Текст
                    Биомедицинская инженерия
системы
комплексной
ЭЛЕКТРОМАГНИТОТЕРАПИИ
Под редакцией
А. М. Беркутова, В. И. Жулева,
Г. А. Кураева, Е. М. Прошина
Рекомендовано
Учебно-методическим объединением Министерства образования РФ
в качестве учебного пособия для студентов вузов
по направлению «Биомедицинская инженерия»
МОСКВА
Лаборатория Базовых Знаний
БИНОМ
20 0 0

ББК 34.7+53.54 УДК 615.472.03:615.847.8 С 34 Авторский коллектив: Беркутов А.М., Виноградов А.Л., Глобин В.И., Гуржин С Г., Жулев В.И., Калакутский Л.И., Кириллов Ю.Б., Кряков В.Г., Кураев Г.А., Пришин Е.М., Ступаков Г П., Сучкова Ж.В., Швальб П.Г., Щербинина Н.В. Рецензенты: — НИИ новых медицинских технологий, г. Тула (директор, декан медицинского факультета ТулТГУ, профессор Хадарцев А.А.); — председатель Учебно-Методических Советов по направлению «Биомедицинская инженерия» и медико-технических специальностей 19.05.00 и 19.06.00 профессор Попечителев Е.П. Системы комплексной электромагнитотерапии: Учебное пособие для вузов / Под ред А.М. Беркутова, В.И. Жулева, Г.А. Кураева, Е.М. Прошина. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000 г. — 376 с.: ил. В книге рассмотрены вопросы создания устройств и систем, искуственно формиру- ющих динамические магнитные поля, а также систем электростимуляции, применяемых для лечения различных заболеваний. Изложены биофизические основы взаимодействия электромагнитных полей с биообъектами, рассмотрены особенности расчета и проек- тирования систем электромагнитотерапии, показаны результаты их использования в ле- чебной практике, даны рекомендации по применению. Учебное пособие рассчитано на преподавателей и студентов медико-технических на- правлений и специальностей вузов, биологов, физиологов, врачей, в особенности фи- зиотерапевтов, и инженеров, занимающихся разработкой и использованием электронной медицинской техники. Все права защищены Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, магнитную запись или иные средства копирования или сохранения информации без письменного разрешения издательства. По вопросам приобретения обращаться: В Москве «Лаборатория Базовых Знаний» (095)955-03-98, e-mail: lbz@aha.ni «Познавательная книга» (095)170-66-74, e-mail: poznkn@orc.ni В Санкт-Петербурге «Диалект» (812)247-93-01, e-mail: dialcct@sndlct.iofTe.rssi.ru © Беркутов А.М., Жулев В.И., ISBN 5-93208-046-9 'to’ ОСрку IUD П. JY1 -, U.FI Кураев Е.М., Прошин Е.М. © Лаборатория Базовых Знаний, 2000
П р едисловие В последние десятилетия в России и за рубежом интенсивно разви- вается перспективная область медицины — электромагнитотерапия, ос- нованная на использовании биологического и лечебного действия электромагнитных полей (ЭМП). Многочисленные лабораторные и кли- нические опыты показали высокий лечебный эффект ЭМП, они активно влияют на обмен веществ, оказывают противовоспалительное, обезбо- ливающее, спазмолитическое действие и вызывают многогранные ответ- ные реакции организма. Широкое распространение электромагнитотерапии в практике со- провождается созданием большого числа различных полесоздающих тех- нических средств и методов их применения. Вопросы исследования ме- ханизма действия ЭМП на организм, технологии лечения многих забо- леваний, описания конкретных устройств опубликованы в ряде монографий, трудах конференций, тематических сборниках и специали- зированных журналах. В данной области знаний работают врачи, био- логи, физиологи, инженеры и специалисты других профессий. Однако, несмотря на многочисленные публикации, вопросы разра- ботки единых подходов к оценке лечебного эффекта, унификации ме- тодик воздействия ЭМП на организм, принятия единой терминологии, создания учебников и учебных пособий не получили достаточного раз- вития и освещения. Это в значительной мере сдерживает дальнейшее развитие электромагнитотерапии. Поэтому для достижения высокой эф- фективности электромагнитотерапии необходимо решение целого ряда связанных между собой научных, технических и организационных задач. Среди главных из них отметим необходимость более полного и точного описания механизма действия поля на организм, развития методов и средств диагностики заболеваний и выбора методик лечения, разработки нормативной базы по приведению в единую систему понятий, класси- фикаций, требований, методик, создания теории и инженерных методик по проектированию электромагнитной аппаратуры, подготовки кадров медицинского и медико-технического профиля, подготовки учебников и учебных пособий. Настоящее учебное пособие посвящено анализу состояния вопроса по решению названных задач и систематизированному изложению тео- ретических и практических основ электро- и магнитотерапии. С целью
4 Системы комплексной электромагнитотерапии облегчения усвоения материала книги он изложен в виде двух частей. В первой части, на наш взгляд, достаточно полно раскрыты вопросы методологии, теоретических и практических аспектов развития магни- тотерапии и ее технических средств. В ее подготовке и написании уча- ствовали ученые Рязанской государственной радиотехнической акаде- мии, Рязанского государственного медицинского университета, Рязан- ского клинического кардиологического диспансера, Ростовского государственного университета и Государственного научно-исследова- тельского испытательного института МО РФ (авиационной и космичес- кой медицины), г. Москва. Вторая часть посвящена одному из наиболее разработанных видов электротерапии и ее средствам — системам электронейростимуляции. Данный раздел подготовлен учеными Самарского государственного аэро- космического университета. Учебное пособие рассчитано на преподавателей и студентов меди- ко-технического направления, биологов, физиологов и медицинских ра- ботников. Оно в значительной мере заполняет вакуум знаний по влия- нию электромагнитных полей на биологические объекты и проектиро- ванию электромагнитных систем терапевтического и диагностического назначения. Книга является трудом большого авторского коллектива, объединен- ного целями и задачами Межвузовской научно-технической программы «Автоматизированные системы медико-биологического назначения» (на- учный руководитель — профессор Г. А. Кураев). Авторы выражают благодарность профессору Кириллову С. Н. за подготовку материала и написание раздела 7.8; докторам медицинских наук, профессорам Дильдину А. С. и Манелису Э. С. за обеспечение медицинского аспекта исследований систем электростимуляции; Вер- бицкому Е. В., Волкову И. В., Коломийцу О. М., Орлову В. И., Светни- кову О. Г., Юдаеву Ю. А. за любезно предоставленные материалы в некоторые разделы книги. В формировании направлений исследований, использовании их ре- зультатов и подготовке книги большую роль сыграли и оказали под- держку профессор Ю. В. Шленов и кандидат технических наук С. К. Сергеев. Авторы выражают глубокую признательность профессору А. А. Ха- дарцеву, директору НИИ новых медицинских технологий (г. Тула) и профессору Е. П. Попечителеву, председателю Учебно-Методических Советов по направлению «Биомедицинская инженерия» и медико-тех- нических специальностей 19.05.00 и 19.06.00 (г. Санкт-Петербург), взяв- шим на себя труд по рецензированию книги. Замечания и пожелания по книге просим направлять по адресу: 391000, ГСП, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1, Рязанская государственная радиотехническая академия. Авторы
Введение В начале XX века на пересечении сфер интересов физики электро- магнитных полей и биологии зародилась и стала бурно развиваться новая наука — электромагнитная биология. Логическим продолжением собы- тий явилось ее взаимодействие (объединение) с медициной, в результате которого медицинская практика получила новые высокоэффективные методы диагностики — магниторезонансные томографию и лечение — комплексную магнитотерапию. Лечебные электромагнитные поля (ЭМП) имеют большое разно- образие по закону изменения во времени, частотному спектру, по видам и геометрии в пространстве. В медицинской практике широкое применение получили низкочастотные поля, которые можно рассмат- ривать как «чистые» магнитные или электрические поля. В соответ- ствии с этим используются термины магнитотерапии и электротера- пии. Магнитные поля (МП) и электрические токи в заданном био- контуре (электрические поля — ЭП) создаются техническими средствами, включающими в себя полеформирующий индуктор и уст- ройство управления им. По функциональным возможностям, уровню структурной сложности и технологии взаимодействия средств с орга- низмом их можно разделить на простые изделия (например, магнит- ные клипсы, браслеты), аппараты и системы [1]. Изделия и аппараты, как правило, оказывают местное воздействие на небольшую область тела, отдельный орган или очаг поражения. Именно с созданием и внедрением в клиническую практику широкой номенклатуры аппара- тов локального действия развивалась электромагнитотерапия, которая базировалась на представлениях, главным образом, физико-химичес- кого и энергетического воздействия поля на клеточно-молекулярном уровне. Данные представления, к сожалению, до сих пор не имеют достоверных количественных описаний, что связано с недостаточной изученностью механизма действия локальных полей, сложностью их задания и описания. Несмотря на неполную разрешенность теоретических и практичес- ких задач терапии при локальном воздействии, в настоящее время ин- тенсивно развивается электромагнитотерапия, основанная на воздейст- вии полей на весь организм 12-9]. Она обеспечивает более высокий биологический и лечебный эффект. На примере магнитотерапии легко
6 Системы комплексной элекгромагнитотерапии показать необходимость комплексного подхода в методологии исследо- ваний и лечения при воздействии полем на весь организм [10-14]. В самом деле, при общем воздействии (ОВ) представления о дейст- вии поля только в виде физико-химического свойства явно недостаточ- но, поскольку организованному воздействию подвергаются все клетки, органы, системы организма, механизмы их взаимосвязей и взаиморегу- лирования. При реализации ОВ создается сложная биотехническая сис- тема (БТС), в которой главное звено — испытуемый биообъект, под- вергающийся воздействию многих случайных и задаваемых факторов, должно иметь адекватное описание до, во время и после воздействия полем. Идеология общего воздействия, уровень совершенства техноло- гии воздействия и технических средств, а также квалификация медпер- сонала предполагают реализацию многоконтурной биотехнической об- ратной связи, оперативную диагностику, оптимизацию процедур воздей- ствия и значений биотропных параметров поля. Магнитотерапию, основанную на вышеперечисленных принципах и реализующую поименованные возможности, далее будем называть ком- плексной магнитотерапией (КМТ), а структуры медико-технологичес- ких, технических и организационных средств, реализующих КМТ, со- ответственно, системами комплексной магнитотерапии (СКМ). Важной проблемой магнитотерапии является проблема задания и описания магнитного поля, расположения биообъекта в нем и представ- ления медперсоналом картины поле-пациент. Даже поля простых изде- лий и аппаратов из-за неоднородности и сложной формы не могут быть описаны словами, и, тем более, какими-то нормально воспринимаемыми формулами. Что же касается полей общего воздействия, где, как пра- вило, используются импульсные бегущие или вращающиеся поля, про- блема описания, формирования и представления поля перерастает в неразрешимую проблему, не позволяющую лечащему врачу эффективно использовать многочисленные характеристики и вариации поля. В связи с этим возникает задача создания образного представления поля и его наложения на биообъект, что, как ни парадоксально, в системах общего воздействия может быть реализовано более продуктивно, чем в аппаратах локального воздействия. Системы общего воздействия содержат полеза- дающее устройство в виде скафандра, специальной кушетки или зам- кнутого пространства с заданной известной геометрией, где пациент имеет определенную фиксацию в пространстве и возможность задания размеров. Удачные двух- и трехмерные представления поле-пациент для врача, а может и для пациента, изображенные на современных дисплеях с использованием цветового разделения признаков и задания оцифро- ванных уровней поля в реальном масштабе времени, на наш взгляд, значительно поднимут эффективность СКМ. Данная задача в постано- вочном плане и частичное ее решение рассматриваются в настоящей работе. Другой, может быть, самой важной задачей комплексной магнито- терапии на данном этапе, является задача обеспечения оперативного
Введение 7 контроля состояния систем организма пациента и их диагностика во время процедуры общего воздействия. Участие всех систем организма во взаимодействии с полем в редких случаях нарушения синхронизации может привести к срыву адаптационных реакций, чего нельзя допускать. Вместе с этим не менее важным является оперативное изменение ха- рактеристик поля по мере воздействия на пациента в соответствии с его самочувствием, т.е. важно реализовать оптимизацию воздействия для получения максимального комфорта пациента или другого полезного эффекта [2, 3, 14]. Возможность оперативной диагностики и осущест- вление режима оптимизации воздействия может дать специальная, по- мехозащищенная измерительная и диагностическая аппаратура, синхро- низируемая биоритмами пациента и включаемая в контур биотехничес- кой обратной связи. Понимая сложность рассматриваемого вопроса с технической и, особенно, с математической стороны, авторы, тем не менее, предприняли попытку осветить в книге основные предложения и технические результаты в данном направлении. Комплексность электромагнитотерапии еще более выпукло демон- стрируется современной клинической практикой использования комби- нированных методов и процедур. Получили широкое распространение магнитолазеротерапия, термобаромагнитотерапия, магнитотерапия на фоне медикаментозного лечения и т.п. Безусловно, сочетанные методы хранят в себе огромные возможности и их эффективность может быть выше в десятки и сотни раз, и это необходимо осваивать. Но при этом возникают еще более сложные вопросы изучения и описания механизма действия на организм последовательности или аддитивного воздействия двух, трех и более факторов в различных сочетаниях по форме и уровню. А задача управления воздействием и его оптимизации, видимо, долго будет неразрешенной в полной мере. Несмотря на заметный пессимизм в вопросе получения максимальной выгоды от сочетанных методов, в данной книге представлены некоторые методики и результаты магнито- терапии, используемой одновременно с другими методами.
Глава 1 ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИООБЪЕКТЫ 1.1. Прошлое и настоящее магнитобиологии и магнитотерапии Жизнь на Земле зародилась и развивалась в «магнитной колыбели» Земного шара, что не могло не отразиться на структурных и функцио- нальных особенностях всего живого. Надо полагать, что не случайно преобладающие частоты электроэнцефалограммы мозга человека (ЭЭГ) и низкочастотные пульсации геомагнитного поля (ГМП) имеют опре- деленное сходство. Очевидно, что формирование внутренних биоритмов, происходящее в процессе многовековой эволюции, не обошлось без участия внешних ритмов магнитного поля Земли. Эта взаимосвязь была отмечена еще с древних времен и эпизодические попытки использовать магнитные поля (МП) в лечебных целях прослеживаются из глубины веков. Однако официальной датой рождения магнитобиологии следует считать 1780 год, когда врачи Анри и Туре на заседании Королевского медицинского общества Франции впервые сообщили о возможности лечебного применения магнитов. После этого магнитотерапия приобрела целенаправленный и систематический характер [15]. Спустя 100 лет магнитотерапия получила новый импульс к развитию в связи с возникшей модой на металлотерапию. В этот период как за рубежом, так и в России стали более широко применять в лечебных целях постоянные магниты как источники МП. В 1881 г. вышла первая отечественная монография Н. И. Григорьева, посвященная терапевти- ческому действию магнитов, которая заложила теоретические и практи- ческие основы дальнейшего развития метода. Заметной вехой в развитии магнитобиологии стало появление в 1901 году монографии известного русского физиолога В. Я. Данилевского «Исследования над физиологи- ческим действием электричества на расстоянии», в которой он изложил и систематизировал многие вопросы электромагнитотерапии [16]. В начале 30-х годов XX столетия мировая медицинская практика обогатилась рядом аппаратов, способных создавать различные типы маг- нитных полей. В СССР на основе прибора, генерирующего низкочас- тотное МП, был сконструирован аппарат, который позволял воздейст- вовать не только на зону поражения при прикладывании к ней магнит- ного индуктора, но и на все тело пациента. По-видимому, это было
10 Глава 1 первое магнитотерапевтическое устройство, позволяющее осуществлять как общее, так и местное воздействия МП на организм. Дальнейшее развитие магнитотерапии шло по пути реализации обоих этих направ- лений. В Италии Эльман создал прибор для локальной магнитотерапии (1-2 одновременно работающие катушки с сердечником), а в Дании К. Эденфельс получил патент на аппарат, основной функциональной час- тью которого были гибкие круглые соленоиды разного диаметра, что позволяло воздействовать магнитным полем на весь организм. В США были разработаны аппараты I-ON-CO, «Vitrona», «Theronoid» с индук- тором-соленоидом, запитываемым синусоидальным током [17]. В этот же период заметным вкладом в развитие магнитотерапии явились научные и инженерные разработки советского ученого, одного из создателей Пермской школы магнитологов, В. И. Кармилова. Под его руководством в 1938 году был сконструирован электромагнитный аппарат для лечения больных со злокачественными опухолями (индук- ция магнитного поля 60 мТл), однако только через десять лет, уже в послевоенные годы, результаты этих и других исследований были обоб- щены в сборнике научных работ «Биологическое и лечебное действие магнитного поля и строго периодической вибрации», который явился первым коллективным трудом в этой области [18]. К сожалению, аппа- раты В. И. Кармилова производились в единичных экземплярах и, кроме Перми, нигде не применялись, но работы Пермской школы вдохновили многих исследователей нашей страны. Послевоенные сороковые-пятидесятые годы в Советском Союзе оз- наменовались для магнитобиологии как науки формированием ведущих центров с оригинальными научными направлениями в Москве (АН СССР), Витебске, Саратове, Перми, Куйбышеве, Ростове-на-Дону и других городах. Стали проводиться глубокие фундаментальные исследо- вания в области взаимодействия живых организмов с магнитными по- лями. О. С. Шерстнева и Р. Г. Скачедуб (1951 и 1954 гг. соответственно) защитили первые кандидатские диссертации, посвященные исследова- нию влияния МП на фагоцитарную активность и на проницаемость сосудов в мышечной ткани [19, 20]. В конце пятидесятых годов Ю. А. Холодов, который в настоящее время является одним из ведущих маг- нитологов мира, защитил диссертацию на тему «К физиологическому анализу действия магнитного поля на животных» [21]. Растущая потребность в новых совершенных генераторах МП, при- годных для использования в лечебных учреждениях, стимулировала ин- женерную мысль. В 1959 г. В. Робеску сконструировал электромагнит- ный терапевтический аппарат, а в 1969 г. в Румынии был создан новый, более усовершенствованный аппарат «Магнитодиафлюкс». Отечествен- ные ученые Н. Ф. Муравьев и Э. В. Картюков разработали устройство для лечения травм и сосудистых заболеваний (индукция МП составляла 50 мТл). Интенсивное накопление новых сведений о действии МП на чело- века и животных, разнообразные методики и многочисленные преце-
Действие магнитных полей на биообъекты 11 денты применения МП в медицинской практике обусловили потреб- ность в широком обсуждении и обобщении имеющейся научной инфор- мации для координации дальнейших исследований. С этой целью в 1966 году в Москве было проведено I Всесоюзное совещание по магнитоте- рапии, которое утвердило магнитобиологию в роли одного из направ- лений медицинской науки, а магнитотерапию — как перспективный метод физиотерапии. Становление магнитобиологии как науки сопровождалось созданием новых и совершенствованием уже имеющихся генераторов магнитных полей. В конце 60-х годов в СССР был сконструирован первый аппарат для промышленного производства «Полюс-1», который стал серийно выпускаться с 1975 г. Несколько позже появились его модификации («Полюс-2», «Полюс-101»), а также аппараты других моделей: «Алимп- 1», «Маг-30», «Градиент-1», «ПДМТ-01» и др. Справедливости ради сле- дует отметить, что все они предназначались для местного воздействия на пораженный орган. Подробные характеристики приборов полно пред- ставлены и хорошо описаны в книге Г. Р. Соловьевой [1]. В научном коллективе Рязанского радиотехнического института изна- чально было избрано направление по созданию магнитотерапевтических аппаратов общего действия. В семидесятых годах его сотрудниками в со- дружестве с научными работниками медицинского института был создан макетный образец магнитотерапевтического аппарата общего действия «Звезда», с помощью которого были проверены обоснованность основных принципов построения подобных аппаратов, его лечебный эффект и тех- нология отпуска физиотерапевтических процедур. Полученные данные по- зволили разработать и создать более совершенный магнитотерапевтический аппарат, который под названием «Аврора МК-01» в 1991 г. прошел неза- висимые клинические испытания и по рекомендации Комитета по новой технике при М3 СССР стал производиться серийно. В этот же период времени в СССР параллельно разрабатывались и создавались конструкции и изделия с использованием постоянных маг- нитов: листовые аппликаторы, магнитные ремешки, двухполюсные ме- дицинские магниты, магнитные таблетки, клипсы и др. Таким образом, к настоящему времени в России и за рубежом создано около 100 раз- личных аппаратов и систем, генерирующих различные МП. В 1975 г. в Болгарии была проведена 1-я Международная конфе- ренция по основным направлениям бионики, на которой обсуждались вопросы действия МП на информационные процессы в биообъектах и, в частности, возможность управления с помощью МП деятельностью организма в норме и патологии. Вскоре после этого события Минис- терство здравоохранения СССР создало проблемную комиссию «Маг- нитобиология и магнитотерапия в медицине». Возглавил комиссию из- вестный в этой области ученый А. М. Демецкий. Роль комиссии в ко- ординации исследований, организации всевозможных конференций, стимуляции роста научных кадров и публикаций, в решении многих других задач трудно переоценить.
12 Глава 1 Были проведены конференции в Ленинграде, Ростове-на-Дону, Са- маре, Рязани и других городах, которые внесли существенные научные вклады в теорию и практику магнитотерапии. На конференции в Рос- тове-на-Дону (1989 г.) рассматривались механизмы действия магнитных и электромагнитных полей на биологические системы различных уров- ней организации. Научные группы из многих городов нашей страны представили на обсуждение около 250 докладов. Наиболее значимыми были работы Белорусской школы (А. М. Демецкий), Ростовской школы (В. Н. Чернов, Л. X. Гаркави), Московской школы (Ю. А. Холодов). В работах последней особое внимание привлекло положение о том, что центральная нервная система вовлекается в физиологические механизмы регуляции при воздействии магнитными полями [22]. Широкое освещение научных результатов фундаментальных иссле- дований по действию МП на биообъекты, выполненных Самарской шко- лой магнитологов, было сделано на Самарской конференции в 1991 году [23]. Эти результаты существенно расширили рамки представлений о явлениях и процессах в клетках, органах и системах организма. В 1995 г. в Рязани проведена Всероссийская научная конференция «Электромагнитные поля в медицине и биологии». В ее работе приняли участие практически все ведущие специалисты и научные школы маг- нитологии и магнитотерапии. При обсуждении главных научных направ- лений повышенное внимание было уделено инженерным проблемам магнитотерапии, особенно оптимизации построения, структур и техно- логий применения систем общего воздействия. Впервые подробно рас- сматривался вопрос организации биотехнической обратной связи при воздействии магнитным полем на организм. А. М. Демецкий (г. Витебск) в своем докладе систематизировал ре- зультаты фундаментальных и прикладных исследований по магнитоло- гии в России и за рубежом, сформулировал главные направления даль- нейших исследований, отметил острую необходимость усиления коор- динации работ, выпуска справочной и нормативной базы. Ю. А. Холодов (г. Москва) информировал о последних фундаментальных исследовани- ях, проведенных в РАН, по изучению реакции нервной системы человека на электромагнитные поля. В. Н. Чернов (г. Ростов-на-Дону) обозначил перспективы создания нового поколения электромагнитных терапевти- ческих приборов с малой интенсивностью поля. Ю. Б. Кириллов (г. Ря- зань) подробно изложил методологию практической магнитотерапии при воздействии на весь организм импульсным бегущим магнитным полем низкой интенсивности, подчеркнув возможность использования различ- ных воздействий магнитным полем для лечения широкого спектра за- болеваний, эффективность которых проверена на большом статистичес- ком материале. В докладах А. М. Беркутова и Е. М. Прошина (г. Рязань) описано семейство систем комплексной магнитотерапии «Аврора МК», обоснованы основные принципы построения, критерии их оптимизации. Показаны одноконтурные и многоконтурные схемы организации обрат- ной связи при воздействии и возникающие при этом дополнительные
Действие магнитных полей на биообъекты 13 задачи по созданию новых помехоустойчивых измерительных средств. С содержательным обобщающим докладом по развитию магнитологии и магнитотерапии в рамках Межвузовской НТП «Автоматизированные системы медико-биологического назначения» выступил ее научный ру- ководитель Г. А. Кураев (г. Ростов-на-Дону). Он подчеркнул, что наряду с биологическими и медицинскими аспектами исследований, необходи- мо развивать нормативную базу магнитотерапии, метрологическое обес- печение ее исследований и практики. Заканчивая краткий экскурс в историю использования МП в меди- цинской практике и анализ современного состояния магнитобиологии, необходимо отметить, что, несмотря на давнюю известность положи- тельного лечебного действия МП, реальное научное обоснование для применения их в медицине появилось лишь в последние 20-30 лет. Созданные к настоящему времени различные магнитотерапевтические аппараты местного и общего воздействия широко используются в прак- тике здравоохранения. Однако дальнейшее расширение применения магнитных полей в медицине сдерживается отсутствием единой об- щепринятой теории влияния МП на человеческий организм, что затрудняет разработку четко определенного перечня показаний для применения МП, выбор вида МП при различных патологических состояниях, подбор индивидуальных доз воздействия. В связи с этим основными задачами в деятельности научного содружества инженеров и врачей еще долгое время будут изучение и выбор оптимальных режи- мов магнитных воздействий, поиск путей максимальной индивидуали- зации лечебных программ. 1.2. Виды и классификация магнитных полей Земля представляет собой постоянный магнит и создает так назы- ваемое геомагнитное поле Земли (ГМПЗ) с индукцией около 50 мкТл. ГМПЗ носит стационарный характер и является для человека в любой точке Земли однородным и равномерным, так как размеры человека ничтожно малы по сравнению с размерами источника. Наряду с наличием стационарного ГМПЗ, на Земном шаре возмож- но появление нестационарных МП. В первую очередь к ним следует отнести так называемые магнитные бури, источником возникновения которых являются энергетические взаимодействия с Солнцем планет Солнечной системы, в том числе и Земли. При магнитных бурях, в основном, формируются поля вихревой структуры. Кроме них следует учитывать такой природный феномен, как грозовые разряды, рождаю- щие мощные электромагнитные (ЭМ) импульсы очень широких спект- ров. Помимо стационарных и нестационарных МП естественного про- исхождения в последние десятилетия реальными факторами воздействия становятся искусственные постоянные и переменные магнитные поля, создаваемое промышленными объектами: электростанциями, линиями
14 Глава 1 электропередач, ускорителями частиц, мощными радиопередающими устройствами, коммутаторами энергосетей, транспортом и другими тех- ническими устройствами. Таким образом, общая магнитная обстановка планеты складывается как бы из двух компонент: постоянной составляющей, являющейся ГМПЗ, и случайной (хаотической), складывающейся из нестационарных природных полей и из всех видов искусственных полей. Взаимодействие источников, формирующих хаотическую составляющую, нарушает одно- родность и равномерность ГМПЗ. Все вышесказанное диктует необходимость в детальном разборе ха- рактеристик, механизмов и специфики формирования и действия элект- рических, магнитных и электромагнитных полей на живые организмы. Анализируя физические параметры постоянного электрического поля и возможности его воздействия на биообъекты, следует отметить, что оно образуется в пространстве вокруг неподвижного заряда или в системе зарядов и обладает силовым действием на другие заряды (заря- женные частицы, тела и т.п.). Силовое взаимодействие зарядов описы- вается законом Кулона. Основной характеристикой электростатического поля является его напряженность Е, которая определяется как сила, действующая на единичный заряд. Силовые линии поля либо начина- ются и оканчиваются на электрических зарядах, либо одним концом уходят в бесконечность. Во всех точках пространства, окружающего движущийся электри- ческий заряд (электрический ток), всегда существует поле сил, называе- мое магнитным полем. Между системами произвольных токов возника- ют механические силы взаимодействия, т.е. магнитное поле обладает силовым воздействием на движущиеся заряды или токи. Исчерпываю- щей характеристикой магнитного поля, описывающей его состояние в каждой точке пространства, является вектор напряженности поля Н. Поскольку магнитное поле, в отличие от электрического, возбуждается не магнитными зарядами (их не существует), а движением электрических зарядов, то магнитные силовые линии не могут ни начинаться, ни кон- чаться ни в каких точках поля. Следовательно магнитные силовые линии могут быть либо замкнутыми, либо простираются из бесконечности в бесконечность. Постоянное магнитное поле образуется постоянным электрическим током или возбуждается постоянным магнитом. Поле постоянных магнитов (намагниченных магнетиков), как и всякое маг- нитное поле, создается циркулирующими в магнетике электрическими токами и складывается из поля молекулярных токов, магнитных момен- тов токов, соответствующих орбитальному движению электронов, и из дипольных спиновых магнитных моментов электронов. В системе, характеризующейся переменным током или переменным зарядом, возникает электромагнитное поле, имеющее две компоненты: электрическую и магнитную составляющие. Состояние такой системы описывается уравнениями Максвелла [24]:
Действие магнитных полей на биообъекты 15 rotE = - — с ЭН at ’ (1.1) rotH = - — с ЭЕ 4л . Э1 + с J где j — вектор плотности тока проводимости, с — скорость света в вакууме, из которых следует, что любое изменение магнитной состав- ляющей поля порождает изменение электрической составляющей и на- оборот. Электромагнитное поле обладает энергией W3M, которая зависит от его параметров [25]: W3M = ^fDEdV + ifHBdV, (1.2) V V где D и В — векторы электрической и магнитной индукции поля, V — объем пространства, занимаемого полем, и складывается из двух ком- понент: электрической и магнитной. Соотношение между компонентами зависит от физической природы источника поля и от расстояния до этого источника. Установлено, что на расстоянии длины волны А, от источника излучения поле имеет ярко выраженный электрический или магнитный характер с подавляющим преобладанием энергии одной ком- поненты [26]. На расстоянии (5...6)Х от источника поле принимает плос- кую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, энергия которой поровну распределяется между электрической и магнитной со- ставляющими. Магнитные поля создаются преимущественно цепями с низким волновым сопротивлением, большими токами при относительно малых перепадах напряжения (индуктивные элементы), а электрические поля — цепями с большим сопротивлением при высоких напряжениях и малых токах (емкостные элементы). Во всех известных на сегодняшний день магнитотерапевтических аппаратах и системах переменное электромагнитное поле возбуждается либо с помощью индукторов-соленоидов, либо с помощью индукторов- электромагнитов в диапазоне частот от инфранизких до 10 кГц. Длина волны, соответствующая частоте 10 кГц, составляет 30 км. Следователь- но, во всех применяемых в медицине аппаратах для магнитотерапии воздействие осуществляется практически чистым магнитным полем. Более того, с теоретической точки зрения, учитывая геометрические размеры человека, индуктивные источники электромагнитного излуче- ния будут обладать подобным действием на частотах до 10 МГц (длина волны 30 м). На более высоких частотах необходимо будет учитывать распределение энергии между электрической и магнитной компонента- ми электромагнитного поля. Помимо этого следует помнить, что живая ткань в электрическом отношении представляет собой проводник и, поэтому, практически про- зрачна для магнитного поля. Исследования ряда авторов [1, 27] показали, что глубина проникновения МП в проводящую среду, аналогичную
16 Глава 1 живой ткани, на частотах 10 Гц и 10 кГц составляет соответственно 120 и 4 м, что намного превышает габариты человека. Ослабление интен- сивности поля в биообъекте на расстоянии 0,2 м от поверхности тела составляет для этих частот всего 0,2% и 5%. Следовательно, в медицин- ских исследованиях и биологических экспериментах поглощением энер- гии МП живыми тканями можно пренебречь. Ниже приводятся основные характеристики магнитных полей, пред- ставляющих интерес в плане их использования в медицинских целях. Постоянным магнитным полем (ПМП) является поле, индукция ко- торого не изменяется во времени. В каждой точке пространства вектор магнитного поля остается постоянным по значению и направлению. ПМП образуется либо постоянным магнитом, либо постоянным элект- рическим током, протекающим по какому-либо проводнику. Любой ис- точник ПМП имеет два полюса: северный (N) и южный (S). Переменное магнитное поле (ПеМП) образуется с помощью индук- торов при питании их переменными токами. В ПеМП в каждой точке пространства изменяются как значение, так и направление вектора маг- нитной индукции в соответствии с законом изменения тока. Частным случаем ПеМП является синусоидальное магнитное поле, которое об- разуется при питании индуктора от промышленной сети переменного тока или от специального генератора синусоидальных колебаний. Такое поле является моногармоническим. Большинство промышленно выпус- каемых магнитотерапевтических аппаратов либо непосредственно пита- ются от сети переменного тока, либо имеют в одном из режимов питание синусоидальным током. Поэтому в существующей научно-технической литературе аббревиатура «ПеМП» относится, в основном, именно к си- нусоидальным магнитным полям. Пульсирующее магнитное поле (ПуМП) — частный случай перемен- ного поля, у которого вектор магнитной индукции изменяется по уров- ню, но не изменяется по направлению. Такое поле образуется в индук- торе при питании его пульсирующим током, получающимся, например, в результате одно- или двухполупериодного выпрямления. ПуМП явля- ется полигармоническим, его спектр содержит несколько гармонических составляющих. Вращающееся магнитное поле (ВМП) характеризуется тем, что вектор магнитной индукции перемещается в пространстве (например, относи- тельно поверхности формообразующего цилиндра). Вращающееся поле может быть как моногармоническим, так и пульсирующим. Создается ВМП с помощью трех- или многофазных преобразователей. При этом индукторы должны располагаться либо по окружности (для локальных воздействий), либо по образующей цилиндра (для общих воздействий). Использование ВМП позволяет индуцировать в электролитах однона- правленные электродвижущие силы, т.е. обеспечивать направленное перемещение электрически заряженных частиц [28], что в ряде случаев существенно повышает эффективность лечения.
