но нет ясности даже в наличии у гравитации квантовых свойств.
Один путь решения проблемы связан с наблюдением гравитационных волн, построением их подробной теории и исключением тех моделей квантовой гравитации, которые будут ей противоречить.
Недавно физики предложили кардинально иной подход - экспериментальный поиск отклонений от предсказаний классической физики. Если гравитация и правда квантуется, то и само пространство-время будет не непрерывным, а значит, в самых простых системах окажутся ничтожно малые отклонения от классических законов природы.
Ученые предлагают исследовать разнообразные оптомеханические системы с высокой чувствительностью и искать в них отклонения. В отличии от огромных систем для поиска гравитационных волн, размеры которых составляют десятки километров, предлагается использовать очень компактные системы, поскольку квантовая гравитация неоднородна на исключительно малых масштабах.
Утверждается, что сейчас наши технические возможности достаточны и успех такого эксперимента вполне возможен.
- 09.10.17
Нейронная сеть научилась читать образы в человечком мозге
Ученые провели множество измерений на функциональном аппарате МРТ и весьма точно измерили активность различных участков мозга при просмотре видеороликов. Трое подопытных посмотрели под наблюдением сотни видеороликов, относящиеся к различным типам.
Благодаря этой детальной информации исследователи смогли воспользоваться нейронной сетью и обучить программу предсказывать параметры мозговой деятельности по видеоролику. Решалась и обратная задача - по активным областям мозга определить тип видеоролика.
При показе новых роликов нейронная сеть могла предсказывать показания магнитно-резонансного томографа с точностью до 50%. Когда обученную на одной из участниц сеть применяли для прогноза типа просматриваемого другой участницей ролика, точность предсказания понижалась до 25%, что тоже относительно много.
Ученые приблизились к переводу ментальных образов в цифровой формат, их сохранению и передаче другим людям. Они стали лучше понимать человеческий мозг и особенность обработки в нем видеоинформации. Возможно, когда-нибудь благодаря развитию этой технологии люди смогут показывать друг другу свои сновидения.
Определения и источники
Электрические поля
возникают за счет разницы напряжений: чем больше электрическое напряжение, тем более сильным будет возникающее поле. Магнитные поля
возникают там, где проходит электрический ток: чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле. Электрическое поле есть даже при отсутствии электрического тока. Если имеется электрический ток, то сила магнитного поля будет меняться в зависимости от расхода электроэнергии, а сила электрического поля остается при этом постоянной.
(Выдержка из брошюры «Электромагнитные поля», опубликованной Европейским региональным бюро ВОЗ в 1999 г. (серия справочных брошюр для местных органов власти по вопросам здоровья и окружающей среды; 32).
Природные источники электромагнитных полей
Электромагнитные поля (ЭМП) окружают нас повсюду, оставаясь при этом невидимыми человеческому глазу. Электрические поля образуются при возникновении в атмосфере электрических зарядов, вызванных грозой. Магнитное поле Земли заставляет иглу компаса всегда указывать направление «север–юг» и помогает птицам и рыбам ориентироваться в пространстве.
Антропогенные (искусственные) источники электромагнитных полей
Помимо ЭМП, возникающих за счет природных источников, в спектре электромагнитных полей есть и те, которые создаются антропогенными источниками: например, рентгеновские лучи, используемые для диагностирования переломов конечностей в результате спортивных травм. Электричество в каждой штепсельной розетке ведет к образованию сопутствующих ЭМП низкой частоты. Различные радиоволны более высокой частоты используются для передачи информации при помощи ТВ антенн, радиостанций или базовых станций мобильной связи.
Базовая информация о длине и частоте волн
Что лежит в основе различий между электромагнитными полями?
Одна из основных характеристик электромагнитного поля – это его частота или соответствующая длина волны. Поля различной частоты воздействуют на организм по-разному. Вы можете попытаться представить электромагнитные волны в виде череды регулярно повторяющихся волн огромной скорости, равной скорости света. Частота – это показатель, который просто указывает число колебаний или циклов в секунду, а термин «длина волны» используется для определения расстояния между следующими одна за другой волнами. Следовательно, длина и частота волны тесно взаимосвязаны: чем выше частота, тем короче длина волны.
Проведение простого сравнения поможет лучше проиллюстрировать вышеизложенное: привяжите длинную веревку к дверной ручке, а свободный конец веревки держите в руке. Если вы будете медленно поднимать и опускать руку с веревкой, то образуется одна большая волна; если же движения будут более быстрыми, то это приведет к возникновению целой серии небольших волн. Длина веревки при этом остается постоянной, а значит, чем больше волн вы создадите (то есть, волн более высокой частоты), тем меньше будет расстояние между ними (то есть, длина волны будет короче).
В чем разница между неионизирующими электромагнитными полями и ионизирующим излучением?