Действие магнитных полей на биообъекты 17 Импульсное магнитное поле (ИМП) формируется с помощью индук- торов при питании их импульсным током заданной формы. В лечебной практике применяются различные формы импульсов как моно-, так и биполярные. Кроме того, импульсы характеризуются длительностью, частотой (периодом повторения) или скважностью. ИМП обладают ши- роким частотным спектром и отличаются большей биологической ак- тивностью по сравнению с ПуМП, ПеМП, ПМП [29, 30]. Ритмичный характер процессов в органах и тканях и импульсная терапия созвучны, поэтому импульсные воздействия легче «усваиваются» организмом [31]. Импульсное бегущее магнитное поле (ИБМП) представляет собой поле, перемещающееся в пространстве относительно неподвижного па- циента и импульсно изменяющееся во времени. ИБМП обладает самым большим набором биотропных параметров и имеет наибольшую магни- тобиологическую активность. Поскольку у бегущего (перемещающегося) поля имеется дополнительный позитивный фактор: изменение магнит- ного потока еще по одной координате (пространственной), то это в определенной степени усиливает эффекты взаимодействия. Воспроиз- вести ИБМП можно двумя способами: механическим перемещением источника импульсного магнитного поля относительно пациента и пос- ледовательным переключением тока в группе неподвижных индукторов. В абсолютном большинстве аппаратов подобного рода ИБМП форми- руется вторым способом: эффект бегущего магнитного поля создается переключением индукторов. На рис. 1.1 представлена классификация электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения. В ней выделена группа случайных магнитных полей (СлМП). Предполагается, что неорганизо- ванные хаотичные магнитные поля могут негативно действовать на ор- ганизм, вызывая у здоровых людей ощущение внутреннего дискомфорта, у больных — угнетение функциональной активности, а в ряде случаев — более серьезные осложнения. Вместе с тем есть основания предполагать, что изменяющиеся случайным образом магнитные поля — СлМП, сфор- мированные искусственно с рядом заданных характеристик (плотность распределения вектора магнитной индукции, спектральная плотность мощности и др.), ориентированные относительно пораженного органа или всего тела человека и воздействующие по заданной программе, обладают общеукрепляющим и терапевтическим действием и могут быть также использованы для лечения. Однако конкретных сведений о со- здании и применении подобного поля для лечения у авторов не имеется. Для усиления магнитобиологической активности искусственных магнитных полей в практике магнитотерапии используют дополнитель- ные приемы: комбинации переменного и постоянного поля (постоянный фон), модуляцию низкочастотных переменных полей более высокочас- тотными составляющими [32], использование, наряду с непрерывными, прерывистых режимов питания индукторов [1], синхронизацию с био- ритмами человека. Все эти меры приводят, по-видимому, к усилению динамики изменения магнитного потока, что делает взаимодействие
18 Глава 1 Рис. 1.1. Классификация электромагнитных полей поля с биоэлементами и частицами более активным. Разновидности магнитных полей, которые могут быть получены в результате возможных комбинаций частотно-временных параметров, отражены на рис. 1.2. Рис. 1.2. Разновидности искусственных переменных магнитных полей (во временной области)
Действие магнитных полей на биообъекты 19 Наличие противоречивости во взаимодействии МП с живыми сис- темами обусловливает необходимость детального разбора и изучения механизмов влияния их на организм человека. При решении этих задач нам представляется крайне важным соблюдать дифференцированный подход к оценке биологических эффектов физических полей различного происхождения и структуры: электрических, магнитных и электромаг- нитных, поскольку их влияние неоднозначно и имеет определенную специфику. Помимо этого следует определиться в перечне параметри- ческих характеристик физических полей — «биотропных параметров», благодаря которым предопределяется возможность воздействия на био- объекты. 1.3. Биотропные параметры магнитных полей Под термином «биотропные параметры» понимаются физические характеристики МП, определяющие первичные, биологически значимые физико-химические и информационные механизмы действия поля, обу- словливающие формирование соответствующих реакций как отдельных органов, так и на уровне целостного организма (М. А. Шишло) [33]. К ним относятся: вид поля, индукция, энергия, градиент, вектор и частота поля, форма во времени и пространстве, экспозиция и локализация воздействия. От каждого из параметров, а также от их сочетания суще- ственно зависит эффективность лечения того или иного заболевания. Индукция (В) — основной параметр магнитного поля, представляет собой плотность магнитного потока (магнитный поток, приходящийся на единицу площади сечения). Индукция — величина векторная, опре- деляется модулем и направлением. Единицей измерения индукции яв- ляется тесла: 1 Тл = 1 В-с/м2. Биологически активным является любое МП, величина которого отличается как в сторону увеличения, так и уменьшения от геомагнит- ного поля, составляющего десятки мкТл. Пороговые напряженности для различных видов МП колеблются от 3 мТл для ПМП до 0,01 мТл для ИБМП. Отмечена необходимость снижения интенсивности МП при воз- действии на уровне целостного организма [33]. Предельно допустимый уровень величины индукции МП на производстве составляет 1...2 Тл. В серийно выпускаемой аппаратуре, предназначенной для магнитостиму- ляции, величина индукции МП находится в пределах от 1500 до 4000 мТл; для воздействия на биологические активные точки — 100 мТл; для воздействия на локальные участки частей тела человека — от 15 до 50 мТл; для воздействия на части тела и всего человека — от 0 до 5 мТл. Налицо явная тенденция снижения интенсивности МП с увеличением площади воздействия. В зависимости от значений индукции магнитные поля, применяемые в магнитотерапии, условно подразделяют на сверхслабые — < 0,5 мТл, слабые — 0,5...50 мТл, средние — 50...500 мТл, сильные — > 500 мТл.
20 Глава 1 Наибольшее распространение в лечебной практике получили СЛАБЫЕ МП. Если магнитная индукция не изменяется в пространстве, поле является однородным. В однородном поле все векторы магнитной ин- дукции имеют одно и то же значение и одно направление. При этом градиент магнитной индукции равен нулю. Достаточно однородными считаются поля в центральной части длинного соленоида и в центре системы катушек Гельмгольца. Такого рода поля широко используются при физиологических исследованиях, а в практике магнитотерапии их применение ограничено. Градиент магнитной индукции есть вектор, имеющий значение 0B/3N и направленный по нормали N к поверхности равной индукции в сто- рону наибольшего возрастания магнитной индукции: gradB = H-N. (1.3) о IN Практически gradB определяется как изменение магнитной индук- ции, приходящееся на единицу длины по каждой из координат. Как физическая величина этот показатель характеризует динамику поля и свидетельствует о его неоднородности. Единица измерения градиента магнитной индукции — тесла на метр (Тл/м). Ряд авторов (Н. И. Музалевская и др.) считают, что механизм дей- ствия слабых МП однозначно определяется пространственно-временны- ми градиентами поля [34], другие связывают усиление магнитобиологи- ческих эффектов с увеличением пространственно-временной неоднород- ности МП и при их интерпретации советуют учитывать перепад напряженности МП по площади заинтересованных структур [35]. Вектор магнитного поля указывает направление магнитных силовых линий. При изменении направления вектора меняется характер магни- тобиологического эффекта, что, по-видимому, адекватно различному действию северного и южного полюсов постоянного магнита. Ряд ис- следователей отмечают большую активность поперечного магнитного поля, т.е. в тех случаях, когда вектор магнитного поля перпендикулярен поверхности тела человека, в отличие от продольного поля, при котором вектор магнитной индукции параллелен поверхности тела человека. Соб- ственный опыт авторов показывает, что довольно часто большей актив- ностью обладает продольное поле. И это не является противоречием, поскольку реальные искусственные МП, в особенности создаваемые ло- кально-сосредоточенными источниками небольших габаритов, имеют смешанный характер вектора магнитной индукции, обладающего как продольной, так и поперечной составляющими. Помимо этого ряд уче- ных в своих магнитобиологических исследованиях отмечают большую активность МП с вертикальным направлением вектора, объясняя его взаимодействием с геомагнитным полем [36]. Частота магнитного поля является весьма важным биотропным параметром. В ходе длительной лечебной практики найдены «частотные окна», в которых магнитобиологический эффект выражен заметно более
Действие магнитных полей на биообъекты 21 ярко. Например, в работе [37] показано, что воздействия магнитных полей с частотой альфа-ритма электроэнцефалограммы человека (8... 14 Гц) оказывают существенно более сильное влияние, чем другие частоты с той же интенсивностью. Поэтому в ряде выпускаемых маг- нитотерапевтических аппаратов предусмотрен режим питания с частотой 12,5 Гц. Наиболее часто в практике используются синусоидальное и пульсирующее магнитные поля с частотой промышленной сети 50 Гц. В настоящее время выпускаются приборы, имеющие набор фиксиро- ванных частот или плавно перестраиваемые по частоте. Дальнейшим развитием техники магнитотерапии в этом смысле является создание аппаратуры, которая могла бы вырабатывать магнитные поля, синхро- низируемые основными биоритмами человека. Например, в магнитоте- рапевтическом комплексе «Аврора МК-01» (СССР) [7], имеющем набор фиксированных частот 0,1;... 100 Гц, предусмотрена возможность син- хронизации с ритмом пульса. Форма магнитного поля во времени и пространстве. При использо- вании в качестве источника магнитного излучения одного элементарного индуктора форма поля в пространстве определяется конструкцией само- го индуктора, а во времени — формой питающего тока. В этом смысле, как уже отмечалось, предпочтительнее, чтобы индуктор вырабатывал неоднородное поле, а ток питания был импульсным. При этом усили- вается общая динамика изменения магнитного потока, что и несет в себе, по-видимому, основной терапевтический эффект. Этот вывод под- тверждается также в работе [38]. В случае использования систем общего воздействия на человека [7, 32] открывается возможность формирования магнитного поля требуемой конфигурации как в пространстве, так и во времени. Экспозиция — биотропный параметр, связанный с временем одного сеанса воздействия магнитным полем и с числом сеансов. Интегрально он несет информацию о времени взаимодействия (t.JKC) живого организма с искусственным магнитным полем. В соответствии с традициями клас- сической физиотерапии время сеанса устанавливается в пределах 10...30 мин [36] ежедневно в количестве от 10 до 25 процедур. По данным многих исследователей, в том числе и авторов, физиотерапевтический эффект при воздействии магнитным полем развивается после 5...7 про- цедур, который закрепляется последующими процедурами. В целом экс- позиция устанавливается лечащим врачом соответственно индивидуаль- ным особенностям пациента, тяжести заболевания и т.п. Локализация воздействия магнитным полем определяется, чаще всего, непосредственной областью поражения — местом расположения пато- логического очага, а также проекцией пораженного органа на поверх- ность кожи. В первую очередь это относится к устройствам локального (местного) воздействия, которое создается, как правило, одним индук- тором. Наряду с этим, терапевтический эффект может быть получен при действии МП на рефлексогенные зоны или биологически активные точки, подчас отстоящие на значительном удалении от очага патологии
22 Глава 1 [36]. Вместе с тем, поскольку организм человека состоит из тесно вза- имодействующих функциональных систем, деятельность которых регу- лируется центральной нервной системой, то можно получить ответ це- лостного организма, например, формирование адаптационных реакций активации, не только воздействием на тело пациента, но даже быстрее и эффективнее действуя переменным МП на голову (Е. В. Квакина). При действии низкочастотного переменного МП количество поглощае- мой энергии мало, поэтому существенно возрастает роль объема, взаи- модействующего с физическим фактором. М. А. Шишло считает, что «...соленоиды и магнитные установки с большими полезными объемами являются более эффективными лечебными средствами» [33]. В магнитотерапевтических аппаратах, имеющих наборы индукторов, предусмотрены режимы, при которых осуществляется воздействие, рас- пределенное в заданной области пространства. В некоторых системах, позволяющих осуществлять общее воздействие на весь организм чело- века [7] (см. 3.2), представляется возможным на фоне пространственно равномерной структуры поля формировать локально усиленные (ослаб- ленные) поля (см. 5.3), а также неоднородности заданной формы. За- метим, что поля, характеристики которых не изменяются в пространстве, называют статическими, а поля, изменяющиеся и перемещающиеся в пространстве, называют динамическими. Большинство выпускаемых магнитотерапевтических аппаратов формируют, как правило, статичес- кие поля. Комплекс «Аврора МК-01» имеет программно-аппаратные средства для создания как статических, так и динамических полей. Воз- можное множество разновидностей пространственно-организованных искусственных МП представлено на рис. 1.3. Энергия магнитного поля (W) может служить обобщенным показа- телем, характеризующим воздействие МП на живой организм. Энергия магнитного поля вычисляется через его параметры: w=^iWdV’ <L4> V где В — индукция магнитного поля, V — объем, занимаемый биообъ- ектом; р. — относительная магнитная проницаемость; — магнитная постоянная. Если переменное магнитное поле изменяется с частотой f, то его мощность Р: P = W.f. (1-5) Учитывая общее время экспозиции t3KC, можно определить работу А магнитного поля: A=Pt3KC = W.f.t3KC. (1.6) Последнее соотношение связывает основные характеристики поля (индукция, частота) и время его взаимодействия t3KC с живым организ- мом.
Действие магнитных полей на биообъекты 23 Затрачивается работа магнитного поля, в основном, на перемещение заряженных частиц биообъекта. Рис. 1.3. Разновидности искусственных магнитных полей (в пространственной области) 1.4. Влияние естественных электромагнитных полей на живые организмы По мнению А. С. Пресмана систематическое воздействие различных факторов внешней среды на живые организмы способствовало созданию у них тонких механизмов адаптации, позволяющих приспосабливаться к изменяющимся условиям. Наиболее эффективно процесс формирова- ния этих механизмов запускается возмущающими влияниями, в том числе и имеющими электромагнитную природу, например, распределен- ными по всему электромагнитному спектру, включая инфранизкие час- тоты, геомагнитные и геоэлектрические поля [27, 39, 40]. Поскольку независимо от природы фактора, способствовавшего их возникновению, адаптационные механизмы играют важную роль в жизнедеятельности и неспецифической резистентности организма, то возможность осознан- ного управления процессами их формирования постоянно привлекает внимание исследователей. Именно с этих позиций естественные и ис- кусственные магнитные и электромагнитные поля представляют собой область повышенного интереса.
24 Глава 1 Обширному спектру электромагнитных полей, которые регистриру- ются вблизи поверхности Земли, свойственна максимальная представ- ленность низких и сверхнизких частот (Н. А. Темурьянц и др.) [41, 42]. Это собственная частота ионосферного волновода (от 8 до 10 Гц при интенсивностях электрического вектора 1 мВ/м, а магнитного вектора — 10 нТл ), микропульсация геомагнитного поля Земли (от 0,0001 до 5 Гц при интенсивностях электрического и магнитного векторов соответст- венно 1 мВ/м и 0,5...5 нТл ). Не следует также забывать о действии других атмосферных явлений с частотными составляющими от 10 Гц до 100 кГц и о влиянии квазистатического поля, интенсивность которого по электрическому и магнитному векторам составляет, соответственно, 10 мВ/м и 10 мкТл. Причем здесь указаны ориентировочные уровни интенсивностей магнитных и электрических составляющих полей. Диа- пазон их изменений превышает два порядка, а характер вариаций обу- словлен географической широтой и другими факторами, из которых наиболее существенным является солнечная активность. Механизмы формирования многих явлений, связанных с ГМПЗ, пока остаются невыясненными. К ним следует отнести его периодичес- кие изменения, наличие магнитных аномалий — участков поверхности Земли, где ГМПЗ резко усиливается или ослабляется, и ряд других проявлений, связанных в первую очередь с влияниями Солнца [39]. По предположению В. Н. Шеповальникова и С. И. Сороко, в про- цессе беспрерывного движения по эллиптической орбите солнечная сис- тема постоянно пронизывается галактическими магнитными полями, которые, влияя на «атмосферу Солнца» и взаимодействуя с ней, со- вместно с другими потоками частиц высокой энергии становятся «рит- моводителями», предопределяющими биотропность колебаний магнит- ных полей на нашей планете [43]. Так, примерно через сорок часов после мощной солнечной вспышки, амплитуда микропульсаций магнит- ного поля в области частот около 1 Гц может возрасти в тысячу раз. Учитывая значения частоты (единицы и десятки герц) и высокую ус- тойчивость таких колебаний в течение длительных промежутков време- ни, их можно считать одним из наиболее влиятельных магнитобиоло- гических факторов. По классификации А. П. Дуброва [44] геомагнитные возмущения подразделяются на три вида: 1. Возмущения, возникающие одномоментно по всей поверхности Зем- ного шара. Они протекают в одной фазе и называются синфазными. 2. Локальные возмущения, ограниченные определенной областью. 3. Перманентные возмущения (типа Р), наблюдаемые непрерывно. В соответствии с таким делением всю Землю разделяют на 5 поясов по проявлению указанных компонент. Так, первый пояс в пределах 45° южной и северной широт характеризуется возникновением в нем син- фазных возмущений, а последние два захватывают полярные шапки (от 70° до 90’). Эти области подвержены непрерывным возмущениям.
Действие магнитных полей на биообъекты 25 Основным признаком синфазных возмущений, которые и называ- ются магнитными бурями, является их всемирный характер. Время их осуществления весьма вариабельно, но, как правило, максимальная ин- тенсивность приходится на первые часы развития бури. Выделяют маг- нитные бури с внезапным и постепенным началом. При внезапном начале на фоне спокойной магнитограммы происходит резкое изменение ГМПЗ, отмечаемое одновременно (с разницей в 1...2 мин) на всех стан- циях Земного шара. При этом горизонтальная составляющая ГМПЗ внезапно увеличивается на десятки нТл. При постепенном начале воз- мущение развивается путем плавного увеличения амплитуды всех со- ставляющих, а начало бури в разных точках Земли может различаться более чем на 1 час. Дальнейшие события обычно включают три фазы. После сжатия магнитосферы ударной волной и до начала развития главной фазы бури имеют место несколько относительно спокойных часов (начальная фаза). Затем амплитуда горизонтальной составляющей, предварительно упав до минимума, начинает медленно подниматься до нормального значения. Этот период развития бури называется главной фазой. В последующем и остальные компоненты ГМПЗ возвращаются примерно к исходному уровню (фаза восстановления). По интенсивности магнитные бури де- лятся на очень большие, большие и умеренные. Локальные геомагнит- ные возмущения могут наблюдаться повсеместно, однако их интенсив- ность сильно зависит от широты. В качестве составляющих в них, как правило, входят, так называемые, бухтообразные возмущения. Максимум их интенсивности приходится на зону полярных сияний. В настоящее время среди научных направлений, занимающихся про- блемами взаимоотношений живых систем, в том числе и организма человека, с факторами внешней среды, магнитобиология прочно зани- мает одну из основных позиций, поскольку, как выяснилось, не только искусственные магнитные поля, но и изменения естественного электро- магнитного фона Земли способны оказать влияние практически на все физиологические функции организма. Анализируя роль и место магнит- ных и электромагнитных полей в живой природе, А. С. Пресман выделил три основных варианта возможного взаимодействия: — влияние ГМПЗ на процессы жизнедеятельности; — установление электромагнитных связей между живыми организ- мами; — самостоятельное активное формирование и излучение живыми структурами электромагнитных полей. Ученые различных школ и направлений, занимающиеся проблемами электромагнитной биологии, свидетельствуют, что человеческий орга- низм, независимо от значения напряженности, уровня частот и других биотропных параметров МП, чрезвычайно чувствителен к ним. При астрофизическом анализе гелиобиологических эффектов по отношению к биосистемам на основе имеющихся наблюдений было высказано пред- положение, которое позже было подтверждено экспериментально, что
26 Глава 1 МП с частотой и напряженностью, характерной для естественных МП, могут вызывать изменения в процессах жизнедеятельности организма на различных уровнях: в функционировании головного мозга и миокарда [45-48], отразиться на выработке у человека условных рефлексов с вы- соким уровнем мотивации [49, 50]. В экспериментах на животных было показано, что их поведение может изменяться при воздействии ЭМП с напряженностью 10’3...10‘4 А/м [51, 52]. Интересные наблюдения были проведены Р. V. Sanker Narajan и S. Subrahmaja [53, 54], в которых изменения электрофизиологических, нейро- и биохимических показателей регистрировались при действии ЭМП в полосе частот 0,01...20 Гц с индукцией 5 и 50 нТл. При этом было отмечено, что выраженность эффектов зависела от ориентации организма к ГМПЗ. Максимальной она была при расположении испы- туемых головой на север. Эти данные перекликаются с достоверно ус- тановленным в медицинской практике фактом, что биологические эф- фекты при действии различных полюсов магнитов неодинаковы [55], равно как и при магнитопунктуре отмечается седативное действие се- верного полюса и тонизирующее действие южного полюса [56]. С тео- ретической и технической точки зрения, по-видимому, в данном случае корректнее говорить о неодинаковой восприимчивости живых организ- мов к направлению вектора магнитного поля. Установлено, что электромагнитное излучение (ЭМИ) со спектраль- ным распределением, соответствующим, в той или иной степени, ес- тественному фону, оказывает биологическое действие на рост организма и развитие злокачественных образований. При этом с увеличением час- тоты ЭМП знак эффекта изменялся на противоположный: от тормо- жения роста злокачественного новообразования до его ускорения (Е. Л. Франкевич, 1978) [57]. Все вышесказанное свидетельствует о биологической значимости электромагнитных влияний и инициирует становление и развитие новых научных дисциплин. Так, включение в сферу биологических исследова- ний изучения ГМПЗ и, в частности, его влияния на биологические ритмы, обусловило развитие экологического направления магнитобио- логических исследований. Ведь известно, что изменение биологических ритмов является одним из необходимых первичных компонентов адап- тационных реакций организма. В связи с этим можно предположить, что резкое увеличение напряженности ГМПЗ способно находить отра- жение в состоянии биоритмологических структур. В масштабах эволю- ционного процесса такое увеличение напряженности ГМПЗ может рас- сматриваться как одномоментный скачок с неясными пока биологичес- кими последействиями (Г. Ф. Плеханов, 1990) [58]. Что касается механизмов влияния ГМПЗ на тканевые структуры, то, согласно одному из существующих предположений, высокая чувст- вительность организмов к естественным ЭМП обусловлена не энерге- тическим взаимодействием с веществом живых тканей, а информаци- онным, так как эти поля оказывают влияние при напряженностях зна-
Действие магнитных полей на биообъекты 27 чительно ниже тех, которые могут обусловить возникновение тепловых эффектов (А. С. Пресман, 1968; 1974) [27, 40]. К тому же в настоящее время не вызывает сомнения то, что организмы широко используют ЭМП для поддержания контакта с внешней средой (Н. А. Темурьянц, 1989; А. С. Пресман, 1974 ) [40, 59]. Нельзя не согласиться с тем, что чрезвычайно высокая чувствительность живых организмов к магнитным полям является одним из самых необычных свойств. Так, например, экспериментально установлено, что восприимчивость организмов к внешним ЭМП низкой и сверхнизкой частоты по напряженности соот- ветствует величинам порядка 0,1 В/м; 0,1 нТл (Н. А. Темурьянц, Б. М. Владимирский и др., 1992) [41]. Эти факты закладывают реальную основу под гипотезы об использовании представителями животного мира этой высокой чувствительности в целях ориентации. Более 100 лет назад русский академик Миддендорф высказал пред- положение о том, что птицы могут ориентироваться по МП Земли. Сейчас уже неоспоримо установлено, что у многих живых организмов есть магниточувствительная система навигации и ориентации, обеспе- чивающая их миграцию, добычу пищи, нападение, защиту. Появляю- щиеся магнитные возмущения отражаются на этих свойствах. Например, у птиц в эти периоды возрастает количество навигационных ошибок. Кстати и человек в этом плане не представляет исключения, поскольку с магнитными бурями совпадает увеличение числа дорожно-транспорт- ных происшествий (R. О. Becker, A. A. Marino, 1982) [60]. Предполага- ется, что живые организмы используют для ориентации силовые линии ГМПЗ, так как при тщательном электромагнитном экранировании на- рушается, в частности, ориентация, обеспечивающая правильное воз- вращение голубей (Н. А. Темурьянц и др., 1992) [41]. В 1987 г. в Женеве был выпущен сборник докладов «Магнитные поля», созданный коллективом международной группы экспертов, в ко- тором была представлена современная научная информация о взаимо- действии биообъектов с магнитным полем Земли и подчеркивалась их высокая чувствительность к МП низкой интенсивности. В качестве фе- номенов, доказывающих и иллюстрирующих этот факт, приводились примеры использования ГМПЗ в проявлениях жизни и деятельности различных представителей живого мира: — отыскание направлений передвижения рыб при миграции; — ориентация и направленное плавание бактерий; — кинетическое движение моллюсков; — покачивающийся танец пчел; — ориентация птиц при перелетах. Однако не представляется возможным с подобной же определеннос- тью рассуждать о взаимоотношениях МП и человеческого организма. По-прежнему неизвестно, каким образом воспринимается МП, нет яс- ности в механизмах реагирования и не найдено объяснение столь вы- сокой степени чувствительности к их динамическим изменениям. Ю. А. Холодовым, Ю. В. Берлиным и другими учеными неоднократ- но предпринимались попытки выяснить уровни и механизмы сенсорной
28 Глава 1 индикации МП. То, что действие МП ощущается большинством людей, не вызывает сомнения, но возникновение этих ощущений сопровожда- ется у пациента появлением чувства теплоты, покалывания, ползания мурашек и т.п., т.е. в них отсутствуют специфичные черты. Существенна продолжительность латентного периода сенсорного восприятия МП, в зависимости от свойств и характеристик поля она составляет 10...25 с. Все это свидетельствует в пользу предположения, что МП воспринима- ются рецепторами различных модальностей: тепловыми, температурны- ми, химическими, афферентный импульс в которых формируется за счет неспецифического изменения микроокружения рецепторов при дейст- вии МП. С позиций этого механизма понятно более быстрое формиро- вание реакций на динамично изменяющиеся магнитные поля. Предпо- роговое значение магнитной индукции при воздействии ПМП, ПеМП и ИБМП соответствует 8 мТл, 3 мТл и 0,1 мТл. [61, 62J. Из этого следует, что любые магнитные возмущения, независимо от интенсив- ности и величины магнитного потока, в том числе и геомагнитные бури должны сказываться каким-то образом на функциональной активности и процессах жизнедеятельности человеческого организма. Исследования последних лет подтверждают это предположение. Г. А. Усенко [63], изучая функционирование различных систем ор- ганизма у летчиков в возрасте 28 лет с высоким и низким уровнем тревожности в период геомагнитных возмущений, выявил увеличение количества ошибок, снижение умственной работоспособности у летчи- ков с высоким уровнем тревожности. Автор рассматривает это как сви- детельство снижения функциональных возможностей ЦНС и организма в целом. Кроме того, у этой группы людей отмечалось достоверное изменение показателей гемодинамики, температуры тела, содержания холестерина, кортизола. Все эти отклонения показателей гомеостаза ха- рактерны для ситуаций, формирующихся при действии факторов риска развития ишемической болезни сердца (ИБС). Сейчас уже не возникает сомнений в наличии связи между солнеч- ной активностью и обострением ряда заболеваний, в первую очередь, сердечно-сосудистых. Солнечная активность влияет на ГМПЗ. В дни магнитных бурь значительно выше частота обострений и смертность от болезней, в особенности сопровождавшихся патологией сердечно-сосу- дистой системы, чем в магнитоспокойные дни. О нарушении функци- онировании миокарда и сосудов во время геомагнитных возмущений свидетельствуют изменения электрокардиограмм (ЭКГ), повышение ар- териального давления (АД). У хронических «гипертоников» развиваются кризы, которые чаще осложняются нарушениями мозгового кровообра- щения и психического статуса. Есть мнение, что все эти нарушения, наблюдаемые в период магнитных бурь, связаны с изменением физико- химических и электрических свойств крови при воздействии ЭМП: уве- личивается ее вязкость, возрастает активность тромбоцитов, вследствие повреждения структуры клеточных мембран. Дополнительное поступле- ние фосфолипидов в кровь через поврежденные мембраны активизирует коагуляцию и приводит к тромбозам [64].
Действие магнитных полей на биообъекты 29 Одни исследователи считают, что высокая чувствительность живых организмов к изменениям ГМПЗ может быть обусловлена, прежде всего, ферромагнетиками, так как магнетит, содержащий атомы железа различ- ной степени окисления, — это единственное ферромагнитное образова- ние, обнаруженное в цитоплазме магнитотоксических бактерий, в костях черепа и шейных мышцах голубей, а также в серповидной складке мозга дельфинов. У человека магнетитовые включения обнаружены в интакт- ной ткани надпочечников, у обезьян-резусов — в среднем мозге и мо- золистом теле (J. L. Kirschvinn, 1981) [65]. Кристаллы магнетита обладают постоянным магнитным дипольным моментом, который взаимодействует с ГМПЗ. В работах, выполненных за последние несколько лет, показано, что некоторые организмы, похоже, могут использовать это взаимодей- ствие для целей ориентации и миграции по силовым линиям ГМП. С. А. Павлович (1985) настаивает на том, что сами органы и ткани (жидкие и плотные) теплокровных животных магнитовосприимчивы и магнитоиндуктивны [66]. Самый большой уровень диамагнетизма имеет мозговая ткань, незначительно варьируя у большинства видов от -0,51 • 10’6 до -0,53- 10‘6, затем — мышцы, сердце, селезенка, пе- чень, кровь. Уровень диамагнетизма живой системы зависит от общего содержания в ней элементов и веществ, обладающих парамагнитными свойствами. Наиболее высокий уровень диамагнетизма отмечался у кроликов (-0,49-10‘6), органы и ткани которых имели более или менее одинаковые показатели магнитной восприимчивости. Магнитная вос- приимчивость человека в среднем была меньше, чем у животных, совпадая лишь по показателям крови, почек и мышц. Для тканей мозга человека с высоким диамагнетизмом показано, что магнитная восприимчивость мозжечка составляет -0,57 • 10’6, а мозговой ткани больших полушарий -0,68 • 10’6. Неоднородность магнитной воспри- имчивости вместе с биотоками (а точнее с биоионотоками) является основным источником биомагнитных полей, объективно отражающих общее состояние организма, отдельных его органов и систем. Можно предположить, что органно-тканевое соотношение диа- и парамагне- тизма связано с процессами жизнедеятельности организма, а резкие сдвиги в диамагнетизме тканей происходят в организме человека при заболеваниях. 1.5. Искусственные магнитные поля как антропогенный экологический фактор Естественные и искусственные магнитные поля, возникающие хао- тически, в подавляющем большинстве случаев оказывают негативное влияние на живой организм. В эту группу не следует относить специ- ально организованные искусственные электромагнитные поля, генери- руемые магнитотерапевтическими и другими аппаратами, которые ока- зывают благотворное, лечебное действие при правильном его примене-
30 Глава 1 нии. Настоящий раздел посвящен исследованию влияния на все живое, в том числе и на человека, индустриальных и бытовых электромагнитных полей, возникающих как сопутствующий фактор в сфере промышлен- ного производства, при передаче энергии и информации, в транспортных системах, а также в быту, где для обеспечения комфорта жизни исполь- зуется техника, создающая их. Распространенность и масштабность электромагнитных воздействий на человека становятся все более значи- тельными, а, вместе с тем, они без сомнения являются вредными для живых систем, и, поэтому, с ними необходимо вести борьбу, как с экологическим загрязнением. Большинство технических устройств, используемых в промышлен- ности, на транспорте и в сельском хозяйстве, генерируют ЭМП про- мышленной частоты, как, например, при электросварке, когда создается МП значительной интенсивности частотой в 50 Гц [67]. Исследования [68] показали, что величина напряженности МП промышленной частоты на рабочих местах варьирует в широких пределах: от сотен до десятков тысяч ампер на метр. У работающих под влиянием таких МП отмечаются функциональные расстройства нервной и сердечно-сосудистой систем. Экспериментально было доказано, что в их основе глубокие нарушения углеводного, нуклеинового и белкового обменов, а также структуры внутренних органов. Комплексную оценку состояния здоровья лиц, работающих с подоб- ными МП, провела В. П. Зоткина с соавторами [69]. Ими были выявлены функциональные нарушения нервной системы (астено-вегетативный синдром, вегето-сосудистая дистония и др.). Первые симптомы наруше- ний появляются уже через несколько часов после начала работы, в даль- нейшем процесс прогрессирует, что и приводит, в конечном итоге, к общему ангиодистоническому синдрому. У лиц, подвергающихся воздей- ствию МП промышленной частоты, отмечалась повышенная заболевае- мость, а наклонность к спазмам выявлена у 53,9% обследованных, в от- личие от контрольной группы, где таких же отклонений было всего 31,9%. В исследованиях различных авторов неоднократно предпринимались попытки выявить механизмы преимущественного воздействия ПеМП про- мышленной частоты на нервную и сердечно-сосудистую системы. Посколь- ку функционирование этих тканей постоянно требует высоких энергети- ческих затрат, то одной из сфер приложения магнитных влияний мог явиться обмен углеводов. В работе О. М. Чернышевой [70] показано, что при действии ПеМП частотой в 50 Гц в зависимости от напряженности (32 кА/м и 7,5 кА/м) имеют место неоднозначные изменения активности гликолитических реакций и содержания гликогена, глюкозы и молочной кислоты в миокарде, мышцах, мозге и печени, свидетельствующие о по- вышенной чувствительности сердечной мышцы к МП. Другой сферой приложения влияния магнитных полей мог явиться электролитный обмен и, в частности, влияние на баланс электролитов в плазме крови и трансмембранный транспорт катионов кальция. Воз- можно, эти механизмы лежат в основе изменений, выявленных при
Действие магнитных полей на биообъекты 31 проведении клинико-гигиенических обследований людей, подвергав- шихся неоднократным воздействиям рассеянных ПМП (12...24 кА/м на голову и 28...400 кА/м на руки), у которых были обнаружены функци- ональные нарушения сердечно-сосудистой системы (гипотензия, бради- кардия, тахикардия) и др. Необходимо отметить, что гемодинамические и тромбгеморрагичес- кие нарушения могут быть вызваны искусственными ЭМП, применяе- мыми не только в условиях производства, но и в быту [71]. Несмотря на разнообразие подходов и многочисленность исследо- ваний, направленных на изучение влияния ЭМП различного происхож- дения на нервную систему и опосредуемые через нее реакции организма, в настоящее время не представляется возможным вести корректные рас- суждения о механизмах действия и реализации эффектов МП на эту ткань. Пока что все проводимые исследования только способствуют накоплению информации об изменениях психофизиологических, пове- денческих, двигательных и других реакций на уровне целостного орга- низма при воздействии МП. Внимание многих исследователей приковано к изучению психофи- зиологического состояния людей, подвергавшихся воздействию ЭМП. Так установлено, что ПеМП (50 Гц) способны приводить к нарушению равновесия между процессами возбуждения и торможения, что прояв- ляется в изменениях некоторых реакций [72]. При этом может проис- ходить нарушение ритмики реагирования. Восстановление уровня реак- ции до фонового происходило в течение 12...15 мин после действия МП, что свидетельствует об обратимости наблюдаемых изменений. Ряд авто- ров приходят к заключению, что ЭМП тормозят протекание нервных процессов. Это подтверждается не только увеличением времени реакции, но и уменьшением скорости нарастания сопротивления кожи. Изменения имели место в различных проявлениях функциональной деятельности нервной системы. Так, у людей, подвергшихся в условиях производства хроническому, а в экспериментах на добровольцах — крат- ковременному воздействию ЭМП, наблюдалось ухудшение памяти, не- устойчивость внимания, изменялась длительность запоминания, появ- лялась вялость и утомление. Видимо, ЭМП нарушают реализацию этих психофизиологических функций. Ухудшение работоспособности, снижение памяти сопровождается изменениями в функционировании анализаторов. В большинстве слу- чаев ЭМП вызывают достоверное увеличение времени простой двига- тельной реакции, времени двигательной реакции на световые и звуковые стимулы а также возрастание времени простой слуховой реакции. Помимо этого установлено, что двигательная активность животных изменяется в зависимости от напряженности и экспозиции ПеМП. При напряженности ЭМП в 40 кА/м отмечалось увеличение двигательной активности, а при 80... 160 кА/м — ее снижение. При напряженности в 320 кА/м имело место резкое торможение двигательной активности, а в периоде последействия наступало ее усиление. Шестичасовое воздей-
32 Глава 1 ствие ЭМП (48...96 кА/м) способствовало резкому возрастанию двига- тельной активности морских свинок, а при 360 кА/м — выраженному угнетению [73-75]. Формирование вышеперечисленных эффектов, вероятно, объясня- ется тем, что ЭМП, обладая высокой избирательной проникающей спо- собностью, вызывают изменения не только в нейроглиальных клетках мозга, но при более длительных или интенсивных воздействиях способ- ны повлиять на структуру нейронов и кровеносных сосудов. В заключение этого раздела, посвященного анализу эффектов дей- ствия ЭМП на живые организмы на различных уровнях организации: клеточном, органном, системном и в целом на функциональное состо- яние организма, можно отметить, что геомагнитные и электромагнитные поля способны оказывать влияние на жизнедеятельность организма. При этом установлено, что действие МП неоднозначно, и могут иметь место как отрицательные последствия, так и положительные результаты. Вышесказанное предопределяет два основных направления дальнейших исследований: — необходимость тщательной проработки проблемы с позиций эко- логии; — дальнейшее изучение возможностей использования ЭМП в прак- тической медицине. Прогрессивное развитие этих направлений невозможно без дальней- шего продолжения фундаментальных исследований, направленных на изучение механизмов влияния ЭМП на живые системы. 1.6. Механизмы действия магнитных полей на живой организм В экспериментальной биологии и медицинской практике накоплен громадный эмпирический опыт об эффектах ЭМП, требующий систе- матизации и теоретического осмысления для расшифровки механизмов их действия на живые объекты. Обилие гипотез по этой проблеме сви- детельствует скорее о ее нерешенности, чем о достаточном уровне по- нимания механизмов взаимодействия живого с естественными и искус- ственными магнитными полями. В попытках добиться решения этой проблемы следует исходить из того, что организм представляет собой многоуровневую иерархическую организацию. Особенности структуры каждого из этих уровней предоп- ределяют характерную избирательность взаимодействия по различным параметрам МП. В связи с этим для осмысления механизмов действия МП на живые системы предлагается выделить следующие уровни, на которых это взаимодействие прослеживается достаточно явно. 1. Ядерно-молекулярный уровень, включающий подуровни: — электронно-ядерный; — ионно-молекулярный.