Длина и частота волны определяют и другую важную характеристику электромагнитных полей: электромагнитные волны (колебания) переносятся частицами, называемыми квантами. Кванты волн более высокой частоты (и более короткой длины) переносят больше энергии, чем поля более низкой чистоты (с более длинной волной). Некоторые электромагнитные волны несут такое огромное количество энергии в расчете на один квант, что они способны разорвать связи, удерживающие молекулы между собой. В электромагнитном спектре таким свойством обладают излучаемые радиоактивными веществами гамма-лучи, космические и рентгеновские лучи. Все они характеризуются как «ионизирующее излучение». Те поля, кванты которых не в состоянии разорвать связи, удерживающие молекулы между собой, называют «неионизирующим излучением». Антропогенные источники электромагнитных полей, в значительной степени определяющие жизнь в индустриальном обществе (электричество, микроволны, а также радиоволны), находятся в той части электромагнитного спектра, который характеризуется относительно длинными и низкочастотными волнами, а значит, их кванты не в состоянии разорвать химические связи.
Электромагнитные поля низких частот
Электрические поля существуют повсюду, где есть положительный или отрицательный электрический заряд. Они с силой воздействуют на другие заряды внутри поля. Сила электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м). Любой электрический провод, находящийся под напряжением, будет создавать сопутствующее электрическое поле, которое будет существовать даже при отсутствии тока. Чем выше напряжение, тем сильнее электрическое поле на заданном расстоянии от провода.
Наиболее сильными являются электрические поля в непосредственной близости от источника заряда или провода под напряжением, а по мере удаления от них сила электрических полей быстро уменьшается. Проводники, например, металлы, являются очень эффективной защитой от электрических полей. Другие материалы, например строительные материалы или деревья, обеспечивают некоторую защиту. Таким образом, сила электрических полей, образующихся от линий электропередач вне пределов дома, снижается за счет стен, зданий и деревьев. Если линии электропередач проложены под землей, электрические поля на поверхности едва определяются.
Магнитные поля возникают вокруг движущихся электрических зарядов. Сила магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м); однако вместо этого, при исследовании электромагнитных полей, ученые обычно указывают «родственный» количественный показатель – единицу измерения индукции магнитного поля (микротесла, мкТл). В отличие от электрических полей, магнитные поля возникают лишь при включении приборов и наличии тока. Чем сильнее электрический ток, тем сильнее магнитное поле.
Как и электрические поля, магнитные поля наиболее сильны в непосредственной близости от их источника, а по мере удаления от него, они ослабевают. Обычные материалы, например стены зданий, не являются препятствием для магнитных полей.
Электрические поля | Магнитные поля |
|
|
С любезного согласия Национального совета по радиологической защите, Соединенное Королевство.
Электрические поля
Включение провода от прибора в розетку создает электрические поля в воздухе вокруг прибора. Чем выше напряжение, тем сильнее создаваемое поле. Поскольку напряжение существует даже при отсутствии электрического тока, совсем не обязательно включать электробытовой прибор, чтобы в помещении, где он находится, образовалось электрическое поле.
Магнитные поля
Магнитные поля возникают только при наличии электрического тока. В этом случае в помещении одновременно есть и магнитное, и электрическое поле. Чем выше сила тока, тем сильнее магнитное поле. Высокое напряжение используется для передачи и распределения электричества, в то время как относительно низкое напряжение используется в домашних условиях. Напряжение в оборудовании для передачи электроэнергии меняется изо дня в день незначительно, а вот сила тока в линиях электропередач меняется в зависимости от потребления энергии.
Электрические поля вокруг провода бытового электроприбора пропадают лишь в том случае, если вилка прибора вытащена из розетки или на уровне стены отключено электричество. Однако эти поля по-прежнему будут существовать вокруг кабеля за стеной.
Чем статические поля отличаются от изменяющихся во времени полей?
Статическое поле не меняется со временем. Постоянный ток – это электрический ток только в одном направлении. В любом приборе, работающем от аккумуляторной батареи, ток движется от батареи к прибору и затем обратно в батарею. Такой ток создает статическое магнитное поле. Магнитное поле Земли также является статическим. Аналогично статическое магнитное поле возникает вокруг стержневого электромагнита, в чем можно наглядно убедиться, глядя на узоры, образующиеся при распылении железных опилок вокруг такого магнита.
Электромагнитные поля, изменяющиеся во времени, образуются при переменном токе. Переменный ток с течением времени в определенной закономерности меняет свое направление на обратное. В большинстве европейских стран переменный ток с частотой 50 Гц 50 раз в секунду меняет свое направление. Аналогичным образом сопутствующее электромагнитное поле изменяет свое направление 50 раз в секунду. В странах Северной Америки используется ток с частотой 60 Гц.
Основные источники полей низкой, средней и высокой частоты
Изменяющиеся во времени электромагнитные поля, создаваемые электроприборами, – это пример полей крайне низкой частоты (КНЧ)
. Обычно они имеют частоту до 300 Гц. Другая техника создает поля средней частоты (СЧ)
– от 300 Гц до 10 МГц и радиочастотные поля (РЧ)
– от 10 МГц до 300 ГГц. Воздействие ЭМП на организм человека зависит не только от уровня поля, но и от его частоты и энергии.
Поступающее в наши дома сетевое электричество и все бытовые электроприборы являются основными источниками полей КНЧ; компьютерные мониторы, противоугонные устройства и оборудование для защиты от краж, а также системы безопасности являются основными источниками полей СЧ; радио, телевизоры, антенны радаров и сотовых телефонов, микроволновые печи – это основные источники РЧ полей. Такие поля индуцируют электрические токи внутри организма человека, которые могут вызывать ряд неблагоприятных эффектов, например, нагревание внутренних тканей организма и электрический шок. Все зависит от их амплитуды и частоты. (Однако, чтобы вызвать такие последствия, поля вне человеческого организма должны быть очень сильными, гораздо сильнее тех, что имеются в обычной окружающей среде.)
Электромагнитные поля высокой частоты
Мобильные телефоны, теле- и радиопередающие станции и радары создают РЧ поля. Эти поля используются для передачи информации на большие расстояния и являются основой для телекоммуникаций, радио- и ТВ-вещания во всем мире. Микроволновые поля – это РЧ поля высокой частоты в диапазоне ГГц. В микроволновых печах такие поля используются для быстрого подогревания пищи.
В радиочастотном диапазоне электрические и магнитные поля тесно взаимосвязаны, и мы, как правило, измеряем их уровни как плотность мощности – в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).
Основные положения
- Электромагнитный спектр охватывает как природные, так и антропогенные источники ЭМП. Частота и длина волны – это характеристики ЭМП. В электромагнитной волне эти две характеристики взаимосвязаны: чем выше частота, тем короче волна.
- Ионизирующее излучение, такое как рентгеновские и гамма-лучи, состоит из фотонов, несущих энергию, достаточную для разрыва связей, которые удерживают молекулы между собой. Фотоны электромагнитных волн промышленной частоты и радиочастотных волн обладают гораздо меньшей энергией, не достаточной для подобного эффекта.
- Электрические поля существуют везде, где есть электрический заряд, и измеряются в вольтах на метр (В/м). Магнитные поля возникают там, где есть электрический ток. За единицу измерения индукции магнитного поля берется микротесла - мкТл или миллитесла - мТл.
- На радио- и микроволновых частотах электрические и магнитные поля считаются двумя компонентами электромагнитных волн. Плотность мощности, выражаемая в ваттах на квадратный метр (Вт/м2), характеризует интенсивность этих полей.
- ЭМВ низкой и высокой частоты по-разному воздействуют на организм человека. Сетевое электричество и бытовые электроприборы являются наиболее распространенными источниками низкочастотных электрических и магнитных полей в среде обитания человека. Повседневными источниками РЧ электромагнитных полей являются средства телекоммуникации, антенны радио- и телевещания, а также микроволновые печи.
Низкочастотная магнитотерапия — наиболее распространенный вид магнитотерапии, при которой с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями используют магнитные поля низкой частоты. Для лечебно-профилактического воздействия применяют переменное (ПеМП), пульсирующее (ПуМП), бегущее (БеМП) и вращающееся (ВрМП) магнитное поле.
Наиболее часто используют ПеМП, а магнитная индукция этих полей обычно не превышает 50 мТл.
Аппаратура для низкочастотной терапии ПеМП и ПуМП: «Полюс-1», «Полюс-2», «Каскад», «Мавр-2», АМТ-01, «Магнитер», ПДМТ, «Градиент-1», МАГ-30, «Полюс-101», «Индуктор-2У», «Индуктор-2Г» и др. Источником БеМП являются аппараты: «Олимп-1», БИМП, «Атос», «Аврора-МК»; ВрМП «Полюс-3», «Полюс-4» и др. Как правило, эти аппараты обеспечивают воздействие магнитными полями частотой до 1000 Гц и с магнитной индукцией не выше 100 мТл.
При проведении низкочастотной магнитотерапии используют преимущественно контактную методику или воздействие с небольшим воздушным зазором (до 10 мм).
Индукторы устанавливают в проекции патологического очага на коже или в области рефлексогенных зон без давления. Используют продольное или поперечное расположение индукторов. В индукторах-соленоидах органы и конечности располагаются в продольном направлении (по ходу магистральных сосудов). Магнитотерапию можно проводить не снимая одежды, мазевых, тонких гипсовых и других повязок, т.к. магнитное поле почти беспрепятственно проникает через них, но убывает с удалением от индуктора.
Дозируют лечебные процедуры по величине магнитной индукции и продолжительности. Магнитную индукцию в процессе курсового воздействия чаще всего увеличивают от 10 до 30 мТл, реже до 50 мТл. Продолжительность процедур составляет 15-30 мин.
Они проводятся ежедневно или через день. На курс лечения назначают 20-25 процедур. При необходимости повторный курс низкочастотной магнитотерапии можно провести через 30-45 дней.