Действие магнитных полей на биообъекты 33 2. Цитохимический уровень, в котором следует выделить: — субклеточные структуры; — структурные образования, обеспечивающие ионное равновесие в клетках и тканевой жидкости; — клеточные мембраны; — биополимеры, определяющие вязкость и способность изменять аг- регатное состояние жидких сред организма. 3. Тканевый уровень, на котором воздействие МП будет предопреде- ляться: — особенностями морфологии данной ткани; — функциональной предназначенностью тканей; — преобладающим характером метаболизма. 4. Органный уровень (воздействие на отдельные органы). 5. Системный уровень, включающий: — центральную, периферическую и вегетативную нервные системы; — сенсорные системы; — сердечно-сосудистую систему; — эндокринную систему; — дыхательную, пищеварительную и выделительную системы; — систему крови; — опорно-двигательный аппарат и др. 6. Межсистемный уровень, описывающий взаимодействие между от- дельными системами организма. 7. Общесистемный уровень, формирующийся при интегрировании вза- имодействий между всеми системами. 8. Межличностный уровень, включающий: — воздействие одного организма на другой через собственное излуче- ние ЭМП; — взаимодействие живых организмов во внешнем ЭМП. Электронно-ядерный уровень. Изучение организма на квантовом уровне показывает, что химические реакции, протекающие в условиях in vivo, имеют много общего с «пробирочными» реакциями, а механизмы действия МП на живой организм основаны на адекватном изменении энергии химических связей в биологических процессах. Результатом хи- мических реакций, как правило, является превращение молекул одних веществ в другие за счет перестройки электронных оболочек ядер. Фи- зические механизмы влияния МП связаны с вероятностью протекания элементарных химических актов, когда в результате химических превра- щений, вследствие распаривания электронов, появляются свободно-ра- дикальные продукты реакции с некомпенсированными спинами [76]. Радикальные пары могут существовать в состоянии с общим спином S=0 (синглетное состояние) и в состоянии с общим спином S=1 (три- плетное состояние). Переход между различными спиновыми состояния- ми пары возможен в случае воздействия внешним магнитным полем,
34 Глава 1 тем самым изменяется вероятность течения химических реакций и, как следствие, имеет место проявление тех или иных магнитобиологических эффектов. Так, в работе [77] рассматривается влияние постоянного МП на перенос нервного импульса по седалищному нерву человека с точки зрения гипотезы, в основе которой лежит влияние постоянного МП на спиновые эффекты кинетики ионных каналов. И, тем не менее, несмотря на обилие литературы, описывающей влияние МП на биохимические процессы, в частности, на активность ферментов, концентрацию продуктов химических реакций, данные из- менения могут оказаться следствием совершенно иного, неизвестного механизма воздействия МП. Ионно-молекулярный уровень. Большую роль на ионно-молекулярном уровне определяют слабые взаимодействия, имеющие электрическое происхождение: ион — ион, ион — постоянный диполь, ион — инду- цированный диполь, постоянный диполь — постоянный диполь (фик- сированное ориентационное взаимодействие в жидкокристаллическом состоянии), постоянный диполь — постоянный диполь (усредненное ориентационное взаимодействие в газе или жидкости), постоянный ди- поль — индуцированный диполь, индуцированный диполь — индуци- рованный диполь [78]. Важность слабых взаимодействий внутри и между биологических молекул в живых системах проявляется хотя бы в том, что они определяют взаимодействие белков, являющихся поливалент- ными ионами, с липидами, углеводами, нуклеиновыми кислотами, ма- лыми молекулами. Слабые взаимодействия на межмолекулярном уровне определяют строение и функциональную активность мембран клетки и многое другое. Энергия некоторых типов слабых взаимодействий нахо- дится в пределах уровней энергии ЭМП, генерируемых некоторыми магнитотерапевтическими аппаратами, что предполагает возможность влиять на них [79]. Попытки объяснить магнитобиологические влияния на надмолеку- лярном уровне привели к появлению гипотез, основывающихся на маг- нитогидродинамических, ориентационных, концентрационных, жидко- кристаллических, ферромагнитных эффектах. Магнитогидродинамические эффекты предполагают, что при дейст- вии МП перпендикулярно потоку проводящей жидкости возникает сила, противодействующая движению, которая уменьшает среднюю скорость потока. В работах, описывающих процессы, моделирующие движение крови по сосудам, отмечается, что эффект снижения скорости потока возможен лишь в крупных сосудах в условиях действия магнитных полей значительных интенсивностей. Так, замедление потока на 25% может наблюдаться в полях с индукцией около 10 Тл [80]. Практика показы- вает, что воздействие слабых МП на организм человека существенно снижает артериальное давление, что находится в противоречии с данной теорией и говорит о других механизмах действия МП. Ориентационные эффекты предполагают способность свободных молекул ориентироваться в пространстве, изменяя тем самым биологи-
Действие магнитных полей на биообъекты 35 ческие свойства системы. Экспериментально доказана ориентация ДНК под воздействием постоянного МП [81]. Предполагается, что наиболь- ший эффект будет наблюдаться в упругой биологической среде, а не в жидкости. Концентрационные эффекты могут иметь место в неоднородном высокоградиентном поле, что проявляется в направленном движении частиц, как, например, направленное прорастание семян и рост растений в условиях динамической невесомости [82]. Жидкокристаллическое состояние вещества характеризуется наличи- ем роев — больших групп молекул, причем в каждом рое молекулы расположены вполне определенным образом, а сами рои расположены хаотично. Внешнее МП производит их ориентацию. Особое значение приобретает теория жидкокристаллических эффектов при рассмотрении липидных компонентов биологических мембран как структур, имеющих жидкокристаллическое состояние, что особенно важно для выполняемых ими транспортных функций [83]. Однако объяснения магнитобиологи- ческих эффектов с точки зрения вышеизложенной теории наталкиваются на наличие в биомембранах больших электрических полей. Ферромагнитные включения находят в структурах низших и высших организмов, в том числе в составе внутренних органов человека. Но если известно, что они являются чувствительным элементом соответст- вующих рецепторов у насекомых, а у млекопитающих они выполняют определенную ориентационную функцию, то роль их в организме чело- века пока недостаточно ясна. Внутриклеточный (мембранный) уровень. Понимание процессов, про- исходящих в клеточной мембране, ведет, по мнению ряда авторов, к объяснению механизмов биологического действия низкочастотного МП на живые системы [44, 84]. На основе этих предположений была сфор- мулирована концепция электрохимического информационного переноса ионов через мембраны, исходя из которой была предложена импульсная форма МП, вызывающая определенные магнитобиологические эффекты [85, 86]. Недостатком этой концепции является невозможность описать магнитобиологические эффекты гармонического магнитного поля. У. Р. Эйди (1975; 1977; 1980; 1989), изучая влияние слабых полей, вы- двинул гипотезу о том, что поверхность нейронной мембраны может трансдуцировать слабые внеклеточные поля в качестве связывания и высвобождения с мембранной поверхности макромолекул ионов кальция [87]. Многие исследователи отводят мембране основную роль при дей- ствии ЭМП (М. П. Шишло, 1971; А. П. Дубров, 1974; У. Р. Эйди, 1975- 1981) [85, 88-93]. Предполагают, что первичным эффектом, вызывающим изменения проницаемости мембраны, могут быть явления, возникающие под вли- янием ЭМП в водных средах организма (Л. Д. Кисловский, 1971; 1988) [94, 95]. В биологических процессах вода, являясь сложно организован- ной открытой системой, играет важную роль. В настоящее время из- вестно 8 клатратных структур воды, элементами которых являются ме-
36 Глава 1 тастабильные образования, представляющие собой плоские пяти- или шестиугольники, состоящие из молекул воды. При различных воздей- ствиях, в том числе и магнитном, в естественных условиях в воде может происходить разрушение комплексов, их исчезновение и образование новых (М. В. Березин, 1988) [96]. Во внутренних средах организма такие изменения происходят как фазовые переходы второго порядка. Процес- сы образования и распада метастабильных комплексов сопровождаются четкими биохимическими эффектами, возможно, вызывающими изме- нение проницаемости мембран. В опытах на тканях головного мозга крыс установлено, что слабые переменные МП с индукцией порядка 0,045 мТл влияют на структуру липопротеидных комплексов мембран эритроцитов и липопротеиды, приводя к снижению осмотической резистентности эритроцитов [84]. Среди магнитобиологических эффектов можно отметить увеличение выхода ионов натрия и водорода из растительной клетки при воздейст- вии постоянным МП 25 мТл. Работы по стимуляции и ингибированию выброса протона из клетки путем совместного и раздельного воздействия постоянным и переменным электромагнитным полем привели к опре- делению резонансного соотношения для протонного магнитного резо- нанса [84, 97]. Известно, что любой электрический ток создает вокруг себя МП. Движущаяся совместно с форменными элементами кровь также будет представлять собой электромагнитную систему. Электрические заряды эритроцитов при их движении и вращении создают конвекционные токи, которые и порождают МП. Поэтому каждый эритроцит является не только электрически заряженным диском, но еще и магнитом. Элект- рические заряды эритроцитов одноименны, что способствует отталки- ванию их друг от друга и предупреждает склеивание (явление электро- распора). Являясь электромагнитной системой, кровь очень чутко реагирует на воздействия ЭМП. Наиболее чувствительны к ним мембраны клеток, состоящие из фосфолипидов. Эти соединения обладают тромбопласти- ческим эффектом и поэтому при освобождении их из мембран и по- ступлении в циркуляцию они способствуют увеличению свертываемости крови. Эти проявления и осложнения, связанные с ними, например, коронаротромбоз, могут наблюдаться в период геомагнитных бурь, во время которых на весь организм человека действуют неупорядоченные хаотичные магнитные поля. Не исключено, что эффективной контрме- рой для предупреждения и восстановления нарушенных механизмов ге- мостаза может стать упорядоченное, регулируемое, системное электро- магнитное воздействие на организм [98]. Тканевый уровень. Изучение механизмов действия магнитных полей на тканевом уровне осуществлялось по двум направлениям: — реакции клеток в изолированных тканевых культурах; — морфо-функциональные изменения в тканях целостного организ- ма.
Действие магнитных полей на биообъекты 37 Первый подход позволял выяснить варианты и механизмы реагиро- вания отдельных клеток и их структур на МП, а второй давал возмож- ность исследовать не только картину локальных изменений в тканях- мишенях, но и разобраться в интегральных ответах организма в целом. Для дальнейшей разработки и совершенствования методов магни- тотерапии (самостоятельной или комбинированной с другими фактора- ми) актуальными являются сведения не только по молекулярным меха- низмам магнитобиологических реакций, но и данные о динамике этих реакций, степени их выраженности, характере вызванных гистофизио- логических отклонений, стадийных изменениях, не только в процессе воздействия, но и после его отмены на клеточном и тканевом уровне. По-прежнему сохраняется обостренный интерес к проблеме прямой маг- ниточувствительности клеток и тканей к МП с различными характерис- тиками. Интересные исследования были проведены в этом направлении В. И. Казаниным [99], который использовал методы микрокиносъемки, иммуноморфологии и гистохимии. Он отмечает, что спустя 15 мин с момента наведения ПМП постепенно увеличивается двигательная ак- тивность фибробластов в культуре ткани под его воздействием, возрас- тает размах колебаний внутриклеточных структур (митохондрий и других включений). Данный уровень активности поддерживался в течение 2-х часов, а затем несколько снижался. Эта стадийность сохранялась в те- чение 5-часовых наблюдений. После отмены воздействия МП постепен- но происходил возврат к исходному состоянию, а клетки достигали первоначального уровня двигательной активности через 90 минут. Ре- акция живых изолированных клеток на воздействие МП повторяет из- вестные общебиологические закономерности в последовательности ста- дий: латентный период, стадия активации, стадия ингибиции функций. Автор четко доказал, что как изолированные клетки, так и ткани живого организма чувствительны к МП, а их реакции характеризуются стадийностью. Кроме этого было показано, что магнитобиологические реакции обратимы и компенсация отмеченных отклонений происходит достаточно быстро после окончания воздействия МП. Также может иметь место тенденция к суперкомпенсации магнитобиологических ре- акций, которая может составить основу для развития и становления адаптивных механизмов. Стадийность, обратимость и компенсация маг- нитобиологических реакций должны приниматься в расчет при разра- ботке магнитотерапии. Не меньший интерес с позиций практической медицины представ- ляет расшифровка механизмов и способов оптимизации формирования защитных реакций на клеточном уровне. М. Б. Миркцулава с соавторами [99] изучили действие МП на противовирусную резистентность культуры ткани, клетки которой перед заражением вирусом лихорадки подверга- лись действию ПеМП (частота 2000 Гц, индукция в диапазоне 1...400 мкТл). Экспозиция от 5 до 90 минут. Уровень устойчивости счи- тали удовлетворительным в тех случаях, когда клеточные структуры не
38 Глава 1 заражались в течение 168 часов инкубации. Авторы считают, что ПеМП частотой в 2000 Гц обеспечивает необходимую резистентность клеток. Она формируется в диапазоне от 0,2 до 300 мкТл при экспозиции 25...70 мин. Различные ткани организма отличаются по чувствительности к МП, причем наиболее высока она у нервной и кроветворной тканей, структур эндокринных желез. Изучение реакции этих систем на магнитные поля представляет существенный интерес не только в плане изменений, ко- торые могут наблюдаться локально, но и возможностей управления функциями других систем, поскольку клеточные изменения в нервной и эндокринной тканях обязательно найдут отражение в регуляции на уровне целостного организма. Действие МП на нервные клетки и их микроокружение неоднознач- но. Как было установлено в экспериментах на крысах Н. И. Артюхиной, МП благоприятно действует на структурные компоненты тканей голов- ного мозга. При двухчасовой экспозиции ПМП 10...50 мТл происходит расширение капилляров мозга, иногда стазы. В последующие 3 дня на- блюдается ослабление эффекта, а через 6 дней после однократного воз- действия структура кровеносных сосудов возвращается к исходным пара- метрам. Выраженность и стойкость сосудистых реакций зависят от крат- ности воздействия МП [100]. Е. А. Бухарин с соавторами [101] исследовали структуру тканей моз- жечка и изменения в костном мозге под влиянием ПМП различной интенсивности и времени. Авторы приходят к выводу, что при длитель- ном воздействии МП появляются первичные морфологические измене- ния (деструкция в отдельных элементах тканей). Масштабы этих изме- нений связаны с длительностью и характером воздействия. Не остаются безучастными к воздействию МП структуры периферической нервной системы. В. Б. Федосеевым установлено, что при ориентации МП вдоль нерва его возбудимость повышается в среднем до 20% [102]. Ю. А. Холодов, проводя аналогию между эффектами, вызываемыми МП и миллиметровым излучением, проникновение которого в организм ограничивается кожей, считает, что на начальных этапах их возникно- вение обусловлено взаимодействием ЭМП с болевыми рецепторами, афферентная импульсация с которых запускает в дальнейшем реакции целостного организма [61, 103]. Большой интерес представляют собой исследования, посвященные влиянию МП на микрофункциональные параметры биологически ак- тивных точек (БАТ) кожи и связанных с ними органов (Н. И. Вербицкая) [104]. Эффект при возбуждении точек акупунктуры зависит от вида раздражения, оно может иметь не только механическую, но и электро- магнитную природу. Несомненно, что БАТ, имеющие повышенное электрическое сопротивление, будут при воздействии ПеМП подвергать- ся влиянию наводящейся электромагнитной индукции [105]. Проведен- ные на белых мышах эксперименты показали, что у них во внутренних органах расширяются сосуды микроциркуляторного русла, отмечаются
Действие магнитных полей на биообъекты 39 морфофункциональные изменения нервов. Высказывается предположе- ние, что формирование адаптационно-трофических процессов обуслов- лено различными факторами, в том числе и активацией БАТ. Исследо- вание электропроводности кожи в активных точках в норме и при па- тологии, а также после воздействия ПеМП, провели А. А. Тюряева и др. [106]. В контрольной группе изменения электропроводности не вы- явлено. При различных патологических состояниях отмечалась повы- шенная электропроводность в БАТ. Эти проявления ряд авторов связы- вают с изменением водно-солевого обмена, которым ведает симпатичес- кая нервная система. В процессе лечения с использование ПеМП электропроводность БАТ нормализовалась. Высказывается предположе- ние, что МП действует на симпатоадреналовую систему, возможно из- меняется потенциал клеток. Как уже упоминалось выше, кроветворная ткань не остается интакт- ной к воздействию МП [101]. При изучении в эксперименте механизмов влияния на кровь МП было высказано предположение о его двояком действии: на жидкую часть, приводящем к конформационным измене- ниям белковых молекул, и на мембранную активность форменных эле- ментов (С. М. Иванова) [107]. Оказалось, что в сыворотке и плазме крови под действием ПМП происходят конформационные изменения белковых молекул и их комплексация. В оригинальных исследованиях, проведенных В. В. Демьяненко с соавторами [108], отмечается, что определенное значение в биостиму- лирующем влиянии при действии МП могут иметь продукты аутогенного распада. Эффект биогенной стимуляции МП обусловлен способностью патологически измененных структур-клеток и тканей подвергаться ау- толизу под влиянием внешнего МП, что сопровождается одновременным цитостабилизирующим влиянием здоровых клеток. Под влиянием МП в организме формируется нестойкий по времени антигенный стимул гуморального происхождения, достаточный, однако, по качественным и количественным характеристикам для запуска механизмов биогенной стимуляции, и, в то же время, неспособный вызвать перераздражение иммунокомпетентной системы. Таким образом, биостимулирующее влияние МП реализуется через магнитореактивные сдвиги как в клеточных, так и во внеклеточных компонентах тканей. Однотипность реакции различных организмов при воздействии низкочастотного ЭМП заключается в том, что его воздей- ствие приводит к повышению их реактивности, что проявляется в оп- тимизации функционального состояния и повышении уровня неспеци- фической резистентности. Органный уровень. Заслуживает пристального внимания изучение ор- ганной специфичности ответных биохимических реакций на воздействие ПеМП промышленной частоты. Изучалось действие МППЧ частотой 50 Гц. Выявлено его влияние на показатели углеводного обмена. При многократном воздействии ПеМП достаточно высокой напряженности (32 кА/м) появляются однонаправленные изменения показателей глико- гена, глюкозы, молочной кислоты (печень, мышцы, мозг).
40 Глава 1 При относительно низких интенсивностях МП (7,5 кА/м) показания названных метаболитов снижаются в печени, мышцах и мозге, а в сердце повышаются. Полученные данные с различной направленностью сдвигов в сердце свидетельствуют о высокой чувствительности гликолитической системы клеток миокарда, а большая выраженность сдвигов в мышцах и печени обусловлена, видимо, их углеводной функцией организма. Системный уровень. По степени чувствительности к МП органы и ткани располагаются в следующей последовательности: наиболее чувст- вительна к ним нервная ткань, затем следуют эндокринные железы, органы чувств и кровь, оставшиеся системы и ткани идут в следующем порядке — сердечно-сосудистая, мышечная, пищеварительная, выдели- тельная, дыхательная и костная [109]. Особый интерес у магнитологов вызывают центральная и перифе- рическая нервные системы. Это обусловлено тем, что при действии на них ЭМП, помимо местного эффекта, наблюдаются изменения жизне- деятельности во всем организме. Дело в том, что периферическая нерв- ная система, благодаря своим рецепторам, первая реагирует на воздей- ствие факторов внешней среды и поставляет информацию в вышестоя- щие регуляторные центры ЦНС, которые автоматически осуществляют регуляцию не только механизмов адаптации к воздействующему фактору, но и поддержания постоянства внутренней среды. Таким образом, ком- плексная деятельность периферической и центральной нервных систем обеспечивает приспособление организма к изменяющимся условиям внешней среды при сохранении гомеостаза. Существенный вклад в изучение механизмов нервной деятельности внесли отечественные исследователи. Учение И. П. Павлова о высшей нервной деятельности признано во всем мире. Оно подтвердило замеча- тельные идеи и открытия И. М. Сеченова о рефлекторной природе ре- акций организма. И. П. Павлов доказал, что высший регуляторный ап- парат работает по принципу рефлекса и его функционирование подчи- няется тем же основным закономерностям, что и вся нервная система. Им же было установлено, что кора головного мозга функционально свя- зана с внутренними органами и ее регуляторные влияния могут изменять их работу, что блестяще подтвердилось новейшими психофизиологичес- кими экспериментами последователей Павловского учения за рубежом. Высокая чувствительность нервной ткани к ЭМП объясняется тем, что нервная система человека — это единая электрическая сеть. Нервные импульсы имеют электрическую природу и порождают электромагнит- ные колебания. Поскольку МП способны оказывать влияние на движе- ние заряженных частиц, то в данном случае МП определенных конфи- гураций могут добавлять энергию заряженным частицам, увеличивать скорость их движения, т.е. влиять на функцию нервной ткани. Реакция нервной системы на магнитные поля проявляется как в структурных преобразованиях — увеличение числа астроцитов, так и функциональных изменениях потенциалов электроэнцефалограммы (ЭЭГ). В частности, при анализе ЭЭГ было выявлено, что «сильная»
Действие магнитных полей на биообъекты 41 нервная система реагирует более резкими сдвигами биоэлектрической активности в сторону снижения мощности a-ритма и повышения а-диа- пазона. При «слабой» нервной системе усиливается низкочастотный а- ритм. Выраженность функциональных реакций и морфологических изме- нений в нервной системе предопределяется величиной характеристик биотропных параметров МП, видом животного, локализацией индукто- ра, местным или общим воздействием. Наиболее выраженные изменения были при воздействии на весь организм, менее всего — при влиянии на грудную клетку [110]. ЭМП, обладая высокой проникающей способ- ностью даже при непродолжительном воздействии, вызывает изменения в нейроглиальных клетках мозга [111]. При более длительных экспози- циях регистрируются изменения структуры и функций нейронов и кро- веносных сосудов. Влияние импульсного МП на высшую нервную деятельность жи- вотных исследовала Л. Ф. Зюбанова с соавторами [112], используя на крысах методику выработки оборонительных условных рефлексов. Ими было установлено, что ИМП оказывает влияние на ЦНС, причем ре- зультат воздействия зависел как от интенсивности ИМП, так и от дли- тельности межимпульсного интервала. В собственных исследованиях изучалось влияние комбинированного ЭМП на показатели электрической активности мозга (10 ежедневных сеансов по 20 мин). Регистрировалась фоновая и вызванная активность мозга, а также электрическая активность сердца (ЭКГ). При проведении наблюдений анализировались слуховые длиннолатентные вызванные по- тенциалы (ДСВП) в ответ на действие акустических сигналов фоновой частоты (250 и 2000 Гц). Анализировались фоновая ЭЭГ и параметры вызванного потенциала (ВП) на раздражители разной модальности. Проведенные повторные исследования фоновой ЭЭГ у этих же ис- пытуемых после курса воздействия МП не обнаружили достоверных изменений в параметрах амплитудно-частотной характеристики ЭЭГ. Однако были выявлены тенденции к увеличению количественной пред- ставительности a-диапазона. Анализ временных характеристик зритель- ных и длиннолатентных слуховых ВП обнаружил значительный уровень их вариаций и не выявил четких закономерностей, связанных с влия- нием МП. На рис. 1.4 и 1.5 показана усредненная динамика процессов габи- туации на действие зрительного раздражителя исследуемого параметра ВП (амплитуда N2P2) от влияния комбинированного МП. Эти опыты показали, что комбинированное МП способно оказывать значимое вли- яние на изменение характера динамики процесса габитуации в условиях предъявления зрительной стимуляции и акустического раздражителя при небольшом числе усреднений ВП. В следующей серии наблюдений на пациентах проводилось иссле- дование выраженности пространственной асимметрии путем сопостав- ления амплитуды ВП в симметричных отведениях методом знаковых соответствий, что позволило сравнить выраженность этой асимметрии
42 Глава 1 Рис. 1.4. Усредненная динамика процессов габитуации на действие зрительного раздражителя для выборки испытуемых при интенсивности вспышки 0,3 Дж: У — выраженность межпиковой амплитуды N2P2 (мкВ); X — количество усреднений ВП; 1 — межпиковая амплитуда N2P2 до влияния ЭМП; 2 — то же после влияния; 3 — габитуа- ция до влияния ЭМП; 4 — то же после влияния до и после действия комбинированного МП. Анализ выраженности про- странственной асимметрии зрительных ВП до влияния МП обнаружил ее неравномерную представленность. Анализ меры представленности пространственной асимметрии после влияния МП выявил разительные изменения, связанные со сглаживанием представленности этого интег- рального показателя, характеризующего динамику нервных процессов и уровня функционального состояния. Представленность выраженной асимметрии после действия МП вновь выглядела более равномерной в сравнении с явно читающимся градиентом асимметрии до влияний. Следовательно, можно констатировать, что паттерны комбинирован- ного МП способны оказывать значимое влияние на изменение органи- зации пространственной асимметрии электрической активности мозга, уменьшая габитуацию показателей, вызванных потенциалов на разно- модальные раздражители, повышая выраженность представленности а- активности ЭЭГ у испытуемых. Все это в свою очередь свидетельствует Рис. 1.5. Усредненная динамика процессов габитуации на действие зрительного раздражителя для всей выборки испытуемых (обозначения те же, что на рис. 1.4)
Действие магнитных полей на биообъекты 43 о развитии процессов релаксации, вырабатывании способности организ- мов испытуемых к изменению своего функционального состояния таким образом, чтобы повысить вероятность перехода от активного, напряжен- ного бодрствования к расслаблению, которое граничит с дремотой. Об этом же, по-видимому, может говорить и обобщение субъективных от- четов испытуемых, в которых отмечалась нормализация периода засы- пания, повышение продолжительности субъективно необходимого сна. Возможно, это является следствием активации комбинированным МП адаптационных процессов, развитие которых, как известно, способно нормализовать имеющиеся дисфункции в деятельности систем организ- ма, а также в организации и поддержании оптимального функциональ- ного состояния организма для обеспечения жизнедеятельности. Таким образом, искусственные МП могут оказывать как непосред- ственное воздействие на структуры головного мозга, так и рефлектор- ное — через периферическую нервную систему. Эндокринная система при действии ЭМП реагирует усилением функций надпочечников, щитовидной железы, половых желез. ПМП, ПеМП и ИМП с индукцией до 30 мТл при незначительной экспозиции способствуют развитию реакции тренировки и повышению активности всех отделов эндокринной системы [109]. Реакция сосудистой системы является следствием как прямого вли- яния МП на ее структурные образования, так и опосредованных реф- лекторных воздействий через ЦНС. Г. А. Кураев с соавторами исследо- вали частоту сердечных сокращений (ЧСС) у человека до воздействия ЭМП и на 20-й минуте от начала экспозиции. В процессе наблюдения за испытуемыми была выявлена четкая тенденция к снижению АД. В указанных исследованиях параллельно с регистрацией ЧСС пульсокси- метром осуществлялось измерение насыщения гемоглобином артериаль- ной крови. Оказалось, что ЭМП не оказывает существенного влияния на степень насыщения кислородом гемоглобина. Авторы проанализировали динамику изменений интегрального по- казателя напряженности (ИПН) регуляторных процессов в организме. В исходном периоде у испытуемого отмечалось, что при наличии первой степени напряженности после 20 мин воздействия электромагнитного поля показатель ИПН нарастал, что говорит об активации парасимпа- тического отдела ВНС. Максимальным увеличение ИПН было после 2-го и 7-го воздействия ЭМП. Показатель ИПН в условиях ЭМП до- стоверно снижался в 47,1% случаев (в фоновом периоде он увеличивался в 22,4% случаев). У большинства испытуемых (8 из 11 чел.) в фоновом периоде интегральный показатель напряженности соответствовал норме, что отмечалось также и при воздействии ЭМП. Если кратко подвести итоги по изучению показателей деятельности сердечно-сосудистой системы в условиях действия ЭМП, можно отме- тить его вегетонический эффект, снижение АД (активизация действия парасимпатической нервной системы). В объяснении влияния МП, ви-
44 Глава 1 димо, ближе к истине находится точка зрения о фазовом характере реакций сердечно-сосудистой системы на МП. Межсистемный и общесистемный уровни. В течение ряда лет нами для лечения больных используется магнитотерапевтический комплекс «Аврора МК-01», способный генерировать МП различных видов, а ком- поновка его (по типу скафандра) обеспечивает общее воздействие на весь организм. Мы осознаем, что механизм действия МП на живой организм намного сложнее, чем мы его представляем в общем плане по начальным и конечным ответным реакциям. В решении этой проблемы мы рассчитываем на помощь представителей теоретической медицины: биохимиков, физиологов, патофизиологов и др., но практическая меди- цина, поскольку в ней уже сегодня широко используются различные магнитотерапевтические аппараты, остро нуждается в рабочей гипотезе, способной обосновать терапевтические эффекты МП. Нами предлагает- ся концепция общего действия МП на живой организм, использующая положения учения П. К. Анохина о функциональных системах (рис. 1.6). Рис. 1.6. Общая схема действия МП на живой организм Информация об изменениях соответствующих параметров с пери- ферических отделов передается по центростремительному каналу в центральные регулирующие системы, обрабатывается там, и в виде «командной» информации передается по центробежным каналам, воз- вращаясь на периферию. Такие потоки информации постоянно пере- мещаются в ту и другую сторону. При отклонении любого перифери- ческого параметра, например, изменении АД в системе кровообраще- ния, центром вырабатывается соответствующая «команда», должная изменить соответствующие функции для стабилизации физиологичес- ких процессов. Возможный вариант воздействия динамического МП на регуляторные механизмы системы кровообращения приведен на рис. 1.7. Данная функциональная система имеет широкие, но не без- граничные корригирующие способности. Патология начинается там, где исчерпываются регуляторные возможности.
Действие магнитных полей на биообъекты 45 Для иллюстрации предлагаемой нами модели воздействия магнит- ного поля на организм пациента можно рассмотреть вариант регуляции давления в периферических магистральных артериальных сосудах. Одним из важных компонентов регуляции периферической гемодина- мики является информация об уровне давления в сосудах. Эта инфор- мация формируется непосредственно в сосудистой стенке в барорецеп- торах и в виде кодированных сигналов передается по соответствующим каналам в вазомоторные центры, где после обработки формируются ответные командные сигналы, регулирующие диаметр просвета сосудов. При окклюзионном поражении периферических сосудов происходит формирование так называемого патоинформационного процесса. Во-пер- вых, в склеротически измененных стенках сосудов создается и переда- ется заведомо искаженная информация о существенном падении давле- ния в сосудах ниже уровня окклюзии и, соответственно, выраженном его повышении выше данного уровня. Во-вторых, превалирующие ги- потензивные сигналы практически блокируют каналы передачи, имею- щие ограниченную пропускную способность. В-третьих, данная инфор- мация искажается в процессе передачи по нервным структурам и в ходе обработки в вазомоторных центрах, также функционирующих в условиях ишемии. И, наконец, в очередной раз искаженные исполнительные сиг- налы вызывают неадекватную, с точки зрения адаптации, реакцию пе- риферических сосудов, т.е. дополнительный ангиоспазм. Рис. 1.7. Вариант воздействия динамического магнитного поля на регуляторные механизмы системы кровообращения: I — периферический отдел; II — канал передачи информации с синаптическими контакта- ми; III — центр обработки информации 1-го уровня (спинной мозг); IV — центр обработки информации 2-го уровня (головной мозг — талямическая область); 1 — периферический сосуд; 2 — барорецепторы; 3 — возбуждающее волокно; 4 — пресинаптическое торможе- ние; 5 — постсинаптическое торможение; 6 — постсинаптический нейрон; 7 — переклю- чающий нейрон спинного мозга; 8 — клетки вазомоторного центра
46 Глава 1 Можно предположить, что под воздействием ИБМП происходит переход патоинформации в нормоинформацию. В таком случае включаются адаптационные механизмы, которые приводят к относительной стаби- лизации периферической гемодинамики. Это проявляется, в частности, в уменьшении периферического спазма сосудов, достоверно определяе- мого методами функциональной диагностики, о чем речь пойдет в пос- ледующих главах. В настоящее время не представляется возможным указать конкрет- ную зону влияния ИБМП. Скорее всего, воздействие происходит одно- временно на всех уровнях обработки информации. Наиболее вероятными мишенями нам представляются зоны синаптической передачи сигнала, особенно в местах формирования первичного сигнала в барорецепторах. Основываясь на этой предпосылке, можно указать некоторые пара- метры ИБМП, использование которых должно повысить терапевтичес- кую эффективность. Это синхронизация начала бегущей волны с час- тотой сердечных сокращений, совпадение скорости перемещения самой волны со скоростью кровотока в артериальных сосудах, соответствие направления движения бегущей волны и вектора магнитной индукции с направлением артериального кровотока. Именно с такой частотой, с такой последовательностью и с таким временным интервалом форми- руются импульсы, передаваемые с барорецепторов. Поиск рациональных подходов к изучению биологического действия импульсного бегущего магнитного поля (ИБМП) в норме и патологии (клинике и эксперименте) базируется на фактах его клинической эф- фективности в лечении хронических неспецифических окклюзионных заболеваний артерий. Сравнительный химический анализ показывает, что стабильный положительный эффект, по субъективным данным и некоторым клиническим тестам, отмечается при курсовом применении ИБМП следующих характеристик: синхронизированного с частотой сер- дечных сокращений, равнонаправленного по вектору движения и век- тору индукции с магистральным артериальным кровотоком, перемеща- емого со скоростью, кратной скорости кровотока, с распределением уровней магнитной индукции по заданному алгоритму в соответствии с особенностями данного заболевания. Выявление конкретных механизмов положительного влияния ИБМП и перечисленных характеристик при заболеваниях с нарушением артериального кровотока должно основываться на известных данных о функциональных регуляторных принципах организации сердечно-сосу- дистой системы. Проблема регуляции кровообращения включает: а) нервно-рефлекторную регуляцию; б) миогенный компонент; в) химическую регуляцию сосудистого тонуса. Сосудодвигательные рефлексы можно разделить на системные, при- водящие к изменению артериального давления, и регионарные вазомо- торные рефлексы. Согласно В. М. Хаютину [113], системные рефлексы можно разделить на 2 группы. Одни из них возникают в ответ на из-
Действие магнитных полей на биообъекты 47 менения в самой сердечно-сосудистой системе и называются собствен- ными или внутренними рефлексами сердечно-сосудистой системы. Вто- рые, или «внешние» («сопряженные» по В.Н. Черниговскому) [114], возникают в ответ на сигналы с рецепторов, расположенных вне сердца и сосудов. Применительно к поставленной задаче определения влияния мало- изученного физического фактора на кровообращение, целесообразно ис- пользование системного подхода к оценке всех основных известных фак- торов, воздействующих на такой ведущий показатель артериального кро- вотока как местный (локальный) радиус сосуда. Именно этот показатель нужно считать определяющим, исходя из поставленной задачи выясне- ния роли ИВМП при лечении заболеваний с артериальной недостаточ- ностью. Схема, разработанная Bohr с соавторами, отражает значение каж- дого из 22 блоков функциональной организации кровообращения в тка- нях, являющихся конкретными звеньями возможного саногенетического воздействия МП. Системный подход может помочь в рациональной по- становке опытов и подборе клинических тестов для подтверждения воз- можного влияния ИБМП на артериальный, а, следовательно, и капил- лярный кровоток, тесно зависящий от первого. Как известно, объем крови, протекающий через терминальное сосудистое ложе, регулируется изменением тонуса артерий, в первую очередь артериол. Давление внутри капилляра обеспечивается как нейрогенными, так и гуморальными ме- ханизмами влияния на артериолы, а также состоянием посткапиллярных сосудов, от которых зависит сопротивление в собирательных венулах. Величина площади задействованных поверхностей стенок капилляров по реализации обменных процессов зависит от активности прекапиллярных сфинктеров, т.е. от влияния местных факторов химической регуляции на гладкие мышечные ткани. Венозный отток в тканях зависит не только от просвета сосуда, но и от реологических свойств крови (вязкости, электрического заряда клеточных элементов и стенки сосуда, концент- рации клеток и т.п.). Схема регуляции тонуса артерии, а, следовательно, и уровня капиллярного кровообращения может быть использована для дальнейшего экспериментального и клинического анализа биологичес- кой и клинической эффективности МП. Предлагаемая концепция механизма действия МП как внешнего раздражителя, не претендует на оригинальность, она безусловно не рас- крывает всех звеньев этого механизма, но она может быть использована в практическом здравоохранении как рабочая гипотеза, приемлемая на данном этапе. Основываясь на собственном опыте эффективного использования магнитотерапевтической установки класса «Аврора МК-01» для лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы, и, прежде всего, обусловлен- ных нарушениями периферического кровообращения, в заключении можно сделать вывод, что ЭМП является важным корригирующим фак- тором в нормализации патологически измененной системы регуляции. Можно полагать, что ИБМП создает условия для самоорганизации
48 Глава 1 функциональных комплексов, активизирует адаптационные механизмы и, тем самым, способствует положительному лечебному эффекту в ши- роком диапазоне возникающих патологических состояний. Межличностный уровень (биомагнетизм). В настоящее время активно развиваются исследования, связанные с регистрацией сверхслабых маг- нитных полей, генерируемых различными органами живых объектов, и, в первую очередь, сердцем и мозгом человека. Установлено, что интен- сивность МП сердца составляет 10'6 от интенсивности ГМПЗ для сред- них широт (0,05...0,07 мТл ), а интенсивность МП вблизи головы чело- века имеет величину порядка 0,01...0,1 нТл и идентифицируется многими исследователями как магнитная составляющая a-ритма электроэнцефа- лограммы (Э. Э. Годик, Ю. В. Гуляев, 1990 ) [115]. Одной из основных задач этого направления является разработка методов, пригодных для выявления изменений в системах организма бесконтактным способом (У. Р. Эйди и др., 1989) [84]. Освещая вопрос о магнитных полях биологических объектов, нельзя не отметить исследования Ю. А. Холодова [116]. Он справедливо ука- зывает, что для регистрации сверхслабых МП нужны сверхчувствитель- ные магнитометры, работа которых основана на эффекте Джозефсона. Такие приборы работают с использованием жидкого гелия и носят на- звание СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерференционный дат- чик). Данное научное направление получило название «биомагнетизм», в отличие от магнитологии, которая изучает действие внешних МП на биосистемы. Интенсивность биомагнитных полей в миллионы раз ниже МП Земли. Поэтому пока что регистрируются биомагнитные поля только у тех объектов, которые могут в процессе жизнедеятельности создавать заметные электрические токи, например, МП было зарегистрировано у электрического сома. Считается, что МП электрических рыб, возникаю- щее при их разряде, является наиболее сильным. Его регистрируют с помощью индукционного датчика и усилителя. Запись магнитного и электрического сигналов осуществляется на кинопленке с экрана ос- циллографа. Во время электрического разряда, возникающего у рыбы, можно зарегистрировать МП, проходящее через воду, стенки аквариума и медный экран, где заключен индукционный датчик, воспринимающий МП порядка 10-12 Тл в звуковом диапазоне частот. Имеются данные о формировании МП у неэлектрических рыб (щука), возникающего во время болевого раздражения. 1.7. Перспективы и задачи в развитии магнитотерапии Все вышесказанное подтверждает тот факт, что в мировой науке активно изучается проблема влияния МП на живой организм. Накоп- ленный фактический материал позволил выдвинуть различные теории и предположения, хотя ни одна из них до настоящего времени не получила всеобщего признания. В зависимости от превалирующих склонностей в
Действие магнитных полей на биообъекты 49 работе, всех магнитологов можно подразделить на три группы: у одних преобладают занятия научными экспериментами, другие применяют МП чисто практически, не уделяя разработке теоретических основ большого внимания, а третьи сочетают научные изыскания в теории и практике. Несмотря на многочисленность, судя по печатной продукции, первой и третьей групп, все же наиболее представительной является вторая груп- па, которая состоит из опытных врачей практического здравоохранения, которые применяют в лечебной практике тот или иной аппарат, не очень вдаваясь в механизмы его действия. В результате их деятельности на- коплен громадный клинический опыт и обширный фактический мате- риал, требующий научного анализа и обобщения. Решение этой задачи позволило бы разработать оптимальные схемы лечения и способствовало бы созданию новых и улучшению старых конструкций магнитотерапев- тических аппаратов. Как известно, в магнитотерапевтической практике используются два вида воздействия МП: локальное — на патологическую область и общее — на организм пациента в целом. Несмотря на выраженные внешние отличия, эти два способа лечения нельзя резко разграничивать, так как любое местное влияние обязательно инициирует рефлекторные механизмы, обеспечивая тем самым подключение к формированию от- ветной реакции центральных регуляторных механизмов, хотя в целом этот ответ несомненно будет слабее, чем при общем воздействии. В практике отечественного здравоохранения используются выпускаемые серийно и не серийно магнитотерапевтические аппараты, предназначен- ные как для местного, так и общего воздействия. Однако последние встречаются гораздо реже, что с нашей точки зрения совершенно не- обоснованно. В связи с этим возникает настоятельная необходимость достаточно аргументированно определиться в перечне показаний для использования магнитотерапевтических аппаратов локального и общего воздействия и обосновать реальную потребность в них. Применяя локально действующее МП, мы влияем на конкретную область организма, например, на коленный или голеностопный суставы, позвоночник и т.д. Не вызывает сомнения факт, что аппараты местного действия более удобны и подчас более эффективны при выраженных местных процессах (остеохондроз, артроз и др.). Серьезным преимуще- ством этих устройств является возможность использования их не только в стационарах, как, например, широко распространенный и хорошо известный «Полюс-1» — первый промышленный аппарат в СССР, пред- назначенный для низкочастотной магнитотерапии (синусоидальные и пульсирующие МП), но и в домашних условиях, где может быть при- менен аппарат «МАГ-30» и ряд других. Вместе с тем, при местном действии ЭМП лечебный эффект может быть достигнут только при условии существенного повышения индукции МП, использования более высоких частот и увеличения продолжительности воздействия. Ряд исследователей предлагают компромиссный вариант магнитоте- рапии, сочетающий оба подхода. При этом рекомендуется помимо мест- ного влияния на очаг патологии воздействовать, опять же локально, на
50 Глава 1 область гипоталамуса, что предполагает запуск адаптивных реакций на уровне целостного организма. Кстати, данный сочетанный вариант может быть осуществлен на аппаратах, предназначенных для общего воздействия на живой организм. В аппаратах, предназначенных для влияния на целостный организм, складывается иной характер взаимодействия между МП и системами организма. Помимо неярко выраженного прямого действия МП низкой интенсивности на все системы организма, запускаются механизмы не- специфической адаптации организма к воздействующему фактору. Это связано с тем, что МП, вне всякого сомнения, приводит к метаболи- ческим сдвигам в микроокружении рецепторов различной модальности. Возбуждение, которое при этом сформируется, будет реализовано через центральные системы регуляции с подключением не только ЦНС, но и гуморальных механизмов. Поскольку воздействие осуществляется на значительной площади — на весь организм, то результативный ответ может быть получен при использовании МП, величины биотропных параметров которых существенно ниже применяемых при местных воз- действиях. Исходя из принципа, что слабые раздражители способствуют формированию в организме наиболее адекватных адаптивных реакций [117], мы можем, используя МП слабой и сверхслабой индукции, ока- зывать на организм тренирующие воздействия, при этом еще сохраня- ется резервная возможность повышения их эффективности путем моду- ляции параметров МП во времени и пространстве. При общем и при местном действии МП по мере возрастания аб- солютной величины действующего фактора происходит повторение триад адаптационных реакций (тренировка — активация — стресс), фор- мирующихся на разных уровнях реактивности и разделенных зонами ареактивности [117]. Преимущество использования общего воздействия состоит в том, что оно позволяет, применяя ЭМП малой интенсивности, низкой частоты и короткой экспозиции, добиваться синхронной работы нервной и эндокринной систем на энергетически выгодных низших этажах реактивности, в то же время формируя защитные реакции орга- низма высокой степени эффективности. Однако из вышесказанного не следует делать вывод о необходимости полного перехода на использо- вание магнитотерапевтических аппаратов только общего воздействия. Практическое здравоохранение должно иметь возможность выбора и оптимизации в лечении больных, используя аппараты соответствующей предназначенности. Аппараты общего воздействия предпочтительнее в тех случаях, когда нужна коррекция взаимодействия между различными системами организма, что успешнее всего может быть осуществлено путем мобилизации регуляторных механизмов центральной нервной и эндокринной систем. Данный терапевтический подход оказался весьма результативным при лечении заболеваний, связанных с патологией со- судистой системы: облитерирующий эндартериит, диабетические анги- опатии и др.
Действие магнитных полей на биообъекты 51 В аппаратах общего воздействия наилучший терапевтический эф- фект достигается, как это следует из рекомендаций различных авторов, при применении МП с ограниченной индукцией (5...50 мТл) и при короткой экспозиции (10...30 мин). Помимо этого также указывается на целесообразность более частого омагничивания, но с использованием меньших доз воздействия. Видимо, оптимальное решение предполагало бы отпуск процедур в соответствии с биоритмами пораженного органа или системы организма. К сожалению, реализация такой возможности сложна с организационных позиций. Тем не менее, несмотря на столь оптимистические результаты, ко- торые отмечены при использовании МП общего действия на организм, следует соблюдать ряд ограничений при отпуске лечебных процедур: — добиваясь повышения неспецифической резистентности организ- ма, необходимо минимизировать воздействие на головной мозг, стараться получить желаемый результат рефлекторным путем; — при сочетании общих и местных воздействий строго соблюдать принцип распределения воздействия: минимум — на ЦНС, мак- симум — на очаг поражения; — не следует форсировать количественные характеристики биотроп- ных параметров МП при кажущемся отсутствии результатов. Не- обходимо помнить, что могут иметь место отсроченные проявле- ния эффектов (через 5...7 дней) при достаточно длительном пос- ледействии. Клинический опыт, накопленный при использовании уникальных аппаратно-программных полимагнитных комплексов «Аврора МК-01» и «Аврора МК-02», показывает, что они обладают широкими возможнос- тями по реализации тех преимуществ, которые может дать общее воз- действие магнитным полем на живой организм. Конструкции аппаратов позволяют вносить дальнейшие изменения и модификации с целью их усовершенствования. В магнитотерапевтических комплексах «Аврора МК-01-02» генери- руется низкочастотное магнитное поле, свободно проникающие в любые биологические объекты и ткани. Эффективность воздействия таких полей предопределяется еще и характеристиками биотропных парамет- ров: интенсивности, градиента, векторности, формы импульса и т.д. В создаваемом аппаратом импульсном бегущем магнитном поле представ- лено наибольшее число биотропных параметров — семь, причем зало- жена возможность проводить импульсную терапию синхронно с ритми- ческими процессами в органах и тканях, что повышает эффективность влияния и снижает степень адаптации организма. Учитывая все вышесказанное, можно сформулировать основные на- правления исследований: 1. Дальнейшее изучение в эксперименте и клинике механизмов дейст- вия ЭМП как при местном, так и общем воздействии, соблюдая диф- ференцированный подход в изучении МП при экспериментальных исследованиях и в клинической практике. Если в эксперименте
52 Глава 1 можно использовать любые источники МП с самыми разнообразны- ми параметрами, то в клинике допустимо применение МП в рамках «физиологических параметров», т.е. не выходящих за пределы опреде- ленных границ, например, индукция — 50 мТл, частота не выше 100 Гц. Причем при местном воздействии эти значения могут быть выше, при общем — ниже. 2. Актуальным представляется продолжение углубленных исследований механизмов действия ИБМП различных модификаций, как обладаю- щих наибольшим набором биотропных параметров. 3. Учитывая, что в лечебной практике комплексный терапевтический подход, как правило, является наиболее результативным, среди первостепенных задач следует выделить разработку оптимальных схем комбинированного использования магнитотерапевтических процедур с другими физическими факторами — лазерное и ультрафиолетовое излучение, тепловое воздействие, а также целенаправленного назна- чения лекарственных препаратов, эффективность действия которых может существенно возрастать под влиянием МП. Проблема взаимодействия магнито- и лекарственной терапии далека от решения. Любой из аспектов этой проблемы, например, магнитофорез лекарственных препаратов, могут лечь в основу нового научного направ- ления. В плане создания новых и дальнейшего совершенствования суще- ствующих магнитотерапевтических устройств авторам представляются перспективными следующие направления разработок: 1. Создание узкоспециализированного магнитотерапевтического ком- плекса («Аврора МК-02-03...»), предназначенного для лечения паци- ентов с заболеваниями сосудов, как одной из часто встречающихся форм патологии. 2. Создание аппаратов, предназначенных для использования в других областях медицины: травматологии, ортопедии, гинекологии, невро- логии и т.д. При этом должны быть проработаны возможности созда- ния как универсального устройства, предназначенного для лечения различных заболеваний, так и адаптированных для использования при конкретных нозологических формах. Вполне выполнимым является решение поставленных задач и реа- лизация вышеуказанных направлений при дальнейшей модернизации аппарата «Аврора МК-01»: — разработка схемы, позволяющей каждому из шести блоков (по два на верхние и нижние конечности, корпус и голова), работать по отдельным программам, позволяющим генерировать МП с отличающимися биотропными параметрами; — осуществление реальной возможности динамического разворота век- тора магнитной индукции (для артериальной и венозной волн); — изменив структуру наборной платы (минимум до 32/16) и, соот- ветственно, увеличив число магнитных индукторов до 16, можно
Действие магнитных полей на биообъекты 53 обеспечить изменение скорости перемещения магнитной волны в соответствии со скоростью кровотока. В настоящее время диа- пазон возможных скоростей перемещения магнитной волны со- ставляет 15...20000 см/с. Как показывает клинический опыт, у больных с патологией сосудов скорость кровотока в конечностях снижена почти на всех уровнях и составляет 1...50 см/с; — для расширения класса заболеваний, лечение которых может быть эффективным на аппаратах типа «Аврора МК», наиболее логич- ным представляется создание устройств, совмещающих положи- тельные эффекты аппаратов общего и местного воздействия, т.е. обеспечение возможности сочетанного влияния сильных высоко- частотных узко локализованных полей на фоне бегущей магнит- ной волны низкой интенсивности. Заканчивая эту главу, необходимо отметить, что современный пе- риод характеризуется активным внедрением магнитотерапии в России. Сейчас ЭМП, создаваемые для целей лечения, применяются почти во всех городах нашей страны. Необходима скоординированная наработка и внедрение в клиническую практику совершенных методик лечения конкретными аппаратами конкретных заболеваний с максимальным уче- том индивидуальных особенностей пациентов.
Глава 2 ПРОМЫШЛЕННЫЕ МАГНИТОТЕРА- ПЕВТИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ. ОБЗОР И АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ 2.1. Вводные замечания В основу классификации серийно выпускаемых магнитотерапевти- ческих приборов и аппаратов положена степень локализации поля воз- действия на пациента, т. к. это является наиболее значимым фактором с точки зрения построения самого аппарата, его сложности, а также оконечного устройства формирования магнитного поля. В первой главе были выделены три класса локализации воздействия: — локального (местного) воздействия, — распределенного воздействия, — общего воздействия. К первому классу отнесены аппараты, содержащие один или два индуктора, предназначенные для облучения магнитным полем некото- рого органа или участка тела пациента. К ним же отнесены аппараты магнитопунктурного действия с возможностью облучения в любой мо- мент времени только одной биологически активной точки. Особеннос- тью этого класса является отсутствие пространственного перемещения магнитного поля. К ним же относятся магнитотерапевтические изделия с постоянными магнитами: браслеты, таблетки, клипсы и т.п., которые в данной работе не рассматриваются. Ко второму классу отнесены аппараты, содержащие ряд (три и более) индукторов, с помощью которых можно охватить ряд органов пациента или значительную область тела пациента и даже разместить на разных частях тела. Этот класс характеризуется возможностью перемещения магнитного поля в пространстве вокруг пациента. В третий класс отнесена аппаратура с наиболее объемным оконеч- ным устройством, в котором должен размещаться весь человек. В этих аппаратах обеспечивается общее воздействие, и, как правило, в такой аппаратуре предусматривается перемещение поля в пространстве и из- менение во времени. В первых двух классах непосредственно излучатели магнитного поля имеют несложную конструкцию и зачастую организованы «россыпью», поэтому при лечении они могут устанавливаться произвольно, в зави- симости от желания врача-физиотерапевта или в соответствии с меди- цинскими методиками. При этом в общей стоимости аппарата излуча-
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 55 тели составляют малую часть по сравнению с электронной частью, ге- нерирующей силовые токи. Это особенно характерно для аппаратов рас- пределенного действия и менее справедливо для аппаратов локального действия, где нередко используются простейшие преобразователи тока промышленной частоты. В аппаратах третьего класса используют стационарные, достаточно объемные оконечные устройства, в которые помешается пациент. Их конструкция может быть самой разнообразной — от магнитного ска- фандра до магнитной комнаты. Здесь стоимость оконечных устройств порой превышает стоимость электронного блока управления, генериру- ющего весь ансамбль силовых токов. Именно эти аппараты являются предметом пристального внимания авторов книги, поскольку именно они являются системами комплексной магнитотерапии. Анализ принципов построения промышленных магнитотерапевти- ческих аппаратов позволяет представить их обобщенную структурную схему (рис. 2.1). От внешнего устройства Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема МТА С помощью блока управления задается набор биотропных парамет- ров магнитного поля. Функционально блок управления может содержать задатчики частотно-временных параметров, параметров синхронизации, интенсивности магнитного поля и др. Формирователь предназначен для получения тока определенной формы в индукторах и в самом простейшем случае может содержать преобразователь вида тока питания индуктора в виде выпрямительного диода. Как правило, в состав формирователя входит усилитель мощнос- ти. Оконечное устройство предназначено для формирования магнитного поля и представляет собой индуктор или набор индукторов (излучателей магнитного поля), выполненных в виде электромагнитов, соленоидов, коротких (плоских) катушек индуктивности.