В основе действия низкочастотных магнитных полей лежат те же механизмы и первичные (физико-химические) эффекты, что и при использовании постоянных магнитных полей: изменение состояния жидкокристаллических структур, воды и гидратированных молекул, влияние на синглет-триплетные переходы в свободных радикалах, повышение активности металлсодержащих ферментов и др. (см. Постоянная магнитотерапия). Однако главным действующим фактором является формирование в тканях индуцированных электрических токов, плотность которых определяется скоростью изменения магнитной индукции. Эти токи также оказывают разнообразное влияние на различные системы организма. Минимальные эффекты наблюдаются при плотности тока 1-10 мА/м2.
Такие токи наводятся в тканях при воздействии переменным МП с индукцией 0,5-5 мТл при частоте 50 Гц или 10- 100 мТл при частоте 2,5 Гц. Более существенные сдвиги наблюдаются при плотности наведенного тока 10-100 мА/м2, который наводится при действии на ткани переменного МП с индукцией 5-50 мТл при частоте 50 Гц или 100-1000 мТл при частоте 2,5 Гц.
Наряду с направленным движением свободных ионов индуцированные низкочастотные электрические поля вызывают движение ионов, расположенных вблизи заряженной поверхности мембран и связанных с ней электростатическими силами. Такое перемещение ионов может существенно сказаться на биоэлектрических и диффузионных процессах. Под влиянием низкочастотных магнитных полей увеличивается скорость проведения потенциалов действия по нервным проводникам, повышается их возбудимость, уменьшается периневральный отек. Кроме того МП нормализует вегетативные функции организма, уменьшает повышенный тонус сосудов и моторную функцию желудка. При этом наибольшим стимулирующим действием обладают переменные и бегущие магнитные поля. Низкочастотное МП подавляет активность процессов перекисного окисления липидов, что способствует активации трофических процессов в органах и тканях, стабилизирует клеточные мембраны.
За счет увеличения колебательных движений форменных элементов и белков плазмы крови происходит активация локального кровотока, улучшение кровоснабжения различных органов и тканей, а также их трофики.
Низкочастотные магнитные поля обладают гипотензивным действием вследствие расслабления гладких мышц периферических сосудов, нормализуют (снижают) свертываемость крови, стимулируют обмен веществ. Они усиливают образование рилизинг-факторов в гипоталамусе и тропных гормонов гипофиза, которые стимулируют функцию половых органов, надпочечников, щитовидной железы и других эндокринных органов. В результате формируются общие приспособительные реакции организма, направленные на повышение его резистентности и толерантности к физическим нагрузкам.
Основными лечебными эффектами низкочастотной магнитотерапии считаются противовоспалительный, противоотечный, трофический, гипокоагулирующий, вазоактивный, обезболивающий, стимулирующий репаративные процессы, иммуномодулирующий.
Показаниями для назначения ПеМП и ПуМП являются вялозаживающие гнойные раны, ожоги, трофические язвы, флебиты, тромбофлебиты, последствия закрытых травм головного мозга, энцефалопатии, ишемический инсульт, повреждение периферических нервов, ангиопатии, вегетативные неврозы, артериальная гипертензия и др.
БеМП применяют при ишемической болезни сердца, облитерирующем атеросклерозе периферических сосудов, посттромбофлебитическом синдроме, диабетических ангиопатиях и нейропатиях.
Показания для назначения ВрМП по общей методике: злокачественные новообразования, лучевая болезнь, иммунодефицитные состояния организма, астеноневротические состояния, дегенеративно-дистрофические заболевания опорно-двигательной системы; для местных воздействий: заболевания глаз, уха, горла и носа.
Противопоказаниями для низкочастотной магнитотерапии являются острый период инфаркта миокарда, острый период нарушения мозгового кровообращения, ишемическая болезнь с нарушениями сердечного ритма, кровотечения и беременность.
ГЛАВА 5 ЛЕЧЕБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОСТОЯННОГО, ИМПУЛЬСНОГО И НИЗКОЧАСТОТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
МОТИВАЦИЯ
Магнитотерапия занимает обширную нишу среди всех физиотерапевтических процедур, поскольку она хорошо переносится пациентами и её назначают при многих заболеваниях. Для правильного назначения физиотерапевтических процедур необходимо иметь целостное представление о механизме воздействия постоянного, импульсного и низкочастотного магнитного поля на организм человека.
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ
Научиться использовать методики магнитотерапии (постоянной, импульсной, низкочастотной) для лечения различных заболеваний.
ЦЕЛЕВЫЕ ВИДЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Понимать сущность физиологического действия различных магнитных полей. Уметь:
Определять показания и противопоказания к применению постоянного, импульсного и низкочастотного магнитных полей;
Выбирать адекватный вид лечебного воздействия;
Самостоятельно назначать процедуры;
Оценивать действие магнитных полей на организм пациента.
Изучить принципы работы аппаратов «Полюс-1 (-3, -101)» и «Амит-02».
Блок информации
МАГНИТОТЕРАПИЯ
Магнитотерапия - применение постоянных, низкочастотных переменных и импульсных магнитных полей в лечебнопрофилактических целях.