56 Глава 2 2.2. Магнитотерапевтические аппараты локального действия Магнитотерапевтические аппараты (МТА) локального действия можно разделить на портативные — индивидуального пользования и переносные — общего пользования. В основе деления лежит взаиморас- положенность блока управления и оконечного устройства — индуктора. В качестве первого рассматриваемого МТА назовем «Маг-30». Он предназначен для воздействия синусоидальным МП одной интенсивнос- ти. Устройство представляет собой индуктор П-образной формы с двумя катушками в пластмассовом корпусе и питается непосредственно от сети. Его отличительной особенностью является отсутствие блока управления как такового. Аппарат выпускается 4-х типоразмеров: 130x115x130 мм, 105x80x54 мм, 115x80x47 мм, 110x72x34 мм, потребляемая мощность не более 50 Вт [118]. Следующий МТА «Магнитер» формирует синусоидальное и пульси- рующее магнитные поля и выполнен в виде совмещенных в едином конструктиве индуктора-электромагнита и преобразователя [119] (рис. 2.2). Преобразователь представляет из себя устройство, формирую- щее импульсы тока, питающие обмотку электромагнита. Регулировка интенсивности производится коммутацией выводов обмотки. Аппарат имеет габариты 243x93x48 мм и потребляет мощность не более 30 Вт. Преобразователь > Индуктор- электромагнит Рис. 2.2. Структурная схема МТА «Магнитер» МТА «Полюс-2Д» формирует пульсирующее МП с плавно нараста- ющим фронтом и спадом импульса. Индуктор состоит из 4-х электро- магнитных катуыек, включенных последовательно. Особенностью аппа- рата является наличие общего ферромагнитного экрана. Потребляемая мощность не более 4 Вт [120]. Переносная магнитотерапевтическая аппаратура локального дейст- вия представлена широким спектром приборов. Так, семейство аппара- тов «Полюс» насчитывает свыше пяти наименований. «Полюс-1» пред- назначен для воздействия на пациента синусоидальным или пульсиру- ющим однополупериодным МП промышленной частоты в непрерывном или прерывистом режимах. Аппарат имеет 4-х ступенчатую регулировку интенсивности МП. Отличительной особенностью является наличие таймера и устройства индикации, состоящего из сигнальных ламп, вклю- ченных последовательно с индукторами. Задание прерывистого режима осуществляется устройством управления, выполненным по схеме муль- тивибратора. В комплект индукторов входят электромагниты 3-х типов: цилиндрический, прямоугольный, полостной. Цилиндрический индук-
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 57 тор представляет собой катушку с П-образным сердечником (110x60 мм), полюса которого являются рабочей поверхностью. Прямоугольный ин- дуктор имеет в качестве рабочей поверхности не только переднюю, но и торцевые и боковые стенки (160x47x50 мм). На сердечнике укреплены 2 последовательно соединенные катушки. Полостной индуктор представ- ляет собой катушку, внутри которой помещен сердечник (25x165 мм). Потребляемая мощность не более 130 Вт [121]. Аппарат «Полюс-101» предназначен для воздействия синусоидаль- ным магнитным полем повышенной частоты и имеет 4 ступени регули- ровки интенсивности МП. Комплект индукторов состоит из двух соле- ноидов (220x264x35 мм). Предусмотрен режим попеременного включе- ния индукторов в прерывистом режиме. Потребляемая мощность не более 50 Вт. Особенностью данного аппарата является то, что индукторы и последовательно соединенные с ними конденсаторы образуют резо- нансные контуры, что позволяет получить экономию в потреблении мощности. Другой отличительной чертой является то, что для получения тока синусоидальной формы в индукторах используется не питающая сеть, а напряжение, формируемое отдельным генератором (122] (рис. 2.3). Задатчик частоты > Усилитель мощности > Индуктор - резонансный контур Рис. 2.3. Структурная схема МТА «Полюс-101» МТА «Полюс-2» предназначен для воздействия синусоидальным и пульсирующим МП с 4-я ступенями регулирования интенсивности и частоты импульсов МП. В комплект аппарата входят 3 типа индукторов: цилиндрический (110x60 мм), прямоугольный (55x40x175 мм), внутри- полостной (25x165 мм), индуктор-соленоид (240x265x150 мм) [123]. Ци- линдрический индуктор выполнен в виде 4-х отдельных катушек с сер- дечниками, размещенными по периметру индуктора. Отличительной особенностью аппарата является автоматическое согласование интенсив- ности магнитного поля индуктора при его смене с генератором и нали- чие формирователя импульсов МП, позволяющего получать экспоне- нциальную форму тока в цепи индуктора с регулировкой времени спада (рис. 2.4). Рис. 2.4. Структурная схема МТА «Полюс-2»
58 Глава 2 МТА «Градиент» предназначен для воздействия синусоидальным и пульсирующим одно- и двухполупериодным МП частотой 50, 100 Гц в непрерывном и прерывистом режимах с 8 ступенями регулировки ин- тенсивности МП. В комплект прибора входят три типа индукторов- электромагнитов (131x60; 85x60; 32x82 мм). Все индукторы магнитного поля заключены в стальной экран. Прибор имеет встроенные цифровые индикатор интенсивности МП и таймер. Отличительными особеннос- тями являются: питание индуктора током, модулированным прямоуголь- ными импульсами, и возможность работы от внешнего источника си- нусоидального и импульсного сигнала [124]. Перечень серийно выпускаемых аппаратов локального действия, их сравнительные технические характеристики и основные особенности приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Отечественная и зарубежная аппаратура локального воздействия Название аппарата Вид тока питания индуктора Макс, значение индукции, мТл (число ступеней) Частота МП Тип индуктора Отличительные особенности 1 2 3 4 5 6 Магнитер Sin, 1п/п 30 (2) 50 ЭМ - Маг-30 Sin 30 (1) 50 ЭМ - Полюс-2Д ПУ 40 (1) 12,5 эм - Полюс-1 Sin, ПУ 1п/п 35 (4) 50 эм - Полюс-101 Sin 1,5 (4) 700, 1000 Соленоид - Полюс-2 Sin, имп., exp 75 (4) 50 ЭМ, соленоид - Полюс-3 ПУ 30 (3) 12,5; 17; 25 ЭМ Магнитофорез, автоматический реверс МП Полюс-4 ПУ 15(3) 12,5; 17; 25 ЭМ Автоматический реверс МП Градиент-1 Sin, ПУ 1п/п и 2п/п 50(1) 50, 100 ЭМ Модуляция тока, работа от внешнего генератора Биос Имп. — Програм- мируемая ЭМ Возможность синхронизации от датчика пульса Магнис - 100 (плавно) - - Воздействие на БАТ Каскад Имп. 15 0,8...2,5 ЭМ -
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 59 Таблица 2.1 (продолжение) Название аппарата Вид тока питания индуктора Макс, значение индукции, мТл (число ступеней) Частота МП Тип индуктора Отличительные особенности 1 2 3 4 5 6 Авимп Имп. 1500 0,17...0,76; 30;130 Соленоид Магнито- стимуляция Биомаг Имп. 4000 (1) 0,2 Соленоид Магнито- стимуляция НЛМ-1 Sin ПО (10) 50 ЭМ - Алмаз Имп. 15 (2) 50 ЭМ - Индуктор-2 Sin 3 (6) 5000 ЭМ - Амит Имп. 57 (1) 2...5, 6, 8, 10,12,16 ЭМ — Альфа- Пульсар Имп. 1,5 80 ЭМ - БИАМП Имп. - 1...100 Соленоид Модуляция МП Биомагне- тикс (Германия) Sin 2,5 1...100 Соленоид — Магнето- трон (Германия) Sin 10 1...50 Соленоид — Ронефор (Италия) Sin — — Соленоид Перемещение индуктора над телом пациента Магнит-80 (Болгария) Sin 40 50 Соленоид - Магнит-87 (Болгария) Sin 20 1...100 Соленоид - УП-1 (Болгария, Германия) Sin Ю (5) 1,4, 8, 16, 25, 50 — — Мела (Германия) Sin - 1...15 Соленоид - Родмагне- тик- 100 (Германия) Имп. — 2, 4, 8, 10, 17, 25 — — MES-10 (США) Имп. 2300 (3) — Соленоид —
60 Глава 2 Примечание. В таблице приняты следующие обозначения токов: sin — синусоидальный; имп. — импульсный; ехр — экспоненциальный; ПУ — пульсирующий; 1п/п и 2п/п — одно- и двухполупериодного вы- прямления соответственно. 2.3. Магнитотерапевтические аппараты распределенного действия Большинство МТА локального действия имеют несколько режимов работы, в одном из которых возможно осуществление распределенного воздействия. Например, в МТА «Полюс-101» возможно попеременное включение одной из двух катушек, что приводит как бы к перемещению поля в пространстве. Однако для направленного перемещения, а тем более создания бегущего или вращающегося поля требуется не менее трех индукторов и трехфазного питающего тока. МТА «Атос» (рис. 2.5) предназначен для лечения заболеваний в офтальмологии вращающимся вокруг оптической оси глаза магнитным полем, создаваемым шестиканальным источником, выполненным на базе соленоидов и генерирующим переменное или импульсное ревер- сивное магнитное поле частотой 50 или 100 Гц. Особенностью данного аппарата является возможность воздействия одновременно на 3-х час- тотах: частотой каждого соленоида в момент включения, частотой мо- дуляции ИБМП, частотой коммутации соседних соленоидов. Рис. 2.5. Структурная схема МТА «Атос» МТА «Алимп-1» является 8-и канальным источником импульсного бегущего МП частотой 10, 100 Гц с двухступенчатой регулировкой ин- тенсивности поля. Аппарат снабжен комплектом индукторов 3-х типов, образующих 2 соленоидных устройства, состоящих из 5-и и 3-х индук- торов-соленоидов соответственно, и набор из 8-и соленоидов, разме- щенных в карманах пакета (720x720x20 мм) [118] (рис. 2.6). Первое соленоидное устройство (480x270x330 мм) представляет собой набор из 5 цилиндрических катушек, расположенных одна за другой. Второе (450x450x410 мм) — конструкцию из 3-х цилиндрических катушек, рас- положенных под углом друг к другу. Потребляемая мощность не более 500 Вт. Отличительной особенностью аппарата является использование
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 61 импульсного бегущего МП, как обладающего более выраженным тера- певтическим эффектом. Рис. 2.6. Структурная схема МТА «Алимп-1» Аппарат «Малахит-010П» является лечебно-диагностическим ком- плексом, предназначенным для лечебного воздействия импульсным сложно модулированным электромагнитным полем на больной орган и его диагностики [125]. Аппараты подобного типа строятся по схеме, изображенной на рис. 2.7. Рис. 2.7. Структурная схема МТА «Малахит-ОЮП» Отличительной особенностью устройства является наличие канала связи с компьютером для автоматического управления параметрами МП и оптимизации процесса лечения за счет обратной связи. Комплект индукторов состоит из 12 электромагнитов. Перечень аппаратов для магнитотерапии распределенного действия, выпускаемых промышленностью, их основные технические характерис- тики и особенности приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Отечественная и зарубежная аппаратура распределенного воздействия Название ап- парата Вид тока питания индуктора Макс, значение индукции, мТл (число ступеней) Частота МП Тип индуктора Отличительные особенности 1 2 3 4 5 6 Полемиг Имп. 30 (1) 0,5; 1,4, 7, 10 Соленоид -
62 Глава 2 Таблица 2.2 (продолжение) Название ап- парата Вид тока питания индуктора Макс, значение индукции, мТл (число ступеней) Частота МП Тип индуктора Отличительные особенности 1 2 3 4 5 6 Малахит-01 Имп. 10 0,5—100 ЭМ Автоматическая регулировка параметров Малахит- 010П Имп., сл.-мод 15 (4) 120 ЭМ Канал ОС, управление от ЭВМ ПД МТ-01 ПТ, Sin, Имп. мп и бп 150 (14) 25, 50, 75, 100 эм — Алимп-01 Имп. 5 (2) 10, 100 Соленоид Бегущее МП Атос Имп. 33 (1) 50, 100 Соленоид Бегущее МП Магнетайзер, тип M-CHR (Япония) Sin 20 (6) 50 ЭМ Магнитное поле + вибрация Магнетайзер, тип М-РЗ (Япония) Sin 15 (6) 50 ЭМ Магнитное поле + вибрация Магнето- диафлюкс (Румыния) ПУ 1п/п и 2п/п 5 50, 100, 50+100 ЭМ, соленоид Неритмичный режим работы Примечание. В таблице приняты следующие обозначения токов: ПТ — постоянный; сл.-мод — сложно модулированный; мп и бп — моно- и биполярный соответственно; остальные обозначения такие же, как в табл. 2.1. 2.4. Магнитотерапевтические аппараты общего воздействия Аппараты общего воздействия являются наиболее сложными и до- рогими устройствами, поэтому освоенных промышленностью и серти- фицированных Минздравом РФ совсем немного. К ним в настоящее время можно отнести аппараты класса «Аврора-МК», аппараты типов «Магнитотурботрон 2М» и «Магнитор-АМП» [32, 126] и комплекс «Био- магнит-4». МТА «Аврора МК-01» предназначен для общего воздействия на пациента сложным динамическим магнитным полем с очень большим набором возможных конфигураций МП от «бегущих» до случайно пере- мещающихся, которые программируются заранее и, в принципе, подби- раются для каждого пациента индивидуально. Пациент располагается на специальной кушетке, где в форме гибких плоскостей укреплены сис- темы индукторов: отдельно для всех конечностей, головы и туловища
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 63 человека. Затем каждая из частей охватывается гибкими плоскостями, образуя замкнутый объем наподобие скафандра, внутри которого нахо- дится пациент. В дальнейшем аппараты класса «Аврора-МК» будут рас- смотрены подробно, как наиболее отвечающие задаче комплексной маг- нитотерапии. Здесь же ограничимся приведением в табл. 2.3 основных технических характеристик для сравнения с другими аппаратами. Таблица 2.3 Магнитотерапевтическая аппаратура общего воздействия, выпускаемая серийно Название аппарата Вид тока питания индуктора Макс, значение индукции, мТл (число ступеней) Частота МП Тип индуктора Отличительные особенности Аврора МК-01 ПТ, имп., комбини- рованный 5 (16) 0.1...100 ЭМ Возможность синхронизации си- датчика пульса, комбинированное ИБМП Магнитор- АМП Имп.,Sin 5 50... 160 ЭМ Управление от ЭВМ, автоматический контроль температуры и пульса Примечание. В таблице приняты обозначения токов такие же, как в табл. 2.1 и 2.2. МТА «Магнитор-АМП» предназначен для воздействия вращающим- ся МП в диапазоне 50... 160 Гц с программируемой автоматической цик- лично-периодической регулировкой интенсивности МП от 0 до 7,4 мТл и с модуляцией напряженности по произвольному закону на все тело пациента. Индуктор представляет собой объемный электромагнит, вы- полненный в виде статора 3-х фазной 2-х полюсной электрической ма- шины переменного тока, в котором размещается пациент [32, 126] (рис. 2.8). Контрольно-измерительный блок выполнен на базе ПЭВМ. Отли- чительной особенностью аппарата является воздействие вращающимся однородным МП на весь организм пациента с одновременным контро- 3-фазн. сеть Рис. 2.8. Структурная схема МТА «Магнитор-АМП
64 Глава 2 лем за частотой пульса и температурой тела пациента. Аппарат харак- теризуется большой массой индуктора (около 500 кг), питанием от 3- фазной сети, большим потреблением мощности (2,5 кВт). МТА «Биомагнит-4» (или БМ-4) по представлению изготовителя воздействует на пациента «особой электромагнитной средой, созданной отфильтрованным от вредоносной компоненты биоактивным излучени- ем при условии полного экранирования геоэлектрического поля и, час- тично, геомагнитного поля». Пациент помещается в прямоугольную ка- меру с плотно закрывающейся дверью, где может сесть на деревянное кресло. Управление и диагностика осуществляется от ПЭВМ. В табл. 2.3 приведены основные сравнительные сведения по вышеприведенным МТА общего воздействия. Таким образом, развитие МТА идет по пути создания устройств, генерирующих магнитные поля, обладающих все более широким набо- ром биотропных параметров, увеличения площади воздействия, введения элементов контроля за состоянием здоровья пациента, управления и синхронизации с биоритмами пациента, введения режима обратной связи на базе измерительно-диагностической аппаратуры общего и спе- циального назначения и вычислительных средств. 2.5. Анализ задачи общего воздействия динамическим магнитным полем на человека и формирование требований на технические средства комплексной магнитотерапии Воздействию магнитных полей на организм человека посвящено большое число работ и, хотя физика воздействия до сих пор проявлена слабо, имеется значительный ряд исследований по установлению функ- циональных связей состояния организма человека с параметрами маг- нитных полей. На повестке дня стоит вопрос формирования динами- ческих магнитных полей, имеющих определенную функциональную на- правленность прежде всего для лечения различных заболеваний. Причем формирование магнитных полей в локальной области уже не отвечает многим требованиям медицины. Требуется формирование динамических магнитных полей вокруг всего организма человека вначале как физио- терапевтической процедуры, а в дальнейшем и как фактора среды оби- тания [127]. Методологическое, математическое, физиологическое и, наконец, техническое решение этой задачи для формирования магнитных полей явилось бы прецедентом решения аналогичных задач для других видов полей и, в конечном итоге, привело бы к решению глобальной задачи формирования нужной структуры физических полей вокруг человека, наличие которых помогло бы ему справиться с болезнями. Для развития рассматриваемого направления с целью повышения эффективности ле-
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 65 чения, расширения класса заболеваний, охватываемых системами маг- нитотерапии, требуется решение следующих вопросов: — разработка единичного универсального излучателя магнитного поля, методики его расчета и оптимизации параметров в соот- ветствии с заданными критериями; — разработка способов формирования оптимальной конфигурации поля в целом, соответствующей заданной методике лечения; — конструирование эффективных технических средств для создания заданных полей вокруг человека; — исследование механизмов воздействия динамических магнитных полей (ДМП) на организм человека и его важнейшие функции; — разработка эффективных каналов обратной связи и отыскание их параметров с целью автоматизированного управления характерис- тиками ДМП в ходе воздействия на основе измерения реакций пациента. В настоящем разделе сконцентрировано внимание на формировании динамических магнитных полей вокруг всего человека. Под динамичес- ким магнитным полем будем понимать поле, изменяющееся во времени и в пространстве заданного объема (в данном случае внутри и вокруг человека) и имеющее ячеистую структуру, дискретность которой опре- деляется элементами объекта восприятия (например, органы, сосуды, ткани и т.п.), что позволяет обеспечить достаточную независимость уп- равления векторами магнитного поля в соседних ячейках структуры. Реализация этой идеи распадается на две задачи. Первая из них связана с техническим решением формирования в заданной локальной области пространства ничтожно малого объема (физическая точка, далее — просто точка) вектора магнитной индукции, локализацией вы- деленных точек, формированием объемных матриц векторов магнитного поля, локализацией точек с учетом формы тела человека и его органов, обеспечивающей необходимое распределение магнитного поля как внут- ри тела человека, так и на поверхности. Эта задача обусловливает раз- работку и создание источников магнитного поля, определение их числа, размеров, пространственного расположения, взаимодействия и конфи- гурации. Внешним проявлением решения данной задачи является вид объема, в котором размещается человек. Это может быть магнитная комната, магнитный бокс, магнитная камера, магнитная кушетка, маг- нитный ложемент, магнитный скафандр и др. При этом конструкция объема размещения источников излучения играет не последнюю роль в эффективности воздействия, а тем более в системах, обеспечивающих формирование заданной конфигурации динамического магнитного поля в заданной области пространства. Вторая задача связана с системой электронного формирования и управления электрическими токами и напряжениями с целью получения заданной динамики (перемещения во времени и пространстве) векторов магнитной индукции в каждой ячейке заданного объема. Рассмотрим эти задачи раздельно [128].
66 Глава 2 2.5.1. Формирование метрики векторов магнитного поля Многомерный вектор динамического магнитного поля D = {Ит, 1т} составлен из многомерного вектора пространственного расположения индукторов Ит = {ИрИ^...^} и многомерного вектора токов, протека- ющих через индукторы, Im = где s — число индукторов, п — число каналов аппарата. В свою очередь последний составлен из векто- ров канальных токов Ij = {I,P,T,t}, где I — интенсивность, Р — поляр- ность, Т — время подключения, t — текущее время. Таким образом поставленная задача может быть формализована в следующих этапах: — синтез пространственного расположения излучателей магнитного поля и формирование параметров одиночного базового излуча- теля; — синтез канала формирования тока, изменяющегося во времени по заданному закону в определенном диапазоне интенсивностей и спектра, отражающему закон изменения магнитного поля во времени; — синтез многомерности каналов, имеющей заданную корреляци- онную зависимость, отражающей заданную функциональную связь между локалиями и формирующей закон изменения поля в пространстве. Наложим некоторые ограничения на решаемую задачу синтеза с учетом биологических свойств объекта восприятия и технической реа- лизуемости системы. 1. Изменения магнитного поля во времени и в пространстве должны иметь периодический или квазипериодический характер, хотя и со сложным периодом формирования. Это связано с периодичностью основных биоритмов объекта (пульс, а-ритм, p-ритм) и периодичнос- тью основной среды обитания (день, ночь и т.п.). 2. Изменения во времени и в пространстве должны учитывать периодич- ность биоритмов объекта либо с целью синхронизации с ними, либо, наоборот, с целью десинхронизации. 3. Скорость изменения магнитного поля во времени и в пространстве должна быть одного порядка с основными скоростями функциониро- вания организма объекта на макро-уровне (скорость кровотока, рас- пространение ощущений, сокращение мышц и т.п.) и перекрывать их на достаточные значения в обе стороны. 4. Дискретность структуры динамического поля во времени, в простран- стве и по уровню должны быть одного порядка и функционально свя- заны с обобщенной дискретностью макроэлементов объекта воздей- ствия (органов человека). 5. Метрика динамического поля в пространстве должна быть согласова- на с метрикой макроэлементов и процессов в человеке. Рассмотрим задачу формирования динамического процесса во вре- мени в одной точке пространства. Процесс квантования по уровню и
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 67 Рис. 2.9. Диаграмма формирования полей, дис- кретных по уровню и во времени дискретизации по времени, представленный на рис. 2.9, характеризуется следующи- ми размерностями: Нк — интервал квантования, Ht — интервал дискретизации, m — число дискрет во време- ни, п — число квантов по уровню. Оценим порядок раз- мерностей процесса, ори- ентируясь на следующие рассуждения. Формирова- ние ячеистой структуры магнитного поля на одной конечности человека длиной L ограничено, кроме всего прочего, способностью в концентрации поля. Так как зна- чение индукции магнитного поля в однородной среде убывает пропор- ционально квадрату расстояния, то по длине конечности в качестве размера локальной ячейки примем область, на границах которой поле убывает в два раза. Если принять, что магнитная индукция в центре ячейки Вц = В4, а на границе Вг = В/2, можно определить ее размер D, исходя из размера ячейки Ия и размера Rj области формирования одно- родного поля: A R?_i BU"R2 2- D = 2(Rj + R„). (2.1) Решая систему, получим: (D/2 - R„) ! -2- (2.2) Из последнего соотношения определим размер эффективного дей- ствия ячейки: D = 2R„(1 + VT) « 4,82ИЯ. (2.3) Тогда размер ячейки составит Dfl = 2RM = D/2,41. Техническая ре- ализуемость диктует размеры источника излучения в пределах DH = 3...5 см. Тогда размер одной элементарной ячейки магнитного поля D = 2,41 -DH = 2,41 (3...5) может быть определен в пределах D = 7... 12 см. Следовательно, на длине конечности L=1 м должно быть сформи- ровано от 8 до 14 ячеек, а по длине всего тела человека 16...30 ячеек. Таким образом, порядок размерностей ячеек и процессов определился в пределах 8...30, т.е. значения тип (рис. 2.9) также должны находиться в пределах 8...30. При этом необходимо учесть, что определяющим фак- тором в расчете размеров явилась физическая реализуемость источников магнитного поля на современном уровне развития техники.
68 Глава 2 2.5.2. Анализ метрики поля Выше проанализирована пространственная метрика ячеистой струк- туры динамического магнитного поля, создаваемого вокруг человека. Причем диаметр Оя одной ячейки магнитного поля должен находиться в пределах 7... 12 см. На следующем этапе анализа следует выяснить необходимое коли- чество ячеек для формирования замкнутого магнитного поля вокруг человека. Обозначим общую площадь поверхности тела человека Sn и рассчитаем необходимое число ячеек в соответствии с выражением: N = 4Sn/rcD2. (2.4) Если принять общую площадь поверхности тела человека в среднем равную Sn = 40000 см2 (с запасом на комфортное расположение паци- ента), то общее число ячеек определится в пределах N = 400... 1000. Обратимся теперь к вопросу формирования конфигурации объема магнитного поля вокруг человека. Очевидно, что пространственная структура макрополя, окружающая все тело пациента в целом, имеет немаловажное значение для достижения высокоэффективного лечения. Можно предложить множество моделей конфигурации ячеистой струк- туры излучателей: — в форме плоскости, на которой располагается человек; — в форме двух плоскостей, между которыми располагается человек; — в форме цилиндра, внутри которого располагается человек; — по форме тела человека и др. Конфигурации перечислены в порядке усложнения конструкции. Здра- вый смысл подсказывает, что, по-видимому, наиболее эффективной будет конструкция, учитывающая форму тела человека. Однако реализация ее в виде гибкого эластичного костюма (напоминающего гидрокостюм) вряд ли окажется целесообразной, прежде всего из-за массы конструкции (по- рядка 100 кг). Поэтому безусловно требуется некоторый жесткий каркас, воспринимающий всю нагрузку. В этом плане сформировались следующие направления конструирования МТА общего воздействия. В первом из них для всех конечностей, головы и туловища человека формируются цилиндры жесткой конструкции, в которые необходимо поместить пациента для проведения сеанса магнитотерапии, что не так просто для больного человека. Во втором для каждой конечности, головы и туловища создается некая упруго сгибающаяся в цилиндр плоскость, которая держит свою форму за счет упругих сил. Исходно на эти плоскости ложится пациент, а затем уже на частях его тела формируются цилиндры. В третьем изготавливаются две жесткие полусферы по форме тела человека (скорлупы), в которых размещены индукторы. В нижнюю ук- ладывается пациент и закрывается верхней. Второй и третий подходы являются наиболее приемлемыми для кон- струирования средства, обеспечивающего целесообразную модель кон- фигурации магнитного поля, учитывающую форму тела человека.
Промышленные магнитотерапевтические аппараты 69 Таким образом, задача, связанная с техническим решением направ- ленного формирования в заданной физической точке пространства век- тора магнитной индукции, в конечном итоге наиболее целесообразно решается путем генерации магнитного поля в конфигурации тела чело- века с помощью конструкции, собираемой из излучающих плоскостей ячеистой структуры с числом ячеек в пределах 400... 1000. 2.5.3. Анализ метрики управления Перейдем к решению второй задачи, связанной с системой элек- тронного формирования и управления электрическими токами и напря- жениями с целью получения заданной динамики (перемещения во вре- мени и пространстве) векторов магнитной индукции в каждой ячейке заданного объема. Прежде всего обратим внимание на то, что излучатели магнитного поля исходно имеют вид плоскостей, из которых формируется затем объем по форме тела человека. Следовательно, управление ячеистой структурой на плоскости в общем виде наиболее целесообразно пред- ставить матричной организацией NxM (рис. 2.10). Так как по нашим расчетам число ячеек находится в пределах 400... 1000, то в случае ис- Рис. 2.10. Ячеистая структура плоскости, созда- ющей магнитное поле пользования квадратной матрицы ее размерность в среднем равна 2020. Данная размерность достаточно ве- лика для реализации, хотя и выполнима. Проанализи- руем возможности ее уменьшения. Прежде всего обратимся к определенной симметричности тела чело- века и достаточному едино- образию функционирова- ния его частей. При этом выделим 6 макрочастей тела человека: 2 ноги, 2 руки, голова и туловище. Четыре из выделенных час- тей (ноги и руки) действи- тельно обладают единооб- разием функционирования, чего однако никак нельзя сказать относи- тельно остальных частей. Тогда, принимая во внимание, что суммарная площадь поверхности ног и рук составляет около 2/3 общей площади поверхности тела человека, то независимой становится площадь, равная 1 2 S_ S = |s„ + j.-f-0,5S„, (2.5)
70 Глава 2 или, в нашем случае, независимое управление достаточно организовать в числе ячеек в пределах 200...500, при этом размерность квадратной матрицы снижается в среднем до 16x16. Однако и эта размерность до- статочна велика, поэтому для дальнейшего упрощения можно всю пло- щадь разбить на шесть единообразных матриц, работающих параллельно. Тогда независимое управление достаточно организовать в числе ячеек 60... 160 и свести к размерности матрицы управления 8x8, что особенно удобно при использовании микропроцессорных средств управления. Важной подзадачей электронного управления является формирова- ние заданной величины и направления тока в одной ячейке матрицы излучения независимо от других ячеек. Выделим ячейку и управляющие элементы, представленные на рис. 2.11. Вектор индукции магнитного поля B(I) = {Y,X,Uy,Ux} представляет собой функцию векторов управле- ния ключами Ку (строка матрицы), 1^ (столбец матрицы) и векторов напряжений Uy и Ux. Выделим множество, при котором В(1) отлично от нуля. Это множество соответствует следующим условиям: Yj&Xj = 1, Uy ф Ux. При этом вектор индукции магнитного поля пропорционален B(I) = (Uy — Ux)/Q„, где QH — общее сопротивление индуктора, распо- ложенного в ячейке. Упростим вектор управления с четырех- до трех- мерного. Это оказывается возможным, если, например, сделать управ- ляющее напряжение Ux = 0. Но тогда становится необходимой двухпо- лярная реализация вектора Uy. Необходимо отметить, что если векторы управления Y,X задать в булевском представлении, то вектор Uy оказы- вается в представлениях бесконечнозначной логики. Сведем управление ячейкой исключительно к булевым представлениям. Это оказывается возможным, если применить широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) или цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) при управлении вектором индукции. Тогда структуру управления ячейкой можно представить в виде, показанном на рис. 2.12, где Z — код управления ЦАП или ШИМ. При этом вектор магнитного поля оказывается пропорционален В(1) = Z(Y&X), что реализовать достаточно просто в цифровой форме, причем наиболее просто реализуется ШИМ. Таким образом, управление ячей- ками матрицы удалось свести к трехмерному управлению булевыми пере- менными. Рис. 2.11. Схема ячейки матрицы Рис. 2.12. Схема управления ячейкой мат- излучения рицы излучения
Глава 3 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРОСТРАНСТВЕ БИООБЪЕКТА 3.1. Виды ивдукторов и создаваемых ими полей Искусственные постоянные и переменные магнитные поля могут создаваться с помощью постоянных магнитов, катушек индуктивности и электромагнитов. В терминологии, установившейся в научной лите- ратуре по магнитобиологии и магнитотерапии, источник искусственного магнитного поля называют индуктором. Постоянные магнитные поля, а, следовательно, аппараты и устройства на основе постоянных магнитов в настоящей книге не рассматриваются. Для создания переменных, пульсирующих и импульсных магнитных полей в магнитотерапии широко используются индукторы в виде соле- ноидов, цилиндрических и нецилиндрических коротких катушек, электромагнитов с сердечниками различной конфигурации, выполнен- ными из различных материалов. Любой источник магнитного поля об- ладает разными полюсами (N — северный, S — южный), имеет замкну- тые силовые линии (принято направление от северного к южному). У источников переменного магнитного поля полюса меняются периоди- чески в соответствии с изменением направления тока. Магнитное поле индуктора характеризуется вектором магнитной индукции В, вектором напряженности магнитного поля Н, градиентом магнитной индукции gradB. Рассмотрим основные типы применяемых в медицинской практике индукторов и характеристики создаваемых ими полей. Соленоид. Цилиндрическую катушку, состоящую из большого числа витков провода, образующих винтовую линию, называют соленоидом. Если витки расположены вплотную друг к другу, катушка представляет собою систему последовательно соединенных круговых витков одинако- вого радиуса, имеющую общую ось. При протекании по виткам тока образуется магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис. 3.1. Часть силовых линий проходит через обмотку. Линии магнит- ной индукции длинного соленоида (при / >> г, где / — длина катушки, г — радиус намотки) практически параллельны друг другу. Поле внутри такого соленоида равномерно и однородно. Направление вектора маг- нитной индукции определяется по правилу буравчика и совпадает с направлением оси X. Внутри длинного соленоида существует только
72 Глава 3 аксиальная составляющая индукции Вх. Максимальное значение индук- ции Bjfl на оси имеет место в точке, лежащей на середине соленоида (129J: В«о = 1 ’ (31) где I — ток, протекающий через катушку; N — число витков; — магнитная постоянная; ц — относительная магнитная проницаемость среды. Распределение значений индукции практически равномерно по всей длине оси соленоида и снижается на концах (Х^ = ± 1/2) до значения (рис. 3.1,в): вХп> = WXoN • ijj (3.2) Для соленоидов конечной длины значение индукции на оси рассчи- тывается по формуле [130]: Вх = WoN • . (33) где Vj = х + //2, v, = х - //2, Vj = 1/2 - х, v2 = х — 1/2 v2 = х + 1/2 v2 = x + 1/2 при при при х > 1/2 ; х < //2 ; -1/2 < х <1/2 . Распределение аксиальной составляющей индукции Вх по сечению х = 0 соленоида показано на рис. 3.1, б. Ввиду того, что вне соленоида поле быстро затухает, основной для целей лечения является его внут- ренняя полость. Известны экспериментальные и серийные магнитотерапевтические установки, в которых используются рассматриваемые индукторы-соле- Рис. 3.1. Однослойный соленоид: а) геометрия; б) распределение индукции Вх по сечению; в) распределение индукции Вх по оси; г) силовые линии
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 73 ноиды. Первые публикации относятся к установкам I-ON-A-CO, «Theronoid» и «Vitrona» (США) [131-133], основу которых составлял ин- дуктор-соленоид диаметром 45 см, питаемый синусоидальным током. В комплекте аппарата «Полюс-2» (СССР) [123], имеются два соленоида (размеры 0270x0265x150 мм), питаемые синусоидальным током. Ин- дукторы-соленоиды (диаметры 30 и 50 см) используются в аппаратах «Магнетотрон», «Биомагнетик» (Германия) [1], имеющих несколько ре- жимов питания: непрерывный, прерывистый и ритмичный (во всех ре- жимах ток синусоидальный). При проведении процедур индукторы-со- леноиды обычно надевают на конечности, туловище или шею пациента. Вектор магнитной индукции при этом направлен вдоль тела или конеч- ностей человека. Имеют применение аппараты, у которых используется торцевое поле соленоида. При этом индукторы-соленоиды располагаются перпендику- лярно поверхности тела человека (вектор магнитной индукции Вх также перпендикулярен поверхности тела). В качестве примера можно привес- ти аппарат «Ронефор» (Италия) [1], у которого индуктор-соленоид (диа- метр 50 см) установлен вертикально и перемещается относительно не- подвижно лежащего пациента. Имеются сведения о применении соленоида для воздействия маг- нитным полем на весь организм человека. Это физиотерапевтический комплекс «Магнитор-АМП [32]. В данном случае пациент помещается внутрь камеры с намотанной вокруг катушкой значительных размеров, магнитные силовые линии которой пронизывают все тело в направлении от ног к голове. Индуктор имеет габариты 2100x1190x1300 мм. Диаметр рабочей полости составляет 700 мм. Запитывается индуктор от сети 380 В, 50 Гц через трехфазный преобразователь, создающий однородное вращающееся магнитное поле с частотой вращения 50... 160 Гц и индук- цией О...7,4 мТл. Управление значением индукции, частотой вращения, видом модуляции магнитного поля осуществляется ПЭВМ IBM РС(ХТ). Плоская цилиндрическая катушка (короткий соленоид). Конструкция индуктора представляет собой цилиндрическую катушку, как правило, многослойную, имеющую длину, существенно меньшую по сравнению с диаметром. Поле симметрично относительно оси, неравномерно и неоднородно. Силовые линии поля короткой катушки показаны на рис. 3.2, г. Вектор магнитной индукции имеет аксиальную Вх и ради- альную Вг составляющие. Значение максимальной индукции Вх0 на оси в центре катушки со средним радиусом г находится из выражения [129]: вхо = HHoN • I , (3.4) а в произвольной точке х оси: г2 ВХ = W*oN • 1 2(Г2 + х2)^ • (3'5) Распределение значений индукции Вх вдоль оси представлено на рис. 3.2, в. Указанные значения и распределения индукции могут быть
74 Глава 3 получены лишь в первом приближении и при условии, что размеры катушки а,Ь « г (рис. 3.2, а). В этом случае катушка представляет собой кольцо, которое можно рассматривать как эквивалентный виток с током. Распределение значений аксиальной Вх и радиальной Вг составляющих вектора магнитной индукции показано на рис. 3.2, б. Достаточно просто можно учесть геометрические размеры катушки, подставив в выражения (3.4), (3.5) вместо среднего радиуса г значение эквивалентного радиуса гэ [134]: Одной из разновидностей применяемых конструкций является плос- кая цилиндрическая катушка (рис. 3.3) с радиусами г(, г2 и толщиной а « b = г2 — Гр Значение магнитной индукции такой катушки по оси рассчитывается по следующему соотношению [130]: Рис. 3.2. Короткая цилиндрическая катушка: а) геометрия; б) распределение ин- дукции Вх (кривая 1) и Вг (кривая 2) по сечению; в) распределение индукции Вх по оси; г) силовые линии магнитного поля При соизмеримых размерах а, b и г катушки расчет магнитной индукции существенно усложняется. Кроме того приходится учиты- вать конфигурацию катушки и рассеиваемую мощность. Формулы для расчета радиальной Вг, аксиальной Вх составляющих и градиента gradB магнитной индукции достаточно сложны. Инженерная методика рас- четов приведена в [1].
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 75 Короткие цилиндрические катушки широко применяются в маг- нитотерапии. В аппарате «Полюс-101» [135,136] используются две ка- тушки (размеры 0220x0264x35 мм), которые могут фиксироваться в любом положении. Питание осуществляется синусоидальным током. Ап- парат «Полемиг» [1] снабжен несколькими цилиндрическими (размеры 0126x0136x15 мм) и эллипти- ческими (размеры 195x79x15 мм) катушками, питаемыми им- пульсным током. Аппарату «Алимп-1» [118,137] придаются восемь катушек (внутренний диаметр 105 мм и 185 мм), ко- торые питаются импульсным током и могут создавать бегущее магнитное поле. В указанных Рис. 3.3. Плоская цилиндрическая катушка устройствах индукторы могут как надеваться на конечности пациента, при этом вектор магнитной индукции Вх направлен вдоль конечностей, так и накладываться на различные участки тела, при этом вектор Вх перпендикулярен поверхности тела человека. В стационарном устройстве «Магнетодиафлюкс» (Румыния) [138-140] имеются две больших катушки (0540x0545x170 мм и 0275х 0365x50 мм), которые надевают на шею и поясницу пациента. Линии магнитной индукции направлены вдоль тела от ног к голове. Питаются индукторы пульсирующими токами несколь- ких частот, а в устройстве предусмотрены различные режимы питания (непрерывный, прерывистый, ритмичный, прерывистый неритмичный). Напротив, в аппарате «Магнит Н-80» (Болгария) [141,142] имеются две пары небольших по размерам индукторов (035x0130x30 мм и 015x070x17 мм), которые накладываются на различные участки тела, осуществляя локальное воздействие (вектор магнитной индукции пер- пендикулярен поверхности тела человека). В этом случае магнитные поля концентрируется в небольшой области, что дает возможность воз- действовать на биологически активные точки. Питание индукторов осу- ществляется синусоидальным током. Таким образом, у коротких цилиндрических катушек для лечения в одинаковой степени используется как внутривитковое поле, где силовые линии направлены вдоль тела и конечностей пациента, так и торцевое поле, у которого аксиальная составляющая вектора магнитной индукции перпендикулярна поверхности тела. Система двух плоских цилиндрических катушек (катушки Гельмголь- ца). Две плоские цилиндрические катушки, размещенные так, чтобы разноименные полюса находились друг напротив друга, образуют сис- тему Гельмгольца. Отличительной особенностью системы двух парал- лельных катушек является то, что в пространстве между ними образуется достаточно однородное и равномерное магнитное поле, картина силовых линий которого изображена на рис. 3.4. Следовательно, в пространстве между катушками существует практически только одна аксиальная со-
76 Глава 3 ставляющая Вх вектора магнитной индукции. С внешних сторон катушек имеется и радиальная составляющая Вг. Значение индукции вдоль оси X для двухконтурной системы рассчитывается по формуле [130]: о к. I 0,2л Вх = pp0N-I — ’ (3.8) а в точке х = 0: 0,4л (ЧТ72 Bx0 = pp0N.I^-^ . (3.9) Распределение аксиальной составляющей индукции Вх по оси по- казано на рис. 3.4,в, а по сечению х = 0 — на рис. 3.4,6. Рис. 3.4. Система двух плоских цилиндрических катушек: а) геометрия; б) распределение индукции Вх по сечению х = 0; в) распределение индукции Вх по оси; г) силовые линии магнитного поля Влияние на структуру поля поперечных размеров катушек, откло- нения от условия Гельмгольца, спиральности обмоток исследованы в [134]. Распределение значений магнитной индукции Вх вдоль оси X зависит от расстояния между ними. Подробная методика расчета сис- темы двух катушек приведена в [1, 143], где показано, что оптимальное расстояние между катушками (зазор /) не может превышать средний радиус г.