Магнитное поле - особый вид материи, осуществляющий связь и взаимодействие между движущимися электрическими зарядами. Как известно, ткани организма диамагнитны, т.е. под влиянием магнитного поля не намагничиваются, однако некоторые составные элементы тканей (например, вода, форменные элементы крови) в магнитном поле могут приобретать магнитные свойства.
Физическая сущность действия магнитного поля на организм заключается в его влиянии на движущиеся заряженные частицы и в соответствующем воздействии на физико-химические и биохимические процессы. Основой биологического действия магнитного поля считают наведение электродвижущей силы в токе крови и лимфы. По закону магнитной индукции в этих средах, как в хороших движущихся проводниках, возникают слабые токи, изменяющие течение обменных процессов.
Кроме того, магнитные поля влияют на жидкостно-кристаллические структуры воды, белков, полипептидов и других соединений. Квант энергии магнитных полей воздействует на электрические и магнитные взаимосвязи клеточных и внутриклеточных структур, изменяя метаболические процессы в клетке и проницаемость клеточных мембран.
Постоянное магнитное поле (ПМП) в данной точке пространства не изменяется во времени ни по величине, ни по направлению. Его получают с помощью индукторов-электромагнитов, питаемых постоянным электрическим током, или неподвижных постоянных магнитов. Переменное магнитное поле (ПеМП) - магнитное поле, изменяющееся во времени по величине и направлению. Его получают с помощью индукторов, питаемых переменным электрическим током, или вращающихся магнитов.
Пульсирующее магнитное поле (ПуМП) изменяется во времени по величине, но постоянно по направлению. Его получают с помощью индукторов, питаемых пульсирующим током, или перемещающихся постоянных магнитов.
Реакция органов и их систем на действие магнитного поля различна. Избирательность реакции организма зависит от электрических и магнитных свойств тканей, различий в микроциркуляции, интенсивности метаболизма и состояния нейрогуморальной циркуляции. По степени чувствительности различных систем организма к магнитному полю первое место занимает нервная система, затем следуют эндокринная система, органы чувств, сердечнососудистая система, кровь, мышечная, пищеварительная, выделительная, дыхательная и костная система.
Действие магнитного поля на нервную систему характеризуется изменением поведения организма, его условно-рефлекторной деятельности, физиологических и биологических процессов. Изменения возникают вследствие стимуляции процессов торможения, чем объясняются возникающий седативный эффект, благоприятное действие магнитного поля на сон и уменьшение эмоционального напряжения. Реакция со стороны ЦНС наиболее выражена в гипоталамусе, далее следуют кора головного мозга, гиппокамп, ретикулярная формация среднего мозга. Это в какойто степени объясняет сложный механизм реакции организма на воздействие магнитным полем и зависимость от исходного функционального состояния (в первую очередь - от нервной системы, а затем уже от других органов).
Под действием магнитного поля в гипоталамусе синхронизируется работа секреторных клеток, усиливаются синтез, выведение нейросекрета из его ядер и одновременно функциональная активность всех долей гипофиза, однако при длительном и мощном (более 70 мТл) воздействии могут угнетаться нейросекреторная функция и развиваться продуктивно-дистрофические процессы в клетках ЦНС. Под влиянием магнитного поля с индукцией малой интенсивности снижается тонус церебральных сосудов, улучшается кровоснабжение мозга, активируется азотистый и углеводнофосфорный обмен, что повышает устойчивость мозга к гипоксии. При воздействии магнитным полем на шейные симпатические узлы и паретичные конечности у больных, перенёсших мозговой инсульт, улучшается церебральный кровоток (данные реоэнцефалографии) и нормализуется повышенное артериальное давление, что свидетельствует о рефлекторном пути действия магнитного поля. Выраженное улучшение мозговой гемодинамики отмечено при действии магнитного поля на субокципитальную область у больных с недостаточностью кровообращения в вертебробазиляр-
ной системе. Воздействие ПеМП на воротниковую область также улучшает гемодинамику и снижает и систолическое, и диастолическое давление до нормы. Таким образом, с помощью ПеМП возможна коррекция нарушенной мозговой гемодинамики при различных патологических состояниях.
Периферическая нервная система реагирует на действие магнитного поля снижением чувствительности периферических рецепторов, что обусловливает обезболивающий эффект, и улучшением проводимости, что благотворно влияет на восстановление функций травмированных периферических нервных окончаний, поскольку улучшаются рост аксонов, их миелинизация и тормозится развитие соединительной ткани.