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 77 В упоминавшихся выше промышленных аппаратах «Полюс-101», «Полемиг», «Алимп-1», индукторы которых выполнены в виде колец (коротких цилиндрических катушек), может быть реализован режим ра- боты, определяемый системой Гельмгольца, для осуществления локаль- ного воздействия. Электромагнит. Устройство, состоящее из катушки индуктивности, как правило, многослойной и ферромагнитного сердечника называют электромагнитом. Наличие сердечника с большой относительной маг- нитной проницаемостью ц многократно усиливает и концентрирует маг- нитный поток. Это позволяет при одних и тех же параметрах магнитного поля существенно уменьшать габариты индукторов. Кроме того, исполь- зуя соответствующую конструкцию, технологию и материал сердечника, можно формировать поля заданной формы, обеспечивать требуемую глу- бину проникновения, необходимую степень локализации и т.п. Охарак- теризовать распределение магнитного поля в областях пространства, час- тично занятых ферромагнитным материалом, представляет собой чрез- вычайно сложную задачу. Зависимость скалярного магнитного потенциала <рм и неравномерно распределенной намагниченности М по объему ферромагнетика описывается уравнением Пуассона: V2<pM = -divM. (3.10) Решение этого уравнения затруднено, главным образом, тем, что распределение величины М неизвестно. Результаты исследований [144] показывают, что в общем случае векторы индукции В, напряженности магнитного поля Н и намагниченности М не совпадают по направлению, кроме точек, лежащих на оси (рис. 3.5). Фактически произвести достаточно точный расчет магнитных полей и параметров разомкнутых электромагнитов возможно только методами моделирования с обработкой на ЭВМ. Распределение магнитной индукции по сечению сердечника нерав- номерно (рис. 3.6, б,в). Максимум индукции Во достигается в среднем сечении. Распределение индукции Вх по оси соответствует выражению [1, 145]: Bx = BoG-k^r|. (311) < с > где /с — длина сердечника, к — коэффи- циент, зависящий от конструкции сердеч- ника: к = 0,9 — для сердечника круглого сечения; к = 0,75 — для сердечника пря- моугольного сечения. Моделирование на ЭВМ и многочис- ленные эксперименты, проведенные авто- Рис. 3.5. Распределение маг- нитной индукции В и напря- женности Н магнитного поля в разомкнутом образце ферро- магнитного материала
78 Глава 3 Рис. 3.6. Индуктор-электромагнит: а) геометрия; б) распределение индукции Ву по сечению х = 0; в) распределение индукции Вх по оси сердечника рами, показали, что по сечению магнитная индукция Ву распределена как это показано на рис. 3.6,6. Максимум достигается на поверхности сердечника в сечении х = 0. Индукция убывает пропорционально квад- рату расстояния. В практике магнитотерапии используются индукторы-электромагни- ты самых разнообразных форм и конструкций. В первую очередь — это электромагниты с осесимметричными полями (рис. 3.7), у которых по- Рис. 3.7. Индукторы-электромагниты с осесимметричными полями: а) сердеч- ник круглого сечения; б) сердечник прямоугольного сечения л юса располагаются на противоположных торцах прямых сердечников. Такие индукторы различаются формой сечения сердечника (как правило, круглая или прямоугольная), а также отношением длины к диаметру (площади поперечного сечения). Имеют применение электромагниты с расположением полюсов в одной плоскости (П-образный сердечник, рис. 3.8), магнитное поле которых неравномерно и неоднородно, лока- лизовано, в основном, в пространстве между полюсами и в сторону от полюсов. Ферромагнитные сердечники позволяют создавать направленные магнитные поля требуемой конфигурации. Например, цилиндрический сердечник с центральным вырезом обеспечивает формирование узкона- правленного магнитного поля, силовые линии которого показаны на
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 79 Рис. 3.8. Электромагнит с П- Рис. 3.9. Электромагнит на основе цилиндричес- образным сердечником кого сердечника с центральным вырезом рис. 3.9. Если у осесимметричного электромагнита с плоским сердечни- ком (рис. 3.7, б) ввести полюсные наконечники (рис. 3.10), то симметрия поля в какой-то мере нарушается. При этом с одной стороны несколько увеличивается глубина действия силовых линий магнитного поля. Рис. 3.10. Электромагнит на основе плоского сердечника с полюсными наконеч- никами В магнитотерапевтических аппаратах индукторы-электромагниты имеют весьма широкое применение. Так, например, в составе аппарата «Полюс-1» (СССР) [121, 146] имеется набор сменных электромагнитов ци- линдрической и прямоугольной форм (размеры 0110x60 мм; 025x65 мм; 160x47x50 мм). Индукторы запитываются синусоидальным или пульсиру- ющим током в непрерывном, прерывистом или ритмичном режимах. Ана- логичные электромагниты входят в состав аппарата «Полюс-2» (СССР) [123], имеющего также режим питания импульсным током. Электромагнит портативного устройства «Маг-30» (СССР) [1] состоит из двух катушек, размещенных на П-образном сердечнике, и опрессован пластмассой (раз- меры одной из модификаций 120x85x50 мм). Устройство включается не- посредственно в сеть переменного тока 50 Гц, 220 В. Аппарат для магни- тотерапии «Градиент-1» (СССР) [124] снабжен сменными цилиндрически- ми индукторами (размеры 0131x60 мм; 085x60 мм; 032x82 мм) и питается синусоидальным или пульсирующим током. В магнитотерапевтическом комплексе «Аврора МК-01» (СССР) [5, 7] используются 400 плоских ин- дукторов с сердечником прямоугольного сечения (размеры 70x17x14 мм), пространственно организованных особым образом и питаемых импульсным током, регулируемым по частоте и амплитуде.
80 Глава 3 В числе зарубежных можно выделить магнитотерапевтический ап- парат «Магнетайзер» (Япония) [1], укомплектованный прямоугольными и цилиндрическими электромагнитами (размеры рабочих поверхностей излучателей составляют 85x195 мм и 075 мм соответственно), которые питаются непрерывным синусоидальным током, а также «Магнетодиаф- люкс» (Румыния) [138-140], снабженный прямоугольными электромаг- нитами (размеры 200x100x60 мм). Режимы питания индукторов описаны выше. Следует отметить, что в ряде рассмотренных магнитотерапевтичес- ких аппаратов («Полюс-2», «Магнетодиафлюкс») применяются наборы индукторов, в которые входят как соленоиды, так и электромагниты различных типов и размеров. 3.2. Виды систем индукторов общего воздействия Рассмотренные в 3.1 элементарные индукторы магнитных полей в подавляющем большинстве аппаратов применяются для организации ло- кальных (местных) воздействий на ограниченных участках тела человека (при лечении переломов, ушибов, оклюзий, суставов, гинекологических заболеваний и т.п.) [127]. При этом могут использоваться как один, так и несколько индукторов одновременно (в зависимости от возможностей конкретного аппарата). Такой подход характеризует первый этап разви- тия техники и клиники магнитотерапии. Накопленный многолетний клинический опыт лечения магнитными полями позволил подняться до нового уровня понимания механизмов воздействия биологических систем с полями, физико-химических и электрических процессов, происходящих в организме под воздействием магнитного поля. Это обусловило второй этап в развитии техники маг- нитотерапии и методики ее клинического использования. Речь идет об организации магнитных полей заданной конфигурации и протяженности в пространстве с заданным законом изменения характеристик во вре- мени и пространстве. В этом случае появляется возможность воздейст- вовать магнитным полем на целую конечность (две, три, или все четыре конечности), на значительную область туловища (например, на весь позвоночник) и т.п. Подобный подход позволил существенно увеличить область применения методов магнитотерапии и расширить класс изле- чиваемых заболеваний. Известны промышленные образцы устройств, в которых реализуется принцип пространственной организации магнитного поля. В стационар- ном аппарате «Магнетайзер» (Япония) типа M-CHR [1] используются пять индукторов-электромагнитов, расположенных на кресле (схематич- но показано на рис. 3.11). Индукторы расположены вдоль продольной оси пациента в области затылка, лопаток, поясницы, ягодиц и ступней. Питаются электромаг- ниты синусоидальным током в непрерывном режиме. Одновременно
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 81 могут включаться от одного до пяти индукторов. Имеется возможность регулирования интенсивности магнитного поля (6 уровней). Магнитотерапевтический аппарат «Алимп-1» (СССР) [118,137] со- держит два соленоидных устройства и набор отдельных соленоидов. Одно из устройств состоит из пяти соленоидов, собранных в единый блок (рис. 3.12,а), а другое собра- но из трех соленоидов, как пока- зано на рис. 3.12,6. Внутренний диаметр соленоидов в устройст- вах — 185 мм. При лечении ко- нечность или ее сегменты поме- щают в соответствующее устрой- ство. Набор из восьми индукторов-соленоидов диамет- ром 105 мм используется для ор- ганизации перемещающегося магнитного поля вдоль значи- тельного участка тела человека (рис. 3.13). Аппарат вырабатыва- ет прямоугольные импульсы типа меандр с частотой 10 или 100 Гц, Рис. 3.11. Расположение индукторов- электромагнитов в аппарате «Магнетай- зер» M-CHR которые через распределитель поочередно поступают на индукторы. В индукторах магнитное поле переключается с частотой 1,25 или 12,5 Гц. В результате магнитное поле перемещается в пространстве (эффект бегущего поля). В аппарате пред- усмотрено 2 ступени регулирования интенсивности поля. Рис. 3.12. Соленоидные устройства аппарата «Алимп-1» (изображено схематич- но): а) при лечении конечностей; б) при лечении сегментов конечностей Третий этап развития техники магнитотерапии характеризуется осо- знанием необходимости воздействия магнитным полем на весь организм человека (принцип: лечение не болезни, а больного). При этом осущест- вляется упорядоченное влияние на центральную и периферийную нерв- ные системы в целом, на систему кровообращения в целом и т.д. Речь идет уже не об отдельных индукторах и их наборах, а о системах ин- дукторов, организованных и функционирующих по определенным пра- вилам.
82 Глава 3 Одним из представителей аппаратов общего воздействия является магнитотерапевтическая установка типа «Магнитотурботрон» [126], из- лучающее устройство которой первоначально представляло собой статор 3-фазной 2-полюсной машины переменного тока, используемой в электротурбоагрегатах. В установке создается однородное вращающееся магнитное поле с максимальной индукцией 6 мТл, воздействующее на весь организм пациента. Конструкция отличается большой массой (4 т) и значительным энергопотреблением (10 кВт). Рис. 3.13. Набор соленоидов аппарата «Алимп-1» для лечения импульсным бегу- щим магнитным полем В более поздней модификации установки («Магнитор-АМП» [32]) значительно расширены функциональные возможности в плане управ- ления параметрами МП (изменение частоты, модуляция и др.), увели- чено значение максимальной индукции до 7,4 мТл, снижены масса (500 кг) и энергопотребление (2,5 кВт). Внешний вид установки «Магнито- турботрон 2М» [147] показан на рис. 3.14. Обратимся к вопросу формирования конфигурации объема магнит- ного поля вокруг человека с помощью систем индукторов. Очевидно, что пространственная структура макрополя, окружающая все тело па- циента в целом, имеет немаловажное значение для достижения высоко- эффективного лечения. Можно предложить следующие модели конфи- гурации: — в форме плоскости, на которой располагается человек; — в форме двух плоскостей, между которыми располагается человек; — в форме цилиндра, внутри которого располагается человек; — по форме тела человека. Здравый смысл подсказывает, что, по-видимому, наиболее эффек- тивной будет конструкция, учитывающая форму тела человека. Рассмот-
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 83 Рис. 3.14. Внешний вид магнитотерапевтической установки «Магнитотурботрон 2М» рим данный вопрос в эволюции и проанализируем возможные варианты технических решений. Во-первых, исходя из естественных пространственных положений человека, устройства магнитного воздействия могут быть реализованы на основе кушетки, кресла, лифта, в которых, соответственно, обеспе- чиваются: горизонтальное положение пациента (лежа), положение сидя (полулежа) и вертикальное положение (стоя), как это показано на рис. 3.15, а,б,в. Последнее положение, по всей вероятности, не найдет практического применения в медицине ввиду существенных изменений кровотока под воздействием гравитационного поля Земли, а также в силу очевидных неудобств длительного нахождения больного человека на ногах. Кроме того, устройства магнит- ного воздействия могут быть реали- зованы различными конструктив- ными способами: — в виде жесткого и полужест- кого костюмов (рис. 3.16, а,б), которые монтируются на кушетке; — в виде гибкого костюма (рис. 3.16, в), который может использоваться автономно; — по принципу «чемодана», «пенала» (рис. 3.16, г,д) и другими способами. Рис. 3.15. Основа для размещения системы индукторов магнитотерапев- тического аппарата: а) кушетка; б) кресло; в) лифт
84 Глава 3 В основу разработки и проектирования устройств магнитного воз- действия могут быть положены различные критерии: эффективность ле- чения; комфортность для пациента; удобство и простота обслуживания для медицинского персонала; технологичность в производстве; себесто- имость; эстетичность и пр. Очевидно, что главным критерием является, безусловно, критерий эффективности лечения. Однако, к сожалению, до сих пор этот критерий не может быть практически использован ввиду недостаточного на се- годняшний день уровня математического и физического описания ме- ханизма воздействия магнитного поля на живые организмы, недостаточ- ности статистического материала по результатам лечения конкретных групп больных и видов заболеваний. Поэтому при разработке и проек- тировании устройств магнитного воздействия необходимо принимать во внимание и другие, перечисленные выше критерии. Таким образом, до- статочно большое множе- ство принципиально воз- можных технических ре- шений и конструктивных вариантов сужается до не- которого класса практи- чески реализуемых уст- ройств магнитного воз- действия, а именно: на основе кушетки или крес- ла, в виде жесткого или полужесткого костюма, «чемодана» и их разно- видностей. Заманчивая на первый взгляд конструк- ция в виде гибкого элас- тичного магнитного кос- тюма (напоминающего гидрокостюм, как показа- но на рис. 3.16, в) неце- лесообразна, прежде всего из-за своей большой массы при реально дейст- вующих магнитных полях, Рис. 3.16. Конструктивные варианты устройств магнитного воздействия: а) жесткий костюм; б) полужесткий костюм; в) эластичный костюм; г) «чемодан»; д) «пенал» которая по расчетам со- ставляет более 100 кг. Поэтому, безусловно, требуется некоторый жест- кий каркас (или основание), воспринимающий всю нагрузку. В этом плане сформировались два направления. В одном из них, исторически складывавшемся первым, основой магнитотерапевтического аппарата является горизонтально расположен- ное основание, на котором смонтирована система индукторов, состоя-
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 85 Рис. 3.17. Схематичное изображение конструкции магнитного скафандра, собранного из коротких соленоидов щая из 48 цилиндрических катушек (коротких соленоидов) с соотноше- нием D// » 1 (D и / — соответственно диаметр и длина катушки). Вся система разделена на 6 сегментов: один — для головы, один — для туловища и по два — для ног и рук (рис. 3.17). Каждый сегмент состоит из восьми индукторов. Размеры индукторов (диаметр внутренний): 0295x35 мм (для головы); 0500x50 мм (для туловища); 0250x100 мм (для ног); 0200x40 мм и 0170x80 мм (для рук). Ввиду некоторого внеш- него сходства эта конструкция получила название магнитного «скафанд- ра». Таким образом, магнитный ска- фандр представляет собой конструк- цию из жестких цилиндров, в кото- рые пациент помещается на время сеанса, т.е. положение человека при лечении — горизонтальное (лежа). Индукторы в сегментах пронумеро- ваны с №1 по №8. Один из вари- антов запитки индукторов состоит в следующем. Все индукторы с одина- ковым номером включаются парал- лельно и образуют один канал (всего их восемь). Запитываются каналы скафандра импульсным током от блока управления, имеющего восемь выходов, по каждому из которых возможно независимое плавное ре- гулирование амплитуды тока (при этом индукция МП на внутренней поверхности соленоидов может быть установлена в пределах 0...5 мТл) и изменение его направления (изме- нение вектора магнитной индук- ции). Каналы переключаются поочередно с заданной частотой. В ре- зультате система индукторов скафандра формирует импульсное бегущее магнитное поле, пронизывающее волной весь организм человека. Струк- тура силовых линий магнитного поля отдельных соленоидов такая же, как показано на рис. 3.2, г. При поочередном переключении каналов поле индукторов будет перемещаться вдоль тела и конечностей пациента с сохранением неизменной структуры силовых линий. Возможны другие схемы соединения и, соответственно, другие способы перемещения маг- нитного поля в пространстве. На основе рассматриваемой системы индукторов из коротких ци- линдрических катушек было выпущено несколько макетных образцов магнитотерапевтических аппаратов «Звезда» (СССР) [4], на которых про- водилась отработка первых медицинских методик лечения сердечно-со- судистых заболеваний. Внешний вид магнитного скафандра аппарата
86 Глава 3 «Звезда» показан на рис. 3.18. Наряду с неоспоримыми преимуществами по сравнению со всеми рассмотренными выше устройствами магнито- терапии аппарату «Звезда» присущи и существенные недостатки: слож- ность пространственного перемещения частей аппарата и возникающие из-за этого трудности помещения пациента в устройство и выхода из него; наличие массивных направляющих, затрудняющих работу меди- цинского персонала; значительная масса устройства (порядка 400 кг); конструктивно технологические сложности при изготовлении, значи- тельное излучение в окружающее пространство. Рис. 3.18. Внешний вид скафандра магнитотерапевтического аппарата «Звезда» □□□□□□00 00000D00 OODDOCOO OODCOODO Отмеченные недостатки аппарата «Звезда» привели к появлению другой, принципиально новой конструкции, в которой для головы, ту- ловища и каждол конечности человека формируется некая упруго сги- бающаяся в цилиндр плоскость, которая держит свою форму за счет упругих сил. Исходно на эти плоскости ложится пациент, а затем на частях его тела формируются цилиндры. Основу устройства составляет ячеистая плоскость матричного типа (рис. 3.19), в ячейки которой вставляются малогабаритные плоские ин- дукторы-электромагниты (на- пример, по рис. 3.10). Всего ис- пользуется 400 индукторов, ко- торые распределяются по 6 сегментам (для головы, тулови- Рис. 3.19. Ячеистая плоскость матричного Ша и всех конечностей). Гибкие типа с индукторами-электромагнитами ячеистые плоскости примене-
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 87 ны в аппаратно-программном магнитотерапевтическом комплексе «Ав- рора МК-01» (СССР) [5, 7]. Существует несколько модификаций маг- нитных скафандров комплекса. В одном из первых вариантов (так называемый «мягкий» скафандр) индукторы уложены по матричной структуре в матерчатые ячейки и прошиты между двумя слоями ткани (рис. 3.20). Рис. 3.20. «Мягкие» скафандры аппарата «Аврора МК-01» Такая конструкция имеет бесспорные преимущества: удобство по- мещения пациента в установку (плоскость предварительно разворачива- ется, больной ложится и его, как одеялами, накрывают излучающими плоскостями), форма излучающей поверхности за счет своей гибкости и мягкости повторяет форму тела человека. Однако есть и существенный недостаток: значительная масса излучающих плоскостей (около 100 кг), а распределенная масса, приходящаяся на тело пациента, составляет около 30 кг, что, безусловно, вызывает дискомфорт для пациента й ограничивает время проведения сеанса лечения. Дальнейшим развитием комплекса «Аврора МК-01» является созда- ние гибкой конструкции, основанной на применении жестких пласт- массовых корпусов в форме прямоугольного параллелепипеда, в каждый из которых помещен индуктор-электромагнит [148] (рис. 3.21). Из от- дельных корпусов собираются ремри (рис. 3.22) по подобию траков гусеничных движителей, а ремни объединяются в плоскости (сегменты) для головы, туловища и всех конечностей соответственно. В данной модификации сохраняется матричный принцип пространственного рас- положения индукторов. Процесс помещения пациента в аппарат несложен, т.к. излучающие плоскости предварительно раскладываются (рис. 3.23) и
88 Глава 3 Рис. 3.21. Плоский электромагнит в футля- ре: а) основание с укрепленным электромаг- нитом; б) крышка человек просто ложится как на обычную кушетку. Затем плос- кости формируются в цилинд- ры вокруг частей тела, но, в отличие от «мягкого» скафанд- ра, излучающие плоскости не давят на больного, поскольку приобретают форму цилиндров (за счет технологических отли- вок в форме параллелепипедов, ограничивающих угол склады- вания) как это показано на рис. 3.24. Картина силового поля единичного индуктора приве- дена на рис. 3.10. В индукторах-электромагнитах используются полюс- ные наконечники, обращенные к телу пациента, что деформирует поле и увеличивает глубину его действия. Многочисленные эксперименталь- Рис. 3.22. Ремень, собранный из корпусов с индукторами ные исследования, а также моделирование на ЭВМ, проведенные авто- рами, позволили установить характер магнитного поля в ремне, состо- ящем из индукторов и свернутом в кольцо, а также в излучающей плос- кости из ремней, свернутой в цилиндр (рис. 3.25). Характер изменения индукции ремня относительно линии г = const показан на рис. 3.25, а, а на рис. 3.25, б показано изменение индукции вдоль любой оси (в данном случае оси X и Y), проходящей через центры противоположных индукторов (подробнее о расчетах и моделировании полей в ячеистых плоскостях см. в §3.3). На рис. 3.26 в осевом сечении представлена картина силовых линий фонового (постоянного) магнитного поля яче- истой плоскости, составленной из ремней и свернутой в цилиндр, а на рис. 3.27 изображены суммарные композиции при одновременном воз- действии фонового и импульсных магнитных полей. Рис. 3.27, а иллю- стрирует случай согласного включения источников фонового и импульс- ного полей, причем на участке 1 показано суммарное воздействие фо- нового поля и импульсного поля, образованного в одном ремне, а на участке 2 показано одновременное включение импульсного поля в двух
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 89 Рис. 3.23. Магнитный скафандр комплекса «Аврора МК-01» в развернутом состоянии соседних ремнях. Рис. 3.27, б иллюстрирует случай одновременного включения импульсного поля в трех ремнях, причем в одном из них согласно с фоновым полем, а в двух соседних — встречно с фоновым полем. При этом в ремнях, обращенных друг к другу одноименными по- люсами, возникает некоторое выпучивание поля (усиливается состав- ляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная оси цилиндра). Рис. 3.24. Магнитный скафандр комплекса «Аврора МК-01» в рабочем состоянии
90 Глава 3 Рис. 3.25. Изменение магнитной индукции внутри ремня, собранного из индук- торов-электромагнитов и свернутого в кольцо: а) относительно линии г = const; б) вдоль осей X и Y У следующей модификации комплекса «Аврора МК-01» устройство магнитного воздействия выполнено в виде магнитного кресла (рис. 3.28). В основу этой разработки были положены следующие со- ображения. Во-первых, у ряда пациентов наблюдается боязнь замкну- того пространства. В аппаратах «Звезда» и «Аврора» эффект замкнутого пространства у больных этой группы имеет место. Во-вторых, у людей с сильно пораженными нижними конечностями возникают трудности, связанные с помещением их в аппарат на основе кушетки, и, в осо- бенности, выхода из него. Конструкция устройства воздействия в виде кресла снимает эти вопросы. На кресле размещены две грудные секции, две секции для рук, две секции для ног и полусекция для головы. Все секции выполнены в виде гиб- ких листов из пенополиуретана, на которых размещены 400 ин- дукторов (плоских электромаг- нитов). Секции обшиты кожза- менителем. По существу это другое конструктивное испол- нение «мягкого» скафандра с уменьшенными массогабарит- ными характеристиками систе- мы индукторов. Последнее об- стоятельство, а также верти- Рис. 3.26. Картина силовых линий фонового (постоянного) магнитного поля в цилиндре, образованном из ремней индукторов кальное положение туловища пациента (или положение полулежа) обеспечивают достаточно комфорт- ные условия для человека во время проведения сеанса лечения.
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 91 Рис. 3.27. Композиция фонового и импульсного магнитных полей в цилиндре, собранном из ремней индукторов: при согласном включении ремней в случае пи- тания импульсным током одного ремня (участок 1) и при встречном включении • одного ремня (участок 2) Примечание. В разрывах указаны значения магнитной индукции в мТл. Рис. 3.28. Комплекс «Аврора МК-01», укомплектованный магнитотерапевтичес- ким креслом
92 Глава 3 Рис. 3.29. Схематичное изображение кон- струкции плоскостного магнитоскана Направлением дальнейшего совершенствования оконечных уст- ройств магнитотерапевтических комплексов семейства «Аврора МК» яв- ляется разработка плоскостных магнитосканов (рис. 3.29). Данная мо- дель в значительной степени учитывает недостатки предыдущих разра- боток и отвечает ранее сформулированным критериям качества. Отличительной особеннос- тью конструкции является размещение системы индук- торов в двух плоскостях: нижней — прямолинейной и верхней — криволинейной. Нижняя плоскость — это по- верхность кушетки, а верх- няя — подъемный навес. Для удобства пользования верх- няя плоскость может быть разделена на две части. Раз- мещение индукторов и электромонтажа в жестких плоскостях придает конструкции новые по- ложительные свойства. Внешний вид приобретает привычные формы бытовой мебели и известных физиотерапевтических устройств (напри- мер, типа солярия), чем исключается психологический фактор у паци- ентов (настороженность, беспокойство). Существенно повышается на- дежность и электробезопасность конструкции. Значительно упрощается работа медперсонала по укладке пациента, которая сводится к поднятию и опусканию навеса. Причем вес верхних плоскостей сбалансирован силой трения в осевых опорах, силой растяжения или сжатия пружин и (или) газовых амортизаторов. Если для конструкций магнитосканов определены технические и эксплуатационные требования и критерии качества, то в отношении индукторов — электромагнитных излучателей (ЭМИ) такой четкости нет, что вызвано, прежде всего, недостатком клинических испытаний для получения сравнительных данных при использовании магнитосканов с различными индукторами, в особенности, последних разработок. Поэ- тому усовершенствования индукторов возможны в направлении сниже- ния массо-габаритных показателей, упрощения и удешевления техноло- гии изготовления ЭМИ при условии сохранения или улучшения достиг- нутых ранее энергетических и пространственных показателей. Во всех рассмотренных модификациях магнитосканов комплексов «Аврора МК» использованы индукторы-электромагниты, показанные на рис. 3.10. Од- нако одним из перспективных направлений является использование плоских бескаркасных катушек (ПБК) индуктивности (рис. 3.30), ори- ентированных своей осью перпендикулярно объекту излучения и легко размещаемых в конструкции плоскостного магнитоскана. Это расширяет возможности аппаратуры в поиске и создании других конфигураций полей, эффективных для магнитотерапии. Применение таких катушек
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 93 позволяет получить в том же самом рабочем объеме магнитное поле с большей степенью не- однородности, поскольку скорость изменения величины и направления вектора магнитной индукции резко возрастает за счет действия в плоскости пары параллельных, зеркально-отра- женных источников излучения. Технология из- готовления ПБК проста и сводится к намотке на диске кругового контура с заданным числом витков. В результате получается гибкая катуш- ка, форму и соотношения геометрических раз- меров которой можно изменять как это пока- зано на рис. 3.30 в соответствии с требованиями конструкции магнитоскана. Это позволяет со- здавать при тех же параметрах протекающего тока I сложную неодно- родную конфигурацию поля в ограниченном индуктором объеме. Со- гласно закону Био-Савара-Лапласа полная величина магнитной индук- ции В в произвольной точке пространства, обусловленная током I в замкнутом контуре /, может быть найдена из уравнения: д_Н. Jl «1/ 1 [[<»•»,] 4л * г2 4л | г2 Рис. 3.30. Фрагмент сек- ции, собранной из плос- ких катушек индук гив- ности (3.12) где ца — абсолютная магнитная проницаемость среды; I d/ — ли- нейный элемент тока; г — расстояние от элемента тока до точки, где определяется магнитная индукция; 1г — единичный вектор, направ- ленный вдоль этого расстояния. Интегрирование производится по всему замкнутому контуру тока, состоящему из элементов I • dZ. Используя общее выражение для В, в принципе можно рассчитать распределение величины магнитной индук- ции в рабочем пространстве по трем координатам. Однако эта задача очень трудоемкая, а иногда невыполнимая даже для простых форм кон- туров. Для примера представим прямоугольный токовый виток на рис. 3.31 в декартовой системе координат. Компоненты магнитного поля токового витка рассчитываются по соотношениям следующего вида [130]: __________ У+1 [(х - s)2 + h2 )У(х -s)2 + (у + // + h2 ___________ У-1 [(x + s)2 + h2]7(x + s)2 + + h2
94 Глава 3 ____________ У + l [(х + s)2 + h2 ]/(x + s)2 + (у + /)2 + h2 (3.13) Рис. 3.31. Прямоугольный виток с током Если контур тока состоит из N плотно намотанных витков, его можно рассматривать как одновит- ковый контур с током 1£ = N • I. Расчеты компонентов поля, выполненные по методике, приве- денной в [130], позволяют визуали- зировать распределение составляю- щих поля, создаваемого системами плоских бескаркасных катушек. Сравнительный анализ распределе- ний индукции МП, создаваемых различными излучателями, показывает, что для формирования полей с высокой неоднородностью и изменяемой конфигурацией плоские бес- Рис. 3.32. Комбинированный электро- магнитный излучатель каркасные катушки являются перспективными. Имеется возможность совмес- тить в одном магнитоскане два типа индукторов: плоскую катушку и электромагнит (рис. 3.32). Кон- структивно выполнить комбини- рованный индуктор можно, вло- жив плоскую катушку в прорезь полюсных наконечников сердеч- ника электромагнита. При под- ключении плоской катушки к ис- точнику тока сердечник будет ис- пользован как магнитный экран, уменьшая тем самым излучение во внешнюю среду. В режиме включения электромагнита сердечник выполняет роль концентратора магнитного поля по направлению к объекту. Возможно и одновременное включение индукторов как к одному источнику тока, так и к различным. В этом случае создаваемые поля будут сильно неоднородны, со сложной кон- фигурацией и характером изменения временных и пространственных параметров. Рассмотренные излучатели МП и системы на их основе, позволяю- щие существенно расширить функциональные возможности магнитоте- рапевтической аппаратуры в плане формирования различных конфигу- раций магнитных полей, являются основой нового семейства комплексов магнитотерапии типа «Мультимаг». К настоящему времени разработаны два внешне похожих экспериментальных образца плоскостных магни- тосканов с индукторами-электромагнитами (по рис. 3.10) и с плоскими бескаркасными катушками (по рис. 3.30). Их внешний вид показан на
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 95 Рис. 3.33. Внешний вид конструкции плоскостного магнитоскана рис. 3.33. Эти магнитосканы могут использоваться как в комплексах «Ав- рора», так и в комплексах «Мультимаг». В целях расширения функциональных возможностей, улучшения технических характеристик и эксплуатационных качеств (удобство для пациента и для работы медицинского персонала), достижения современ- ного дизайна и прогрессивных конструкторско-технологических реше- ний разработана конструкция магнитоскана для магнитотерапевтических комплексов семейства «Мультимаг» (рис. 3.34). В этой модели макси- Рис. 3.34. Конструкция магнитоскана магнитотерапевтических комплексов семейства «Мультимаг»
96 Глава 3 мально упрощена операция укладывания пациента и обеспечено его комфортное расположение, при котором весь вес конструкции с индук- торами переносится на общее основание. Верхняя плоскость магнитос- кана закреплена шарнирно и поворачивается относительно нижней на заданный угол подъемным устройством с помощью штока, приводимого в движение электродвигателем. Все модификации устройств магнитного воздействия комплекса «Ав- рора МК-01» запитываются от единого унифицированного электронного блока, имеющего 8 выходов. Блок обеспечивает формирование фонового постоянного магнитно- го поля с индукцией 0...1 мТл, а также импульсного бегущего магнитного поля или другого динамического, изменяющегося во времени и про- странстве с частотой 0...100 Гц и индукцией на внутренних поверхностях излучающих плоскостей 0...5 мТл. Подробно принципы построения и структурные решения электронного блока описаны в главе 4. 3.3. Моделирование магнитных полей магнитоскана Расчетам магнитных полей (МП), создаваемых элементарными из- лучателями (соленоид, плоская катушка и др.) уделено в литературе достаточно много внимания. Инженерный расчет магнитного поля ин- дуктора-электромагнита можно произвести по методике, приведенной в [1]. Однако она дает приемлемые результаты лишь в области его торце- вой части. Сложность расчета заключается в том, что магнитное поле создается системой токопроводов и вторичными источниками МП — ферромагнитными сердечниками и распространяется в трех средах (воз- дух, тело человека, сердечник). Кроме того, геометрические характерис- тики исследуемой системы могут быть таковы, что результирующее МП не будет обладать какими-либо степенями симметрии. В этом случае количественные результаты можно получить только с помощью числен- ного моделирования. Основное преимущество моделирования магнитных полей в слож- ных системах воздействия на биологические объекты заключается в зна- чительном сокращении временных, материальных и энергетических за- трат. Применение компьютерного моделирования целесообразно также в тех случаях, когда традиционные методы измерения характеристик магнитных полей или неприменимы, или дают значительную погреш- ность. Основные методы, описывающие поведение магнитного поля в раз- личных системах, базируются на уравнениях в частных производных, поэтому применение аналитических методов решения (метод конформ- ных преобразований, метод изображений, метод разделения переменных) сопряжено с определенными трудностями или вообще невозможно в силу сложной геометрической конструкции объектов, нелинейности ха- рактеристик материалов и других факторов. В этом случае единствен-
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 97 ними методами решения являются численные методы, в основе которых лежит дискретизация. Уравнение поля в частных производных, в данном случае уравнение Лапласа для скалярного магнитного потенциала, пре- образуется в систему алгебраических уравнений, решение которой дает аппроксимацию поля в дискретных точках пространства [149]. Метод конечных разностей позволяет получать решения с удовле- творительной точностью для многочисленных задач, но при этом важное место отводится составлению алгоритма и проведению проверочного эксперимента. Сложный характер математической модели заставляет вносить упрощения в математическую модель и делать физические до- пущения. Таким образом, любая программа, предназначенная для мо- делирования работы магнитного устройства, должна проходить три ос- новных этапа: 1) создание физической модели; 2) создание математической модели; 3) согласование результатов моделирования с экспериментальными данными. Такой подход к проблеме моделирования позволяет выделить гра- ницы, в рамках которых возможно получение корректных результатов. Один из вариантов, который позволяет найти распределение маг- нитного поля магнитоскана, состоит в определении скалярного магнит- ного потенциала <рм с использованием соотношения: В = р.а grad <рм . (3.14) Для численного нахождения распределения скалярного магнитного потенциала, как функции точек на плоскости (х, у), необходимо решить уравнение Лапласа, которое в прямоугольной системе координат имеет следующий вид: ЭЧ(*,У) п (3.15) Эх2 + Эу2 “ В основе решения уравнений в частных производных методом ко- нечных разностей лежит конечно-разностная аппроксимация производ- ных. Аппроксимация осуществляется в три этапа (рис. 3.35). Сначала в области решения вводится равномерная сетка «узловых точек», соответ- ствующая характеру задачи и граничным условиям. Затем решаемое урав- нение в частных производных записывается в наиболее удобной системе координат и, при представлении производных в конечно-разностной форме, оно приводится к виду разностного уравнения. Полученное раз- ностное уравнение используется в дальнейшем для описания функцио- нальной связи между соседними узлами сетки. Разностное уравнение записывается для всех узлов сетки и в результате получается система из п уравнений с п неизвестными. На последнем этапе полученная система решается одним из численных методов [150, 151].