Возбуждение гипоталамо-гипофизарной системы вызывает цепную реакцию активации периферических эндокринных желёз- мишеней под влиянием рилизинг-факторов, а затем и многочисленных разветвлённых метаболических реакций. Синтез рилизинг-факторов стимулируется в гипоталамо-гипофизарной системе. При воздействии ПеМП индукцией до 30 мТл и частотой до 50 Гц с небольшой экспозицией (до 20 мин) развивается реакция тренировки и повышенной активности всех отделов эндокринной системы. В отличие от угнетающего эффекта многих других раздражителей, под действием магнитного поля стимулируется функция щитовидной железы, что обеспечивает возможность использовать магнитные поля в комплексной терапии при гипофункции этой железы. Несмотря на очень слабую активизацию симпатико-адреналовой системы при первых процедурах, к 7-9-му дню лечения формируется торможение периферических β-адренорецепторов, играющее важную роль в формировании антистрессорного эффекта. Увеличение индукции (выше 120 мТл) и частоты магнитного поля (выше 100 Гц), а также изменение времени его действия сопровождаются появлением гемодинамических расстройств, а вслед за этим и дистрофических изменений в клетках гипофиза, надпочечников и других органов. Эти явления свидетельствуют о развитии стрессовых реакций, вызывающих сдвиги в обмене веществ, уменьшение интенсивности энергетических процессов, нарушение проницаемости клеточных мембран и гипоксию.
При воздействии ПеМП и бегущего импульсного магнитного поля с одинаковой индукцией и частотой на различные части тела (голова, область сердца, предплечье) возникает однотипная реак-
ция со стороны сердечно-сосудистой системы, что подтверждает предположение о рефлекторной природе действия этих полей.
Отмечается снижение давления в системе глубоких и подкожных вен, а также в артериях. Одновременно повышается тонус стенок сосудов, изменяются упругоэластические свойства и биоэлектрическое сопротивление стенок кровеносных сосудов. Изменение гемодинамики (гипотензивный эффект) связано с уменьшением числа сердечных сокращений, а также со снижением сократительной функции миокарда. Это свойство нашло применение при лечении гипертонической болезни, его также используют, чтобы уменьшить нагрузку на сердце.
Магнитное поле вызывает изменения в микроциркуляторном русле различных тканей. В начале воздействия магнитного поля наблюдается кратковременное (5-15 мин) замедление капиллярного кровотока, затем сменяющееся интенсификацией микроциркуляции. Во время курса магнитотерапии и по его окончании возрастает скорость капиллярного кровотока, улучшается сократительная способность сосудистой стенки, улучшается кровенаполнение капилляров; увеличивается просвет функционирующих компонентов микроциркуляторного русла, возникают условия, способствующие раскрытию предсуществующих капилляров, анастомозов и шунтов.
Под влиянием магнитных полей повышается сосудистая и эпителиальная проницаемость, вследствие чего ускоряется рассасывание отёков и введённых лекарственных веществ. Благодаря данному эффекту магнитотерапия нашла широкое применение при травмах, ранах и их последствиях.
При воздействии ПМП, ПеМП и бегущего импульсного магнитного поля усиливаются метаболические процессы в области регенерата кости (при переломе), в более ранние сроки появляются фибробласты и остеобласты в зоне регенерации, костное вещество образуется быстрее и интенсивнее.
Магнитные поля малой интенсивности влияют на ферментативные процессы, изменяют электрические и магнитные свойства элементов крови, принимающих участие в гемокоагуляции. Вследствие активации противосвёртывающей системы, уменьшения внутрисосудистого пристеночного тромбообразования и снижения вязкости крови при действии магнитных полей возникает гипокоагуляционный эффект.
Воздействие магнитного поля оказывает значительное влияние на обмен веществ в организме. При действии на отдельные систе-
мы органов в сыворотке крови увеличивается количество общего белка и глобулинов. Концентрация глобулинов в тканях повышается за счёт α- и γ-глобулиновых фракций. При этом изменяется структура белков. При кратковременном ежедневном общем влиянии магнитных полей на организм содержание пировиноградной и молочной кислот снижается не только в крови, но и в печени и мышцах. При этом содержание гликогена в печени увеличивается.
Под действием магнитного поля в тканях уменьшается содержание ионов Na+ при одновременном повышении концентрации ионов К+, что свидетельствует об изменении проницаемости клеточных мембран. Отмечаются снижение содержания Fe в мозге, сердце, крови, печени, мышцах, селезёнке и повышение его концентрации в костной ткани. Перераспределение Fe связано с изменением состояния органов кроветворения. При этом содержание Cu в сердечной мышце, селезёнке и семенниках повышается, что активизирует адаптационно-компенсаторные процессы организма. Под влиянием магнитного поля возрастает биологическая активность Mg, вследствие чего тормозится развитие патологических процессов в печени, сердце и мышцах.
Магнитные поля небольшой индукции стимулируют процессы тканевого дыхания, повышая интенсивность окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи. Усиливаются обмен нуклеиновых кислот и синтез белков, что влияет на пластические процессы. Воздействие на пролиферацию и регенерацию определяется увеличением перекисного окисления липидов.
Характерным проявлением действия магнитного поля на организм считают активацию метаболизма углеводов и липидов. Об интенсификации липидного обмена свидетельствуют возросшее содержание неэстерифицированных жирных кислот и фосфолипидов в крови и внутренних органах, а также меньшая концентрация холестерина крови.
Воздействие магнитным полем, как правило, не вызывает образования эндогенного тепла, повышения температуры тела и раздражения кожи. Отмечается хорошая переносимость у ослабленных и пожилых больных, страдающих сопутствующими заболеваниями сердечно-сосудистой системы, что позволяет применять устройство во многих случаях, когда воздействие некоторыми другими физическими факторами не показано.
Аппаратура и общие указания о выполнении процедур
В настоящее время применяют более 20 различных аппаратов для магнитотерапии. Наиболее типичны «Полюс-1 (-2, -3, -4, -101)», «Амит-02», «Магнитер», «Маг-30» и др. Воздействие магнитным полем дозируют по виду (форме) магнитного поля и режиму работы аппарата (непрерывный, прерывистый, импульсный). При использовании отдельных аппаратов необходимо отмечать частоту перемещения поля по отдельным участкам тела пациента. Интенсивность магнитного поля указывают в миллитеслах. Кроме того, указывают вид и место расположения индуктора. Индукторы-электромагниты всегда располагают контактно. Указывают направленность магнитных силовых линий индукции по отношению к оси тела или оси конечности, а также взаимное расположение полюсов при двухиндукторной методике воздействия и близком (5-8 см) расположении индукторов. Средняя продолжительность воздействия составляет 10-20 мин. При применении низкочастотного магнитного поля на 2-4 поля в течение одной процедуры продолжительность последней обычно не превышает 40-45 мин. Курс лечения состоит из 10-20 ежедневных процедур.
Показания к лечебному применению магнитных полей:
Заболевания сердечно-сосудистой системы:
❖ гипертоническая болезнь I-II степени,
❖ ИБС со стабильной стенокардией напряжения I-II функционального класса,
❖ ревматизм,
❖ вегетососудистая дистония,
❖ постинфарктный кардиосклероз;
Заболевания и травмы центральной и периферической нервной системы:
❖ травмы позвоночника и спинного мозга,
❖ нарушение спинномозгового кровообращения,
❖ преходящие нарушения мозгового кровообращения,
❖ ишемические мозговые инсульты,
❖ остеохондроз позвоночника,
❖ невриты,
❖ полинейропатии различного происхождения,
❖ невралгии,
❖ неврозы,
❖ неврастения,
❖ англиониты,
❖ каузалгии,
❖ фантомные боли,
❖ параличи, парезы;
Заболевания периферических сосудов:
❖ облитерирующий атеросклероз I-III стадии,
❖ облитерирующий эндартериит I-III стадии,
❖ тромбангиит,
❖ синдром Рейно,
❖ хроническая венозная и лимфовенозная недостаточность,
❖ тромбофлебит поверхностных и глубоких вен в подострый период,
❖ посттромбофлебитический синдром,
❖ диабетические ангиопатии,
❖ полинейропатии,
❖ состояние после аортобедренного шунтирования;
Заболевания и повреждения опорно-двигательного аппарата:
❖ деформирующий остеоартроз (I-III стадии в фазе обострения и ремиссии),
❖ инфекционно-токсические артриты,
❖ полиартриты различной этиологии,
❖ бурситы,
❖ эпикондилиты,
❖ периартриты,
❖ замедленные консолидации переломов, в том числе при металлосинтезе,
❖ наличие гипсовой повязки или аппарата Илизарова,
❖ ушибы, растяжения сумочно-связочного аппарата, вывихи;
Заболевания бронхолёгочного аппарата:
❖ острые пневмонии затяжного течения,
❖ хронический бронхит,
❖ бронхиальная астма (кроме гормонозависимой),
❖ туберкулёз (неактивная форма);
Заболевания желудочно-кишечного тракта:
❖ язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки в фазе обострения и ремиссии,
❖ хронический гастрит,
❖ гастродуоденит,
❖ подострый и хронический панкреатит,
❖ хронический гепатит и затяжное течение острого гепатита,
❖ дискинезия желчевыводящих путей,
❖ хронический холецистит,
❖ хронический неязвенный колит,
❖ состояние после резекции желудка по поводу язвы с целью профилактики пострезекционных осложнений;
Заболевания уха, горла и носа:
❖ вазомоторный ринит,
❖ хронический ринит,
❖ риносинусит,
❖ гайморит,
❖ фронтит,
❖ хронический фарингит,
❖ хронический отит,
❖ ларингит,
❖ трахеит;
Офтальмологические заболевания - подострые и хронические воспалительные заболевания различных сред глаз:
❖ конъюнктивит,
❖ кератит,
❖ иридоциклит,
❖ атрофия зрительного нерва,
❖ начальная форма глаукомы;
Стоматологические заболевания:
❖ пародонтоз,
❖ гингивит,
❖ язвенные поражения слизистой оболочки ротовой полости,
❖ острый артрит височно-нижнечелюстного сустава,
❖ переломы нижней челюсти,
❖ послеоперационные раны и травмы;
Подострые и хронические заболевания мочеполовой системы:
❖ цистит,
❖ уретрит,
❖ пиелонефрит,
❖ аднексит,
❖ метрит,
❖ сальпингоофорит,
❖ простатит,
❖ эпидидимит,
❖ везикулит,
❖ импотенция,
❖ бесплодие,
❖ климактерический синдром,
❖ доброкачественное новообразование (миома, фибромиома) с учётом возраста, гормонального фона и динамики процесса;
Аллергические и кожные заболевания:
❖ вазомоторный ринит,
❖ бронхиальная астма,
❖ псориаз,
❖ нейродермит;
Трофические язвы;
Вяло гранулирующие раны;
Обморожения;
Пролежни;
Предоперационная подготовка и послеоперационная реабилитация;
Спаечная болезнь;
Повышение иммунного статуса. Противопоказания:
Непереносимость тока;
Общие противопоказания к физиотерапии;
Артериальная гипотензия;
Наличие кардиостимулятора;
Ранний постинфарктный период;
Выраженный тиреотоксикоз;
Гипоталамический синдром.