98 Глава 3 Рис. 3.35. Основные этапы численного решения дифференциальных уравнений для моделирования магнитных полей в устройствах магнитотерапии (3.16) Основную трудность при моделировании магнитных полей представ- ляет задание граничных условий. Характеристики подобной системы связаны соотношением: + = i. w НоНс Но где Вс — индукция в ферромагнитном сердечнике; Вв — индукция в воздухе, /с — длина магнитной линии в сердечнике, /в — длина магнитной линии в воздухе, — магнитная постоянная, цс — магнитная про- ницаемость материала сердечника, i — ток в обмотке, W — число витков. В данной формуле, выражающей закон полного тока, присутствуют две неизвестные величины: Вв и 7В. Чем меньше величина воздушного зазора, тем корректнее может быть полученный результат. Можно пред- положить, что в формулу (3.16) возможно введение эмпирического ко- эффициента к, учитывающего пространственную конфигурацию сердеч- ника. Тогда соотношение (3.16) преобразуется к виду: В = kp0|iciW. (3.17) В первом приближении коэффициент к оценивается по длине рас- пространения магнитного потока по сердечнику /с и по воздуху /в: 4/ (3.18) Переход к заданию граничных условий для магнитного потенциала срм осуществляется, исходя из зависимостей: b = = ву=мо^; <319> ч>мУ=/Вуау; 4>Mx = fBxdx-
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 99 Граничные условия могут быть получены из следующих соображе- ний. Соотношение скалярных значений магнитных потенциалов на гра- нице раздела можно найти на основе граничного условия нормальной составляющей вектора индукции: В1п=В2п> (3.20) где индексы 1 и 2 относятся к воздуху и материалу сердечника, со- ответственно. Отсюда, с учетом того, что В = ца grad(pM, находим: К, grad<P«, = Нй grad4>M2, <3-21) где ца1 = ца2 = Pq|1c — абсолютные магнитные проницаемости воз- духа и материала сердечника соответственно. На основе данных условий можно вычислить значения В(х,у), осуще- ствив переход от фм к В (рис. 3.36 и 3.37). При использовании рассматри- ваемого метода были получены результаты моделирования магнитных полей, создаваемых как отдельными индукторами-электромагнитами раз- личной конфигурации, так и их совокупностями, образующими реальные рабочие поверхности магнитоскана [151]. Рис. 3.37. Распределение силовых линий магнитного поля, создаваемого одиноч- ным индуктором-электромагнитом с по- люсными наконечниками: 1 — 5,4 мТл; 2 — 3,7 мТл; 3 — 2,5 мТл; 4—1,8 мТл; 5—1,2 мТл Рис. 3.36. Распределение силовых линий магнитного поля, создаваемо- го одиночным индуктором-электро- магнитом: 1 — 4 мТл; 2 — 2,8 мТл; 3 — 2,2 мТл; 4—1,6 мТл; 5 — 0,8 мТл; 6 — 0,5 мТл Примечание. На рисунках: по осям цена деления — 5 мм. Параметры индукто- ров: 1 = 0,4 A; W = 1200; L = 60 мм Результаты анализа распределения магнитного поля позволяют сде- лать обоснованный выбор элементарного излучателя магнитоскана. При этом установлено, что введение полюсных наконечников, выполняющих
100 Глава 3 роль концентраторов магнитного поля, в индуктор-электромагнит по- вышает интенсивность магнитного поля в рабочей зоне излучателя до 10%, как показано на рис. 3.36 и 3.37, что позволяет снизить энерго- потребление устройства в целом. Определенный интерес представляет картина распределения магнит- ного поля вдоль тела пациента (сектор магнитоскана), образованная набором индукторов, составляющих n-канальную структуру. На рис. 3.38 и 3.39 приведены картины распределения магнитного поля, полученные Рис. 3.38. Распределение эквипотенциалей индукции в сегменте магнитоскана: 1 — 4,8 мТл; 2 — 3,4 мТл; 3 — 2,5 мТл; 4—1,8 мТл; 5—1,2 мТл; I = 0,4 А; W= 1200; L = 60 мм в результате сечения этой структуры плоскостью, перпендикулярной оси сегмента, на который осуществляется воздействие, например, конечнос- ти и проходящей через ось симметрии сердечников секции магнитоска- на, и плоскостью, проходящей вдоль конечности также через ось сим- метрии индуктора. Применение методов моделирования позволяет разработать инфор- мационную базу распределений магнитного поля интересующих сово- купностей индукторов-электромагнитов, образующих композиционное магнитное поле различных конфигураций. С целью достижения универсальности представляемых результатов часть численных экспериментов проводилась в безразмерном виде. Электромагниты находились на окружности радиусом R и их количество при моделировании изменялось от 1 до 24. В качестве иллюстрации на
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 101 Рис. 3.39. Распределение эквипотенциален индукции в секторе магнитоскана при одновременном включении 3-х секций (значения индукции и параметры ин- дукторов те же, что и на рис. 3.38) Рис. 3.40. Качественная картина распределения интенсивностей магнитного поля 16 индуторов-электромагнитов сегмента магнитоскана
102 Глава 3 рис. 3.40 изображена картина распределения магнитного поля для 8-и индукторов-электромагнитов, формообразованных в кольцо. Полному заполнению окружности электромагнитами соответствовал идеальный случай распределения магнитного поля внутри индукторов, когда зна- чение поля во всех внутренних точках, ограниченных окружностью с радиусом R, постоянно и нормировано к единице. На рис. 3.41 приведены нормированные значения интенсивностей магнитных полей в сечениях по осям X и Y соответственно. Анализ этих зависимостей позволяет сделать вывод о степени неоднородности маг- нитного поля внутри каждого сегмента магнитоскана. Рис. 3.41. Пронормированная по осям X (а) и Y (б) интенсивность магнитного поля совокупностей индукторов-электромагнитов сегмента магнитоскана, фор- мообразованных в кольцо: I — 24 индуктора; 2—16 индукторов; 3 — 8 индукторов; 4 — 4 индуктора; 5 — 3 индуктора; 6 — 2 индуктора; 7 — 1 индуктор При проектировании устройств магнитотерапии для интерпретации тех или иных магнитобиологических эффектов большое значение имеет информация об отклонении создаваемого магнитного поля от идеаль- ного в рабочей зоне магнитоскана. На рис. 3.42 показаны пронормиро- ванные зависимости отклонения создаваемого магнитного поля в рабо- чей зоне сегмента магнитоскана по радиусу R от идеального магнитного поля при разном количестве индукторов (1 — в центре, 2 — 1/3 R, 3 — 2/3 R). На рис. 3.43 приведены пронормированные зависимости откло- нения создаваемого магнитного поля от идеального на внутренней по- верхности сегмента магнитоскана при различном количестве индукто- ров-электромагнитов. Достоверность полученных результатов моделирования подтвержда- ется тем, что распределения индукции магнитного поля, создаваемые
Физические принципы и системы формирования магнитного поля 103 индукторами различных конфигураций, полученные экспериментальным путем посредством измерений с помощью измерителя магнитной ин- дукции Ш1-8, отличаются не более, чем на 20% от полученных с по- мощью выбранного метода численного моделирования. Рис. 3.42. Пронормированные зависимости отклонения создаваемого магнитно- го поля в рабочей зоне сегмента магнитоскана по радиусу от идеального магнит- ного поля при разном количестве индукторов: 1 — в центре, 2 — 1/3 R, 3 — 2/3 R Рис. 3.43. Пронормированные зависимости отклонения создаваемого магнитно- го поля в рабочей зоне сегмента магнитоскана от идеального при различном ко- личестве индукторов-электромагнитов: 1 — 1 индуктор; 2 — два индуктора; 3 — 3 индуктора; 4 — 4 индуктора; 5 — 8 индукторов; 6—16 индукторов; 7 — 24 индуктора Данная погрешность вполне допустима для предварительной оценки картины распределения МП, создаваемого различными совокупностями излучающих элементов, образующих рабочие зоны магнитоскана.
Глава 4 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 4.1. Обобщенная структура блока управления систем комплексной магнитотерапии В качестве параметров динамического магнитного поля определены следующие: число независимых каналов управления, частотно-времен- ные параметры сигнала, уровни интенсивности поля, последовательнос- ти подключения каналов, направления векторов и параметры синхро- низации с биоритмами. Если число независимых каналов формируется на стадии проекти- рования аппарата, то все остальные параметры должны перестраиваться в процессе работы, т.е. выбираться в зависимости от вида заболевания, индивидуальных особенностей и методики лечения. Тогда исходная обобщенная структура блока управления системы может быть изобра- жена в виде, представленном на рис. 4.1. Рис. 4.1. Обобщенная структура блока управления Система функционирует следующим образом. Задатчик частотно- временных параметров (ЗЧВ) формирует длительность либо частоту так- тов, а также частоту модуляции в такте, если она присутствует. Задатчик последовательности (ЗП) определяет алгоритм включения и выключения силовых источников, а также задает число тактов, через которое цикл динамики магнитного поля повторяется. Задатчик интенсивности (ЗИ) формирует уровни тока в индукторах или напряжения на них. Форма
Методы и средства формирования сигналов 105 задания имеет, как правило, матричный вид, соответствующий заданной последовательности, ширина столбцов которого фиксирует временной такт, ширина строки — номер канала, а элемент матрицы — интенсив- ность тока, как это показано в табл. 4.1. Таблица 4.1 Форма задания матрицы интенсивности 1 канал 16 12 10 05 00 00 00 00 00 00 2 канал 00 05 10 12 16 12 10 05 00 00 i канал m канал 00 00 00 00 05 10 12 16 12 00 Такты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 п Задатчик направления вектора (ЗНВ) в общем случае определяет направление вектора магнитного поля в индукторах, что для блока уп- равления, по существу, определяет полярность выходного тока силовых источников (СИ). Матрица задания направления вектора, имея размер- ность, аналогичную табл. 4.1, в каждой своей ячейке формирует битовую размерность — (N, S), как это показано в табл. 4.2. Таблица 4.2 Матрица задания направления вектора 1 канал N N N N N S S S S S 2 канал S N N N N N S S S S i канал m канал S S S S S S S N N N Такты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 п Задатчик параметров синхронизации (ЗПС) во многом согласуется своими возможностями и алгоритмом с задатчиком частотно-временных параметров. Синхронизация может быть потактовой и поцикловой, с прореживанием или без оного. В качестве синхронизирующего сигнала может быть любой из биоритмов пациента (пульс, частота дыхания, скорость распространения нервных импульсов и т.д.), выбираемых де- кодером (ДК). Вопрос использования датчиков синхросигналов будет рассмотрен отдельно. Процессорный блок системы в соответствии с заданными парамет- рами и последовательностью формирует электрические сигналы и уп- равляет работой силовых источников СИ. Силовые источники СИ1, СИ2 и др., количество которых определяется числом независимых каналов управления, нагружены непосредственно на индукторы, формирующие конфигурацию магнитного поля. Даже для создания относительно не-
106 Глава 4 больших магнитных полей (порядка 5 мТл), требуются источники с силой тока в несколько ампер и мощностью около 100 Вт в каждом канале. Поэтому в СИ используются достаточно мощные транзисторные или тиристорные ключи. В структуре, представленной на рис. 4.1, для изменения параметров поля и его конфигурации, например, при смене пациента, требуется заново воспользоваться всеми задатчиками и перенастроить блок управ- ления. Причем определено, что для каждой патологии требуется своя конфигурация магнитного поля и можно сформировать определенный банк конфигураций, из которого выбирать требуемую в зависимости от состояния пациента и его заболевания. Тогда структура блока управления модифицируется к виду, пред- ставленному на рис. 4.2. Рис. 4.2. Аппаратно-программная структура блока управления Здесь структура снабжена тремя дополнительными блоками: блоком создания и модификации конфигурации магнитного поля (КМП), ин- формационным блоком КМП и блоком-декодером КМП. Блок создания и модификации КМП служит для получения новой или модифицированной конфигурации, учитывающей новые виды па- тологии, либо индивидуальные особенности пациента, причем конфи- гурации после создания заносятся в информационный блок КМП, от- куда в доли секунды может быть вызвана и запущена любая из них. Информационный блок хранит набор конфигураций для стандарт- ных патологий, по которым уже отработана методика и получены явно положительные результаты. Каждая методика для экономии памяти хра- нится в сжатом виде и может быть вызвана для эксплуатации. Доста- точно несложно создать информационный банк на несколько десятков конфигураций. Информационный блок может наполняться новыми КМП, либо менее эффективные КМП могут заменяться более эффек- тивными.
Методы и средства формирования сигналов 107 Так как конфигурация хранится в информационном банке в сжатом виде, то при выборе конкретной реализации КМП она должна быть декодирована и в виде параметров заложена в задатчики. Из структуры рис. 4.2 видно, что ее реализация может быть как аппаратной, так и, во многом, программной, в зависимости от наполнения процессорного блока. В структурах по рис. 4.1 и 4.2 реализована концепция детермини- рованного управления и выбора КМП в зависимости от желания и профессионального видения лечащего врача-оператора. Некоторая связь с пациентом через датчики синхронизации вряд ли может изменить эту концепцию априорной детерминированности. Поэтому в рассматривае- мой системе ключевой фигурой является врач, назначающий или фор- мирующий процедуру. Естественно, что врачу необходимо помочь при получении информации как о заболевании пациента, так и в процессе лечения о его текущем состоянии и направлениях изменений параметров воздействий. Для этого необходимо сформировать измерительно-диа- гностическую систему, отслеживающую изменения состояния пациента в процессе лечения и выдающую необходимую информацию для орга- низации коррекции в процедуре лечения. Завершающим этапом является организация обратной связи, когда данные с измерительно-диагности- ческой системы после соответствующей обработки используются для изменения конфигурации магнитного поля с целью получения более действенного лечебного эффекта. Подобная обобщенная структура по- казана на рис. 4.3. Рис. 4.3. Замкнутая структура блока управления
108 Глава 4 В этой структуре датчики измерительно-диагностической системы подключены к пациенту на время процедуры магнитотерапии. Данные с системы поступают в процессорный блок, где после соответствующей обработки целенаправленно изменяют параметры используемой КМП. Наиболее сложным здесь является алгоритм обработки и изменения КМП, который, безусловно, должен иметь заданные ограничения и по- стоянно контролироваться лечащим врачом. Для этого комплекс должен иметь развитое отображающее устройство, показывающее как состояние пациента, так и состояние всего аппаратно-программного комплекса. Структура, приведенная на рис. 4.3, должна обладать элементами искус- ственного интеллекта и непрерывно совершенствоваться в процессе ис- следования и эксплуатации. В следующих разделах будет прослежена цепь создания конкретных систем комплексной магнитотерапии, постепенно прогрессирующих от структуры рис. 4.1 к структуре рис. 4.3. 4.2. Полимагнитная система «Звезда» Одна из первых систем общего воздействия, созданная в 70-х годах нынешнего столетия, полимагнитная система «Звезда» [4] состояла из магнитного скафандра и электронного блока управления. Система, в основном, предназначалась для исследовательских целей. При ее разра- ботке ставилось несколько задач: — исследовать воздействие магнитного поля на весь организм па- циента; — исследовать влияние различных видов динамического поля (бе- гущего от центра к периферии, от периферии к центру, пульси- рующего в пространстве, реверсивно перемещающегося и др.); — исследовать влияние различных скоростей перемещения магнит- ного поля в пространстве; — исследовать влияние различных интенсивностей поля; — исследовать влияние различных частот изменения динамического магнитного поля; — исследовать эффекты, связанные с синхронизацией динамики поля и основных биоритмов человека; — оценить лечебный эффект и получить первые рекомендации по практическому клиническому применению. В соответствии с поставленными задачами, выполнено несколько макетных образцов, структуры которых основывались на базовой схеме (рис. 4.1). В конкретной реализации структурная схема полимагнитной системы «Звезда» была представлена в виде, показанном на рис. 4.4. Генератор импульсов (G) с перестраиваемой частотой тактирует ра- боту программного логического блока (ПЛБ), который по желанию опе- ратора формирует программу и последовательность включения и выклю- чения 8-и регулируемых источников тока (РИТ). Каждый РИТ нагружен
Методы и средства формирования сигналов 109 а б з Рис. 4.4. Структура полимагнитной систе- мы «Звезда» на соленоиды магнитного скафандра — оконечного устройства системы. Магнитный скафандр состоит из блоков многосекционных соленоидов, предназначенных для отдельного охвата всех макрочастей человека (го- ловы, рук, ног, туловища). Каждый блок многосекционных соленоидов включает 8 независи- мых соленоидов по 1000 витков в каждом, внутренний диаметр которых согласован с размерами соответствующей части тела человека. Подклю- чение соленоидов к РИТам показано на рис. 4.4, из которого видно, что РИТ1 с выходом «а» нагружен на соленоиды группы «а», РИТ2 с выходом «б» соответственно нагружен на соленоиды группы «б» и т.д. Ток каждого регулируемого источника тока контролируется устройством отображения, которое сформировалось в панорамное индикаторное уст- ройство. Рассмотрим подробнее устройство каждого из блоков структуры рис. 4.4. Схема генератора показана на рис. 4.5. Основу схемы составляет блокинг-генератор на тран- зисторе VT2 и трансформато- ре Тр1. Основная задача, ко- торая решалась в рамках этой схемы, — это обеспечение большого диапазона регули- рования частоты (0,01... 100) Гц и получение инфранизкой частоты следования импуль- сов (0,01 Гц). Для этой цели повышение чувствительности блокинг-генератора к сраба- тыванию при малых токах
110 Глава 4 разряда емкости С1 достигается дополнительным транзистором VT1, а обеспечению малого тока разряда емкости для инфранизкой частоты способствует включение диода VD1, устраняющего разряд через входную цепь транзистора блокинг-генератора. Ток разряда осуществляется через стабилизатор тока на транзисторе VT3. Значение тока разряда, а следо- вательно и период срабатывания блокинг-генератора, регулируется ре- зистором R1. Схема программного логического блока показана на рис. 4.6. Схема состоит из четырехразрядного двоичного счетчика СТ2, дешифратора DC, коммутатора из восьми блоков по 16 ключей в каждом и восьми логических сборок ЛС. С помощью ключей коммутатора на логические Рис. 4.6. Программатор полимагнитной системы «Звезда» сборки можно подать любую из комбинаций 16-и последовательностей импульсов. Коммутатор сформирован в виде программируемого поля, показанного на рис. 4.7. Одна строка поля соответствует одному блоку ключей, подключенных к логической сборке одного канала РИТ. Зам- к а н а л ы Рис. 4.7. Панель программатора
Методы и средства формирования сигналов 111 кнутое положение ключа соответствует подключенному такту, разомкну- тое — выключенному. На рис. 4.7 зачерненные элементы поля соответ- ствуют замкнутому положению ключа. Логические сборки обеспечивают функцию дизъюнкции шестнадцати входных сигналов. На выходе каж- дой сборки формируется последовательность импульсов во времени в зависимости от замкнутых ключей коммутатора одного из блоков. Сиг- нал с выхода каждой сборки поступает на регулируемый источник тока. Схема регулируемого источника тока вместе со схемой индикации в данном канале показана на рис. 4.8. На транзисторе VT1 собрана схема, стандартизирующая амплитуду импульсов, поступающих на вход со сборки. Транзисторы VT2 и VT3 усиливают сигнал по мощности и управляют выходным источником тока, собранным на мощном транзис- Рис. 4.8. Регулируемый источник тока торе VT4. Регулировка тока осуществляется резистором R5, установлен- ным в цепи эмиттера транзистора VT4. Ток регулируется в пределах от 0,1 до 1 А. Измерительное сопротивление R6 небольшой величины слу- жит для измерения тока в соленоидах. Индикация значения тока в соленоидах осуществляется с помощью линейного газоразрядного при- бора ЛИ1 со стандартной схемой включения. Восемь линейных газораз- рядных приборов объединены в панорамный индикатор, на котором отображаются не только значения токов в каналах, но и контролируется правильность последовательности включения. Внешний вид блока управления полимагнитного комплекса «Звезда» (программируемая полимагнитная система ППС-5) показан на рис. 4.9, а магнитного скафандра — на рис. 3.17. 4.3. Аппарат полимагнитный терапевтический «Аврора МК-01» Продолжительный опыт использования систем класса «Звезда» в клинической практике выявил ряд недостатков и ограничений по функ-
112 Глава 4 Рис. 4.9. Внешний вид блока управления ППС-5 системы «Звезда» циональным и техническим возможностям аппаратуры. Созданию более совершенной разработки послужило и общее развитие элементной базы, а также требования по подготовке к промышленному производству. В своей основе новая разработка сохраняет лишь идею общего воздействия магнитным полем на организм пациента, но принципиально отличается от предшествующих аппаратов способом формирования импульсных магнитных полей, количеством дозируемых параметров поля, дискрет- ностью и точностью дозировки, а также новизной и оригинальностью конструкции магнитоскана (скафандра), конструкцией источников из- лучения электромагнитного поля — индукторов, обеспечивающей эф- фективное воздействие на пациента и исключительно малое излучение во внешнее пространство [5, 7]. Отличительные особенности позволили, с одной стороны, сделать аппаратуру более экономичной, а с другой стороны повысить лечебный эффект и расширить область применения для других видов заболеваний. Основным показателем эффективности данной разработки служит гораздо более широкий набор задаваемых параметров магнитного поля, возможности их изменения и контроля. К ним относятся: — изменяемый вектор магнитного поля; — уровень магнитной индукции; — частота магнитной волны; — форма магнитной волны за период; — фоновая (постоянная) составляющая магнитного поля; — пространственное распределение магнитного поля; — синхронизация частоты магнитного поля с частотой сердечных сокращений с изменяемой кратностью. Сочетание различных режимов работы, вариация параметров поля и их значений позволяет задавать большое многообразие лечебных ме- тодик и адаптировать воздействие индивидуально к больному. Конкрет- ное исполнение узлов аппарата на элементах цифровой техники делает
Методы и средства формирования сигналов 113 возможным устанавливать перечисленные параметры поля кодом или программировать вид воздействия. Аппарат «Аврора МК-01» состоит из двух функционально самосто- ятельных частей: блока управления (электронная управляющая часть) и магнитоскана (системы индукторов, объединенных по заданной элект- рической схеме и формирующих заданное поле). Установка параметров поля производится оператором на передней панели прибора. Выходом блока управления являются восемь независи- мых токовых шин, к которым подключаются индукторы в качестве на- грузки. Поскольку ток, протекающий по индукторам, вызывает пропор- циональное значение магнитной индукции, то все установленные пара- метры тока адекватны параметрам магнитного воздействия. Таким образом, основным элементом блока управления является силовой ис- точник тока по каждому независимому каналу с изменяемыми парамет- рами, и все вышеперечисленные параметры магнитного поля адекватно в виде параметров тока задаются в аппарате «Аврора МК-01» и, следо- вательно, определяют его структуру, представленную на рис. 4.10. Блок управления (БУ) выполняет два основных назначения: задание (управление) необходимых параметров тока через индукторы магнитос- кана и контроль (отображение) этих параметров в режимах «установка» и «работа», т.е. с отключенной и подключенной нагрузкой (магнитос- каном). В соответствии с назначением БУ можно представить в виде средств управления и средств отображения, которые выполняют следующие функции: — включение и выключение аппарата; — задание и отображение направления вектора магнитной индукции по восьми независимым каналам; — задание и отображение уровня магнитной индукции отдельно по каждому каналу от 0 до 5 мТл; — задание и отображение уровня фона магнитной индукции (по- стоянной составляющей), общего для всех каналов, от 0 до 1 мТл; — задание и отображение частоты волны от 0 до 100 Гц; — задание и отображение временной последовательности импульсов тока на периоде заданной частоты магнитной волны; — задание непрерывной синхронизации от внутреннего таймера или ждущей синхронизации от внешнего датчика пульса; — задание внешнего ритма с понижением его кратности от 1 до 4 раз; — задание режима установки параметров с отключением магнитос- кана и режима работы с формированием магнитного поля в маг- нитоскане. Таким образом, функциональный состав БУ обеспечивает преобра- зование управляющих воздействий в соответствующие токи индукторов по восьми независимым каналам и отображение необходимой инфор- мации. Средства управления и отображения образуют в БУ панель за-
114 Глава 4 Рис. 4.10. Структура полимагнитной терапевтической системы «Аврора МК-01» дания и индикации, причем при соответствующем выборе возможно совмещение некоторых функций управления и отображения, когда со- стояние органа управления одновременно несет информацию о тех или иных характеристиках процесса. Измерение и контроль динамики маг- нитного поля осуществляется в режиме работы путем съема значений токов, протекающих через магнитоскан. В результате всех перечисленных функдий и технических возмож- ностей структура аппарата «Аврора МК-01» сводится к следующей пос- ледовательности блоков (рис. 4.10): — таймер-распределитель с задатчиками внешнего режима и внут- ренней частоты; — коммутатор (КП) временной последовательности импульсов с за- датчиком и индикатором; — восемь силовых источников (СИ) с задатчиком и индикатором уровня (силы) тока; — коммутатор (КН) направления протекания токов «север-юг» (N- S); — магнитоскан (система электромагнитов); — переключатель (SW) режима «установка» или «работа» (Уст/Раб); — задатчик (ЗФ) уровня фона. Раскроем более подробно функциональный состав и назначение бло- ков магнитотерапевтического аппарата. Таймер-распределитель предназначен для выработки импульсной временной последовательности заданной частоты по принципу бегущей волны в непрерывном режиме и режиме внешнего запуска. Обеспечивает формирование последовательности из шестнадцати импульсов и возмож- ность ступенчатого понижения частоты внешнего запуска в два и четыре раза. Функциональная схема таймера-распределителя представлена на рис. 4.11. Таймер-распределитель состоит из преобразователя кода (ПК),
Методы и средства формирования сигналов 115 Рис. 4.11. Функциональная схема таймера-распределителя преобразователя «напряжение-частота» (ПНЧ), распределителя (Р), ум- ножителей (У), задатчика ритма (ЗР), триггера (Тг), переключателя SW "Ритм". Электромеханический задатчик кода (ЗК) с переключателем SW "Частота", расположенный на передней панели аппарата, служит для установки и отображения двумя десятичными разрядами значения час- тоты. ПК предназначен для преобразования двоично-десятичного кода, поступающего от ЗК, в двоичный код. ПНЧ служит для преобразования двоичного кода в частоту следования импульсов. Распределитель (Р) предназначен для преобразования частоты во временную последователь- ность из шестнадцати импульсов. Умножитель (У) служит для обеспе- чения светодиодной индикации последовательности импульсов в индук- торах магнитоскана. ЗР предназначен для задания режима внешнего запуска и управления кратностью понижения частоты внешнего запуска. Тг служит для организации ждущего режима работы таймера-распреде- лителя при внешнем запуске. Таймер-распределитель работает следующим образом. Двоично-деся- тичный код частоты, поступающий от ЗК, преобразуется с помощью ПК в двоичный. ПНЧ формирует на своем выходе последовательность импуль- сов, частота следования которых (в герцах) равна установленному с помо- щью ЗК значению. Импульсы, поступающие на Р, последовательно выда- ются на его выходы, начиная с первого и заканчивая шестнадцатым, об- разуя бегущую волну из шестнадцати тактов. В непрерывном режиме Тг удерживается постоянным сигналом по входу «Уст. 1» в положении, раз- решающем генерацию в ПНЧ. В синхронном режиме (внешнего запуска) импульс с шестнадцатого выхода Р сбрасывает Тг, который блокирует ПНЧ. Триггер Тг вновь устанавливается в единичное положение по сигналу от ЗР, который пропускает каждый 1-й (2-й, 3-й, 4-й) сигнал от датчика пульса в зависимости от положения переключателя ритма. Коммутатор последовательности КП предназначен для задания тре- буемой временной последовательности включения или выключения тока по каждому из восьми каналов в моменты времени, определенные шест-
116 Глава 4 Рис. 4.12. Схема программатора системы «Аврора МК-01» надцатью тактами установленной частоты. Функциональная схема ком- мутатора КП представлена на рис. 4.12. Коммутатор (программатор) состоит из наборного поля в виде матрицы 16x8 и формирователей уровней (ФУ). Наборное поле представляет собой 128 микропереключа- телей (SW1...SW128) и светодиодов (VD1...VD128), включенных в узлы матрицы, т.е. в местах пересечения строк (каналов) и столбцов (тактов) матрицы. ФУ служат для согласования уровней ТТЛ-логики с опорными уровнями ЦАП на входах СИ. Светодиоды обеспечивают индикацию задаваемой временной последовательности независимо в каждом канале. Индикатор уровней предназначен для отображения динамики маг- нитного поля в магнитоскане и относительного значения магнитной индукции и фона в каждом из восьми каналов управления. Индикатор также позволяет контролировать рабочее состояние аппарата по наличию подсветки в элементах индикации. Функциональная схема индикатора уровней одного канала представлена на рис. 4.13. Индикатор состоит из вось- ми идентичных схем, содер- жащих усилитель У, схему управления СУ и линейный газоразрядный индикатор ЛИ. На вход усилителя по- канапа Рис. 4.13. Индикатор уровня индукции систе- мы «Аврора МК-01» ступает сигнал от соответствующего силового источника тока, где амп- литуда его повышается до необходимого уровня. Схема управления обес- печивает вначале поджег вспомогательного катода, а затем основного катода элемента индикации. При подключенном напряжении анода воз- никает тлеющий разряд в виде светящегося столбца, длина которого пропорциональна значению тока, протекающего по каналу управления. Силовые источники тока (СИ) предназначены для формирования импульсов тока заданного уровня в соответствии с последовательностью управляющих импульсов, поступающих от коммутатора последователь-
Методы и средства формирования сигналов 117 ностей. Заданный уровень фона (ЗФ) предназначен для управления по- стоянной составляющей тока на выходе всех СИ. На рис. 4.14 представ- лены функциональные схемы одного силового источника СИ (остальные идентичны), задатчика уровня фона (ЗФ) и схемы режима с начальным сбросом. СИ состоит из входного регистра-счетчика (РСч1), шинного формирователя (ШФ1), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП1), операционного усилителя (ОУ1), широтно-импульсного модулятора (ШИМ), выходного ключевого транзистора (VT), дешифрирующего Рис. 4.14. Функциональная схема силового источника тока системы «Аврора МК-01»
118 Глава 4 диода (VDfl), фильтра частоты 25 кГц (L,C), ограничивающего диода (VDorp), измерительного резистора (ЯД резистора обратной связи (R^), резистора защиты (R3), схемы защиты (СЗ), резистора фона (Яф), ключа 1 (Кл1), ключей 2 (Кл2), схем И (& 1.1, & 1.2). ЗФ состоит из входного регистра-счетчика (РСч2), шинного формирователя (ШФ2), цифро-ана- логового преобразователя (ЦАП2), операционного усилителя (ОУ2), ге- нератора опорного напряжения (ГОН), генератора частоты перемещения (ГЧП). Схема режима и сброса состоит из схемы начального сброса (ССб), задающей цепочки (VDC и Сс), триггера установка-работа (Тг), схемы ИЛИ (1), схемы И (& 2.1, & 2.2), светодиодного индикатора (VDH) «установка — работа». В момент включения тумблера «Сеть» схема начального сброса (ССб) формирует импульс, которым прежде всего обнуляются входные регистры-счетчики (РСч) ЗФ и всех СИ по входу R. Этим же импульсом производится автоматическая установка триггера режима работы (Тг) в единичное состояние по прямому выходу. Кроме того, в режиме уста- новки отключаются выходные транзисторы (VT) путем блокировки по входу стробирования широтно-импульсного модулятора (ШИМ) через схему защиты (СЗ), а индикаторы уровней переключаются с выхода измерительного резистора (RH) на выход операционного усилителя (ОУ). По истечении 3-х секунд может производится установка параметров тока в каналах с помощью переключателя SW1, расположенного на передней панели. В автономном режиме частота 1 Гц, формируемая генератором частоты перемещений (ГЧП), поступает на все схемы И (&), проходит на входы сложения (+) или вычитания (-) входных реги- стров счетчиков (РСч), если дается разрешение переключателем SW1 на увеличение или уменьшение кода. Счетчики работают в выбранном на- правлении до устанавливаемого значения. Выходной код счетчика по- дается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и при условии под- ключенного опорного напряжения (-СОП|) ключом 1 (Кл1) преобразуется в пропорциональное напряжение на выходе операционного усилителя (ОУ). Ключ 2 (Кл2) замыкает данное напряжение на индикатор уровней, который отображает устанавливаемое значение тока по данному каналу. Установка значения фона производится аналогичным образом, толь- ко с помощью общего переключателя фона. Напряжение, пропорцио- нальное установленному коду фона, преобразованное в ток на резисторах Вф, суммируется с токами в каналах и присутствует в виде постоянной составляющей. В режиме установки шинные формирователи (ШФ) от- ключены от общей шины данных потенциалом «Вывод». После всех возможных установок параметров аппарат переключают в режим работы. При этом триггер режимов (Тг) переходит в нулевое состояние по прямому выходу, светодиод (VDH) гаснет. Ключ 2 (Кл2) подсоединяет индикатор на выход измерительного резистора (RH), сни- мается блокировка с широтно-импульсного модулятора (ШИМ) через схему защиты (СЗ) и тем самым подключается выходной транзистор
Методы и средства формирования сигналов 119 (VT) к цепям управления. Напряжение, пропорциональное коду уста- новленного тока канала, сравнивается с опорным пилообразным сигна- лом частотой 25 кГц в широтно-импульсном модуляторе (ШИМ) и пре- образуется соответственно в длительность импульсов, переключающих выходной транзистор (VT). В этом случае транзистор работает в ключе- вом режиме, что резко повышает его КПД. Далее фильтром (L,C) вы- деляется среднее из модулированного сигнала, или заданная форма и значение тока, который, протекая по нагрузке (индуктору) и последо- вательно включенному с ней измерительному резистору (RH), формирует сигнал обратной связи через резистор (R^) для стабилизации заданного тока. В случае короткого замыкания нагрузки или замыкания нагрузочных проводов на корпус резко возрастает ток в цепи транзистора, что при- водит к увеличению падения напряжения на резисторе защиты (R^ и вызывает срабатывание схемы защиты и отключение транзистора от цепи управления. Индикатор соответствующего канала гаснет, что свидетель- ствует о неисправности цепи управления и сигнализирует оператору о необходимости отключения аппарата. Блок управления запитывается от вторичного источника питания импульсного тока, выполненного по ори- гинальной схеме с высоким КПД и общей выходной мощностью около 800 Вт. Внешний вид блока управления магнитотерапевтического комплекса «Аврора МК-01» показан на рис. 4.15. Рис. 4.15. Внешний вид блока управления МТА «Аврора МК-01» Магнитоскан, схема объединения индукторов, его конструкция, параметры и техническое исполнение индуктора подробно описаны в других разделах книги, поэтому здесь не рассматриваются.