Лечебные методики
Воздействие на грудную клетку при воспалительных заболеваниях лёгких и бронхиальной астме
Первый способ: цилиндрические индукторы (аппарат «Полюс-1») располагают контактно последовательно на заднебоковых отделах грудной клетки, 1-е поле - на уровне Th IV -Th VII ; 2-е поле - на уровне Th IX -Th XII . ПуМП, направление силовых линий горизонтальное, режим непрерывный, I-III ступени интенсивности (в зависимости от возраста), по 5-6 мин на каждое поле. Первые 4-5 процедур назначают через день, последующие - ежедневно, курс лечения состоит из 8-12 процедур.
Второй способ: используют ПуМП в прерывистом режиме (2 с посылка, 2 с пауза), расположение индукторов и физические параметры те же.
Третий способ: непрерывное магнитное поле на уровне C IV -Th V , направление силовых линий вертикальное, физические параметры те же.
Воздействие на суставы
Цилиндрический индуктор с П-образным сердечником (аппараты «Полюс-1», «Полюс-3») располагают контактно с противоположных сторон сустава. Магнитную индукцию через каждые три процедуры увеличивают с I по IV деления переключателя интенсивности. Поле пульсирующее, частота 10-50 Гц, продолжительность процедуры 20-30 мин. Курс лечения включает 10-15 ежедневных процедур. Воздействие на конечности при заболевании сосудов Конечность помещают в индуктор-соленоид аппаратов БИМП, «Алимп-1»; ещё 2-3 индуктора располагают на поясничной области. Частота ПеМП 10-100 Гц, интенсивность магнитной индукции 5 мТл, продолжительность процедуры 20-30 мин. Курс лечения включает 10-20 ежедневных процедур.
Воздействие на позвоночник
Прямоугольные индукторы (аппараты «Полюс-1», «Полюс-2») помещают паравертебрально контактно на соответствующий отдел позвоночника. Первую половину лечебного курса выполняют при индукторах, расположенных разноимёнными полюсами над проекцией поражённого участка. Поле пульсирующее, положение переключателя интенсивности - III-IV, частота 10-50 Гц, продолжительность процедуры 20-30 мин. Курс лечения включает 10-15 ежедневных процедур.
Воздействие переменным магнитным полем низкой частоты на область симпатических узлов
Индукторы с U-образным сердечником устанавливают паравертебрально в области шейно-грудных или поясничных симпатических узлов так, чтобы одноимённые полюса были обращены друг к другу, т.е. чтобы стрелки индукторов были обращены друг к другу и располагались на одной прямой; зазор между телом и индуктором 5-10 см. Режим непрерывный, синусоидальный. Переключатель интенсивности в положении «2». Процедуры продолжительностью 10 мин проводят ежедневно или через день, до 20 процедур на курс лечения.
Воздействие переменным магнитным полем низкой частоты на очаги поражения кожи
Индуктор с U-образным сердечником устанавливают над очагом поражения с зазором 5-10 см. Режим непрерывный, синусоидальный. Переключатель интенсивности сначала находится в положении «1», с 7-й процедуры его постепенно доводят до положения «4». Продолжительность процедуры увеличивают с 10 до 20 мин, удлиняя каждую вторую процедуру, после чего в таком же порядке сокращают продолжительность процедур до 10 мин. Первые 5 процедур проводят ежедневно, последующие - через день, до 15 процедур на курс лечения.
Воздействие переменным магнитным полем низкой частоты на органы малого таза женщин
Первый способ: индуктор с U-образным сердечником располагают (без зазора) над лонным сочленением на стороне поражения. Режим непрерывный, синусоидальный или пульсирующий однополупериодный в прерывистом режиме (длительность посылок и пауз - по 2 с). Переключатель интенсивности - в положении «4». Процедуры продолжительностью 20 мин проводят ежедневно или через день, до 15 процедур на курс лечения.
Второй способ: специальный индуктор вводят во влагалищный свод соответственно локализации поражения. Режим непрерывный синусоидальный или пульсирующий однополупериодный в прерывистом режиме (длительность посылок и пауз - по 2 с). Переключатель интенсивности - в положении «4». Процедуры продолжительностью 20 мин проводят ежедневно или через день (исключая период менструаций), до 10 процедур на курс лечения.