120 Глава 4 4.4. Аппаратно-программный комплекс управления динамическим магнитным полем «Аврора МК-02» Комплекс предназначен для формирования 16-и независимых токов либо напряжений, регулируемых по значению, длительности тактов, по- лярности, моментам включения и выключения, причем все параметры регулируются независимо в пределах 32-х тактов работы. Аппаратно-программная структура комплекса представлена на рис. 4.16, а структура аппаратной части показана на рис. 4.17 [2, 3]. Комплекс (рис. 4.17) включает блок создания или модификации конфигурации магнитного поля (КМП), под которой понимается кон- кретная последовательность появления выходных токов с заданными интенсивностями, атрибутами и длительностями. Набор сформирован- ных КМП, в том числе и записанных ранее, хранится в информацион- ном банке КМП на носителях (постоянных запоминающих устройст- вах — ПЗУ), перепрограммируемом ПЗУ (ППЗУ) и энергонезависимом оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Конфигурации хранятся в сжатом виде для экономии памяти. Рис. 4.16. Аппаратно-программная структура системы «Аврора МК-02» Для работы выбранный файл КМП вначале декодируется. При этом параметры интенсивности размещаются в специальном, независимо (от процессора) опрашиваемом оперативном запоминающем устройстве (СпОЗУ) с помощью счетчика СТА и регистра RGA адреса, а частот- но-временные параметры с атрибутами (полярность, модуляция) зано- сятся в ОЗУ процессора и находятся под его постоянным наблюдением. При этом частотно-временные параметры в работе процессором пере- носятся в специальные таймеры и по ним процессор формирует вре- менные интервалы. Процессорный блок имеет пользовательское про-
Методы и средства формирования сигналов 121 граммное обеспечение для синтеза КМП, вывода и декодирования и, наконец, для работы в реальном масштабе времени. Силовые источники (СИ) токов (16 шт.) воспринимают информа- цию в виде 16-и разрядного кода по принципу один разряд — один силовой источник (СИ). Два дополнительных входа на СИ определяют его атрибутику (полярность, модуляцию). Пример формата сигнала на одном из любых выходов комплекса, например, СИ1 показан на рис. 4.18. Рис. 4.18. Пример формата сигнала на выходе одного из силовых источников тока Основу сигнала составляет цикл состояний из 32-х тактов. В свою очередь, каждый такт разделяется на два интервала: интервал такта (тт) и интервал паузы (тп), причем каждый из них задается отдельно. Ин- тервал такта заполняется заданным по интенсивности, полярности и
122 Глава 4 частоте модуляции выходным током. Длительность любого интервала такта устанавливается независимо от других интервалов и находится в диапазоне от 10 мс до 4 с. Интервал паузы заполняется нулевой интенсивностью, а длитель- ность ее находится в диапазоне от 0 до 4 с и также независима от других интервалов. Для паузы предусмотрена возможность заканчиваться по внешнему сигналу, что дает возможность синхронизироваться, напри- мер, биоритмами пациента. В интервале такта возможны следующие атрибуты интенсивности тока: — положительной полярности 32-х уровней (см. 1, 2 такты); — отрицательной полярности 32-х уровней (см. 3, 4 такты); — модулированной заданной частотой fm положительной полярности (см. 5-й такт); — модулированной заданной частотой отрицательной полярности; — модулированной заданной частотой двухполярной интенсивности. Уровень интенсивности формируется с помощью ШИМ-сигнала, подаваемого от независимо опрашиваемого СпОЗУ на силовые источ- ники токов. Для примера рассмотрим формирование интенсивности Ij для пер- вого такта (т1т), при этом будем считать, что в силовом источнике СИ1 ток I, = 17 (семнадцатый уровень интенсивности). ШИМ-сигнал для первого такта СИ1 показан на рис. 4.19, а, а ШИМ-сигнал для другого выхода (СИ2) с уровнем 13 показан на рис. 4.19, б. Частота ШИМ-сиг- нала превышает 20 кГц, поэтому специальные фильтры, расположенные в силовых источниках, преобразуют ШИМ-сигналы в сигналы квазипо- стоянного тока. Рис. 4.19. Формирование разных интенсивностей в каналах за счет ШИМ-модуляции На рис. 4.19 можно также заметить, что начальные фазы ШИМ- сигналов в разных СИ сдвинуты друг относительно друга, что позволяет равномернее распределять нагрузки на источник питания и ослабить импульсную помеху.
Методы и средства формирования сигналов 123 Работу программно-аппаратного комплекса «Аврора МК-02», внеш- ний вид которого представлен на рис. 4.20, можно разделить на три этапа. Первый этап — создание либо модификация конфигурации магнит- ного поля (КМП). Этот этап поддерживается программой SINTEZ. Здесь можно вызвать любую из конфигураций, хранящихся в виде файлов в информационном банке КМП, либо начать с «пустого» файла-конфи- гурации. На экране дисплея возникает обобщенная модель конфигурации магнитного поля (КМП) в виде 16-ти форматов сигналов, пример для одного из которых показан на рис. 4.21. Под каждым тактом высвечи- ваются цифровые значения длительности интервала такта, интенсивнос- ти и длительности интервала паузы. Выбор параметра установки осуществляется с помощью подвода маркера к соответствующему местоположению параметра. По команде установки формат сигнала увеличивается на весь экран, чтобы повысить точность установки. Затем перемещением маркера устанавливаются не- обходимые интенсивности и атрибуты в каждом такте формата сигнала. Длительности интервалов такта и интервалов пауз устанавливаются под- водом маркера к соответствующему местоположению на экране и пос- ледовательным набором цифр. После формирования или модификации новая КМП записывается в виде файла с заданным именем в инфор- мационном банке КМП. Рис. 4.20. Внешний вид аппаратно-программного комплекса «Аврора МК-02»
124 Глава 4 Второй этап — выбор КМП, декодирование и размещение парамет- ров. Этот этап поддерживается программой ZAGR. Здесь выбранная КМП показывается на экране дисплея в виде обобщенной модели со всеми графическими и буквенно-цифровыми данными. Одновременно все параметры КМП, записанные, как было указано выше, в сжатом виде, декодируются и размещаются в заданных местах комплекса. Так, значение интенсивности в каждом такте, хранящееся в цифровом виде в КМП (6-разрядный код), преобразуется в ШИМ-сиг- нал следующим образом. Уровень интенсивности, например, 17 преоб- разуется в последовательность 17 единиц и 47 нулей, состоящую из 64-х бит, а уровень интенсивности, например, 13 преобразуется в последо- вательность 13 единиц и 51 нуля, состоящую из 64-х бит. Полученные последовательности заносятся в специальное СпОЗУ (16-и разрядное ОЗУ) в младшие 6 разрядов, старшие 5 разрядов которого выбираются в зависимости от номера такта в цикле. Данное СпОЗУ является внеш- ним для процессора и призвано, в основном, работать самостоятельно под управлением своего генератора и счетчика адреса. Только в режиме декодирования и записи адресация данного ОЗУ переходит к процессору. Значения длительностей интервалов такта, интервалов пауз, частот модуляции, а также атрибутики, записанные в КМП в виде мантиссы и порядка, преобразуются в целые числа и записываются в процессорном ОЗУ, где находятся под полным контролем процессора. Третий — этап непосредственной работы (генерирование КМП и ее контроль в реальном масштабе времени). Этап можно проследить по Рис. 4.21. Обобщенная модель конфигурации магнитного поля
Методы и средства формирования сигналов 125 структуре рис. 4.17 и формату сигнала (рис. 4.18 и рис. 4.19). Работа поддерживается программой RABOT. Вначале процессор устанавливает старшие адреса СпОЗУ, относящиеся к первому такту интенсивности (рис. 4.18), а младшие разряды начинают перебираться специальным счетчиком адреса СчА с высокой частотой f0 (около 2 МГц). Так как в каждом разряде СпОЗУ записана последовательность единиц и нулей по образцу рис. 4.19, то на выходе его каждого разряда появляется ШИМ- сигнал установленной интенсивности первого такта. Одновременно в один из таймеров заносится код интервала такта интенсивности, а в ре- гистры атрибутики заносятся коды полярностей и модуляции первого такта для каждого разряда, а, по существу, — для каждого выхода. Ком- плекс начинает вырабатывать по всем 16-и выходам ШИМ-сигналы 1-го такта. Так как формирование ШИМ-сигналов идет при этом без участия процессора, то последний переключается на обслуживание программы CONTROL, которая призвана контролировать токи на выходах СИ с по- мощью АЦП и отображать на экране действительную картину работы. При этом периодически процессор возвращается к таймеру, отсле- живая оставшееся время на первый такт интенсивности. Как только интервал на первый такт заканчивается, процессор заносит в этот же таймер значение интервала паузы, обнуляет все выходы СИ, и снова переходит на обслуживание программы CONTROL, отслеживая в то же время оставшееся время на паузу. По окончании паузы процессор пере- ключает старшие адреса СпОЗУ, соответствующие второму такту интен- сивностей, считывает код интервала второго такта интенсивностей, за- носит последний в таймер, считывает и заносит в регистр RG значение атрибутики на каждом выходе. Комплекс начинает вырабатывать по всем 16-и выходам ШИМ-сигналы 2-го такта. Освободившийся на время такта процессор снова переходит на обслуживание программы CON- TROL, которая продолжает отображать действительную картину токов на экране дисплея. С окончанием времени 2 такта интенсивностей про- цессор включает интервал паузы аналогично первому такту. С началом 3-го такта процессор повторяет алгоритм, изложенный выше для первых двух тактов, и так до 32-го такта или, если в служебной ячейке № 14 выбранной КМП записано число, меньшее 32-х, то до номера такта, записанного в ячейке № 14 служебной информации вы- бранного файла КМП. При этом в конце цикла процессор оценивает оставшееся время всей процедуры и, если время остается, то процессор возвращается к первому такту работы комплекса. Работа подобным об- разом продолжается до окончания времени всей процедуры, значение которой записано в служебной ячейке № 15 выбранной КМП и запи- санной процессором в специальном таймере. Еще один таймер исполь- зуется для генерации частоты модуляции fm, значение которой устанав- ливается вместе с установкой атрибутики на каждом такте. В процедуре, поддерживаемой программой CONTROL, осуществляется визуальный контроль за работой комплекса и сравнение действительных параметров с заданными.
126 Глава 4 С самого начала при выборе файла КМП, как отмечалось выше, на экране дисплея появляется обобщенная модель выбранной КМП. При включении на работу обобщенная модель приобретает полутоновое изо- бражение и только конкретно в данный момент часть формата, соот- ветствующая работающему такту, высвечивается полной яркостью в те- чение полного времени данного такта. По окончании очередного такта и включении следующего полная яркость перемещается на соседнюю часть формата. Одновременно действительные значения интенсивностей на 16 выходах комплекса измеряются с помощью АЦП, вводятся в процессор, сравниваются с заданными значениями и в виде знаков от- клонения демонстрируются на экране, что позволяет однозначно оце- нивать нормальную работу комплекса в процессе проведения процедуры. Описание программы декодирования загрузки и работы. Программа состоит из двух блоков: программы распаковки-декоди- рования и программы загрузки и работы. Программа распаковки-декодирования включает три процедуры: — процедура распаковки амплитуд «RASPO»; — процедура распаковки атрибутов «ATRO»; — процедура распаковки времен «ТАУО». В процедуре «RASPO» осуществляются следующие операции: — выделяется место в ОЗУ на 128 слов, которое предварительно очищается; — считываются амплитуды первого такта всех 16 каналов; — в каждом из них выделяются младшие 5 разрядов; — преобразуются в последовательность стольких единиц, каков код в числе, которые заносятся в выделенное место в ОЗУ; — записанный массив первого такта переносится в буферное запо- минающее устройство СпОЗУ, которое является внешним по от- ношению к ЭВМ; — переключаются на амплитуды следующего такта, которые распако- вываются аналогично и записываются в СпОЗУ, предварительно изменив страницу СпОЗУ путем переключения старших разрядов; — переходят на процедуру «ATRO», при этом в процедуре распа- ковки атрибутов «ATRO» осуществляются следующие подпроце- дуры: — выделяются 6, 7, 8-е разряды массива амплитуд; — декодируются в соответствии с таблицей кодировки и заносятся в ОЗУ контроллера в виде распакованного массива атрибутов; — переходят на процедуру распаковки «ТАУО», в процедуре распа- ковки времен «ТАУО» осуществляется следующее: — считывается очередной код временного интервала; — выделяются пять младших разрядов; — выделяются три старших разряда; — пять младших разрядов умножаются на число, равное двум в степени кода в трех старших разрядах, т.е. сдвигаются влево столько раз, каков код в выделенных трех старших разрядах;
Методы и средства формирования сигналов 127 — полученное произведение умножается в 15,5 раз и в качестве 16-разрядного кода записывается в массив времен тактов и, ана- логично, — в массив времен пауз и периодов модуляции, фор- мируя тем самым три массива времен. Блок программы загрузки и работы выполняет следующую последо- вательность операций: — загружает общее время процедуры в специальный таймер и вклю- чает его работу на вычитание частотой 50 Гц; — загружает старшие 5 разрядов адреса запоминающего устройства СпОЗУ (для первого такта заносится нулевой адрес); — загружает атрибуты первого такта во внешние регистры управле- ния силовыми источниками токов; — загружает время такта в таймер такта, включает его и включает доступ к счетчику младших разрядов адреса СпОЗУ опорной час- тоты, начинается работа силовых источников (СИ); — запускает программу контроля, которая высвечивает на экране конфигурацию магнитного поля и сравнивает реальные значения с заданными; — проверяет состояние таймера такта и, если времени достаточно, то возвращается к контролю, если же времени мало, то ждет окончания времени такта; — с приходом конца времени такта, загружает время паузы в таймер такта, отключает СИ и ждет конца паузы; — с приходом конца паузы возвращается к алгоритму загрузки стар- ших 5-и разрядов адреса запоминающего устройства СпОЗУ, уве- личивая код последних на единицу, и повторяет все вышеизло- женные элементы последовательности 32 раза, соответствующие 32-м тактам; — проверяет состояние таймера времени общей процедуры и, если время не вышло, то возвращается к алгоритму загрузки адресов старших разрядов СпОЗУ, обнуляя адрес; — продолжает исполнять вышеизложенную последовательность до обнуления таймера времени общей процедуры; — после обнуления таймера времени общей процедуры останавли- вает работу и включает звуковой сигнал. 4.5. Магнитотерапевтический комплекс «Мультимаг МК-03» Комплекс предназначен для приема с ПЭВМ и запоминания кон- фигурации магнитного поля с последующим автономным формирова- нием силовых токов для питания индукторов магнитоскана на время такта, паузы и цикла магнитотерапевтического комплекса «Мультимаг МК-03» [11, 13]. Структура всего комплекса представлена на рис. 4.22.
128 Глава 4 Комплекс состоит из следующих блоков: 1. ЭВМ, программно совместимая с IBM. 2. Интерфейс с АЦП, встраиваемый в ЭВМ и имеющий следующие ха- рактеристики: — цифровые сигналы: 8 бит — данные, 2 бита — сопровождение; — аналоговые сигналы: 8 каналов, диапазон ±2 В, разрядность 12 бит, частота дискретизации — 10 кГц. Рис. 4.22. Структурная схема комплекса «Мультимаг МК-03» 3. Блок управления, в память которого от ЭВМ заносится массив кон- фигурации магнитного поля и который по команде включается в ра- боту, формируя силовые токи для питания индукторов магнитоскана. 4. Магнитоскан — специальная кушетка с индукторами для формирова- ния динамического магнитного поля вокруг пациента. 5. Датчики диагностики, которые формируются в зависимости от ре- шаемой задачи и в стандартном наборе включают: датчики температу- ры, реограммы, кардиосигналов, давления крови и др. 6. Диагностическая аппаратура, которая содержит усилительно-преоб- разующие устройства, воспринимающие сигналы с датчиков и фор- мирующие нормированные сигналы для подачи на АЦП. Технические характеристики блока управления: — число каналов...........................8; — интенсивность (тока).................до 3 А(±); — число тактов.........................до 32; — такты могут разделяться паузами; — полярность тока независима по каналам; — пауза независима по каналам; — для контроля тока имеется выход с каждого канала с амплитудой...........................до 1 В; — объем памяти..........................8x2048; — частота встроенного генератора............2 МГц.
Методы и средства формирования сигналов 129 • цифровой сигнал ----> аналоговый сигнал Рис. 4.23. Структура блока управления Ток в индукторах измеряется и поступает управления для преобразования в АЦП. Структура блока управ- ления показана на рис. 4.23. В память контроллера СпОЗУ заносится массив конфигурации магнитного поля. При работе память опрашивается встроенным генератором. Информация в виде ШИМ-сигнала распре- деляется по 8 каналам сило- вых источников (СИ) тока вместе с заданием поляр- ности и паузы независимо по каналам. Каждый сило- вой источник нагружается на соответствующие индук- торы магнитоскана (Ij-I8). на аналоговый выход блока Функциональная схема контроллера блока управления приведена на рис. 4.24. Адрес блока выбирается схемой АБ. Регистр RG1 служит для адресации регистров и режимов. Запись в RG1 осуществляется сопро- вождающим сигналом OUTA и только тогда, когда выбран данный блок схемой АБ. Формат адресации и режимов показан в табл. 4.3. Данные от ЭВМ распределяются в зависимости от последнего ад- реса, записанного в регистре RG1. Данные сопровождаются сигналом OUTB и записываются в следующие регистры: — регистр адреса памяти RAM, составленный из регистра RG3 (стар- шие 5 бит) и счетчика СТ2 (младшие 6 бит); — регистр данных RG2 для памяти RAM; Рис. 4.24. Функциональная схема контроллера блока управления
130 Глава 4 — регистр полярности RG5; — регистр паузы RG6. После занесения всех данных в регистры и в память RAM, в регистр RG1 заносится сочетание 00 (в разряды а4, аЗ), которое включает блок управления в режим проверки и контроля правильности установки. Если же в разряды а4, аЗ занести сочетание 10, то при этом блок управления включается в режим «работа». В этом режиме внутренний генератор G (2 МГц) с помощью счетчика СТ2 перебирает младшие 6 разрядов па- мяти RAM, в котором записаны коды ШИМ-сигналов всех 8 каналов. Регистр RG4 на выходе RAM формирует ШИМ-сигналы, которые до- полнительно стробируются паузами с регистра RG6 и поступают на выход контроллера для управления силовыми источниками СИ. Таблица 4.3 Формат адресации и режимов а7 аб а5 а4 аЗ а2 а! аО Назначение Адрес блока Режим установ. 0 10 0 0 0 10 0 1 0 10 10 0 10 11 0 110 0 0 110 1 0 1110 0 1111 Нет команды Запись в счетчик мл. разр. адреса RAM Запись в регистр ст. разр. адреса RAM Запись в регистр данных RAM Запись в RAM Запись в регистр полярности Запись в регистр пауз Нет команды Адрес блока Режим контроль 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 111 Контроль тока 1 -го канала без работы Контроль тока 2-го канала без работы Контроль тока 8-го канала без работы Адрес блока Режим работа 1 0 0 0 0 10 0 0 1 10 111 Работа и измерение тока 1-го канала Работа и измерение тока 2-го канала Работа и измерение тока 8-го канала XXX 1 1 X X X Нет команды В память ШИМ коды записываются на весь цикл работы. Длитель- ность же такта и паузы отслеживается ЭВМ специальным таймером, расположенным в интерфейсе. С концом такта или паузы ЭВМ инкре- ментирует старшие из 5 разрядов памяти RAM, переписывает, возможно с изменениями, данные по полярности и по паузе и запускает работу на новый такт или паузу. Код в младших разрядах (а2,а1,а0) регистра RG1 определяет канал, с которого измеряется ток в индукторах (в форме напряжения) для выдачи в ЭВМ. Функциональная схема одного из силовых источников тока СИ по- казана на рис. 4.25.
Методы и средства формирования сигналов 131 Рис. 4.25. Функциональная схема силового источника В зависимости от бита полярности (ПОЛ) открыты либо нечетные ключи (Кл1, КлЗ) и тогда ток в индуктор И поступает одного направ- ления, либо при другом бите ПОЛ открыты четные ключи (Кл2, Кл4) и тогда ток в индуктор поступает другого направления. Ключи Кл1 и Кл2 дополнительно коммутируются сигналом ШИМ, обеспечивая тем самым регулировку интенсивности тока в индукторе. Пульсация ШИМ сглаживается фильтром Ф. Резистор R4 служит датчиком перегрузки и в случае превышения потребления тока в силовом источнике схема защиты СЗ отключает данный источник. Резистор R0 служит измери- тельным датчиком тока через индуктор, напряжение с которого через мультиплексор pS поступает на плату АЦП в ЭВМ. Выбор канала для измерения осуществляется кодом шины S. Делитель Rl, R2, R3 является Рис. 4.26. Внешний вид системы электронного формирования токов комплекса «Мультимаг МК-03»
132 Глава 4 датчиком правильной установки параметров силового источника и его работоспособности. При контроле установки ключи КлЗ и Кл4 размы- каются, а сигналы ШИМ через указанные резисторы как через делитель поступают на мультиплексор и далее в качестве аналогового сигнала — на вход АЦП в ЭВМ. Ток в индукторе при этом отсутствует. Внешний вид системы электронного формирования токов комплекса «Мультимаг МК-03» показан на рис. 4.26. 4.6. Программное обеспечение магнитотерапевтического комплекса. Описание программного пакета «МК-03» Назначение. Программный пакет «МК-03» предназначен для работы в составе аппаратно-программного комплекса «Мультимаг МК-03», в сочетании с IBM-совместимыми ПЭВМ. Состав пакета: MK03.EXE; READMY.TXT; *.DAT; MK03.HLP; MK03.RES; LITR.CHR. Основные функции. Исполняемый модуль MK03.EXE позволяет выполнять следующие функции: 1. Выбор методики', 2. Просмотр параметров методики; 3. Редактирование параметров методики (для версии 2); 4. Работа с комплексом «Мультимаг МК-03» (для версий 1,2); 5. Информация о программе. При запуске программы на экране появляется основное меню по вышеперечисленным функциям. Выбор функции осуществляется с по- мощью клавиш управления курсором (-», *-). При этом перемещается подсветка функции. Для выбора необходимо нажать клавишу «Enter». Рассмотрим последовательно выбираемые функции. Выбор методики. Данная функция позволяет выбрать файл КМП (конфигураций маг- нитного поля) с расширением «.DAT» и «.КМР» для последующей ра- боты или модификации. Пример изображения на экране показан на рис. 4.27. Выбор осуществляется с помощью клавиш управления курсором (<-, Т, X, ->). При этом перемещается подсветка файла. Подтверждение вы- бора осуществляется клавишей «Enter», отмена выбора — клавишей «Esc». Выбранная методика графически отображается на экране, один из примеров которого показан на рис. 4.28. Здесь помимо основного меню появляется поле КМП, состоящее из нескольких областей.
Методы и средства формирования сигналов 133 Рис. 4.27. Отображение режима «Выбор методики» Основное поле занято матрицей интенсивностей (8x32), где 8 строк соответствуют 8 каналам силового блока магнитотерапевтического ап- парата, а 32 столбца соответствуют тактам во времени подключения Рис. 4.28. Графическое изображение методики на экране
134 Глава 4 соответствующих интенсивностей в каналах. Длительности тактов могут быть разными по строкам и отображаются в логарифмическом масштабе специальной строкой внизу. Здесь же отображаются также в логариф- мическом масштабе длительности пауз между тактами. В самом низу экрана появляется область справочной информации: по виду заболевания, по названию файла, по длительности процедуры. Справа от основного поля располагается столбец «Отклонения», где во время работы будет отображаться соответствие установленных парамет- ров по интенсивностям действительным. Под ним располагается область высвечивания усредненных временных параметров. Просмотр параметров позволяет определить конкретные параметры конфигурации магнитного поля. В этом режиме одна из ячеек основного поля обрамляется белым цветом, а значения параметров в этой ячейке отображаются в окне, которое появляется справа на экране. Перемеще- ние между отдельными элементами поля осуществляется клавишами (<-, ?, X, PgUp, PgDn, End, Home). Изображение на экране принимает вид, показанный на рис. 4.29. В окне в правой стороне экрана показываются следующие числовые пара- метры: — интенсивность поля; — длительность такта; — длительность паузы; — параметры модуляции; — вид модуляции. Выход Мультимаг (/<-03 Г" Рязань PI Р' \ Bl (брать методику I Работа с методикой I О программе С р-дняя 1 такта 2л8(мс) F .иста 4,0 (Гц) Просмотр Рис. 4.29. Изображение на экране в режиме «Просмотр! ПРОСМОТР ПАРАМЕТРОВ КМП интенсивность 30 длит такта 2*3 мс длит, паузы 0 мс част, модуляция 10 мс == АТРИБУТЫ == немодул/модул [ х ] положит. ( ] [ ] отрицат. [ | двухуровн.( ] = доп. инф F3 3 [Ок]
Методы и средства формирования сигналов 135 Клавиша F3 позволяет перейти к просмотру дополнительной ин- формации, единой для всего файла: — номер версии методики; — название файла-методики; — основное назначение; — количество тактов в методике. Изображение на экране при этом принимает вид, показанный на рис. 4.30. Данная информация также постоянно показывается в нижней строке экрана вне зависимости от режима работы. Выход из режима просмотра осуществляется с помощью клавиши «Esc». Из режима про- смотра дополнительной информации выход осуществляется в режим просмотра информации о тактах, поэтому требуется двукратное нажатие клавиши «Esc». Редактирование. Функция редактирования позволяет изменять параметры отдельных тактов и дополнительную информацию. Вызывается из режима «Про- смотр» нажатием клавиши «F4». Перемещение по основному полю ме- тодики осуществляется совместным нажатием клавиш Ctrl + (<—, ?, X, —>, PgUp, PgDn, End, Home). Выбор редактируемого параметра клавишами: («Tab», «Enter», X) — перемещение вниз; («Shift+ТаЬ», Т) — перемещение вверх. г. Рязань РГ РТА Муль-.имаг КЖ-ОЗ Выбрать методику Работа с методикой О программе Выход Для лечения: арт. вен. пат. верх krnpaOl ---|';Радняя 1 | I Такта 248 (мс) J-Jf гикта 4,0 (Гц) Время 15 мин. Просмотр интенсивность длит, такта kmpa 01 длит, паузы арт вен. пат. верх част, модуляции [Ок] ~ г-— . версия КМР имя файла ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПРОСМОТР ПАРАМЕТРОВКМП количество тактов б общее время процедуры назначение методики: == АТРИБУТЫ == иемодул./модул. [ х ] положит. [ ] [ ] отрицат. [ ] двухуровн [ ] = доп. инф F3 = [Ок] ей Рис. 4.30. Изображение на экране в режиме «Просмотр дополнительной информации»
136 Глава 4 Подтверждение изменений при редактировании осуществляется кла- вишами выбора параметров такта и клавишами перемещения между тактами. Отмена изменений в текущем редактировании осуществляется клавишей «Esc». Переход в режим редактирования дополнительной ин- формации осуществляется с помощью клавиши «F3». Выход из режима редактирования осуществляется клавишей «Esc». Из режима редактиро- вания дополнительной информации выход осуществляется в режим ре- дактирования информации о тактах. Из режима редактирования инфор- мации о тактах выход осуществляется в режим просмотра. При выходе из режима просмотра, если были произведены измене- ния в методике, программа предложит записать методику в файл с име- нем, указанным в «Дополнительной информации», как название мето- дики. В режиме редактирования строки: — клавиша «Ins» — переключает режим вставки-замены (первона- чально работа осуществляется в режиме замены); — Т, X, End, Home — перемещение по строке. Если не было нажато ни одной клавиши перемещения курсора, то перед вводом новой строки старая строка стирается. В режиме редактирования метода модулирования: — , Т, >1, —— выбор режима; — «Пробел» — смена режима. О программе. Информация о программе показывает: — версию программы; — организацию, обладающую авторскими правами на программу; — телефон, по которому вы можете высказать все свои пожелания и замечания, а также получить квалифицированную помощь в работе с программным продуктом. Работа с методикой. Данный режим является основным, предназначенным для запуска выбранной КМП и загрузки ее в силовой блок магнитотерапевтического аппарата «Мультимаг». При обращении к данному режиму (нажатием клавиши «Ввод») на экране возникает динамика перемещения одной ячейки поля (белого фона) по строке тактов в соответствии с заданными параметрами и запуск в работу силового блока магнитотерапевтического аппарата «Мультимаг» также в соответствии с заданными параметрами. В правом нижнем углу заполняется строка времени отпуска процедуры и по завершению ее заполнения включается звуковой сигнал конца процедуры. При нажатии любой клавиши звуковой сигнал прерывается. Столбец под названием «Отклонения» показывает соответствие установ- ленных уровней интенсивностей поля с действительными уровнями, ко- торые поступают из силового блока. Под столбцом «Отклонения» дается информация по усредненным значениям длительности тактов и средней частоты тактов включения. Преждевременно процедуру можно прервать клавишей «Esc».
Методы и средства формирования сигналов 137 Программное обеспечение комплекса «МК-03» продолжает совер- шенствоваться и, прежде всего, в плане расширения возможностей по модификации и созданию новых КМП. 4.7. Синхронизация магнитотерапевтического воздействия с биологическими ритмами Современные представления о механизмах лечебного действия сла- бых МП позволяют выдвинуть гипотезу о том, что в основе биоэнерго- информационной саморегуляции организма, как динамической системы, лежит принцип биорезонанса. Вследствие этого, используя биорезонанс- ный эффект, можно целенаправленно влиять на функциональное состо- яние организма в плане его ускоренного восстановления путем воздей- ствия определенными факторами и, в частности, слабыми магнитными полями. Точку зрения о том, что в основе лечебного воздействия магнитных полей лежит принцип биорезонанса, подтверждают исследования ряда зарубежных ученых (Н. S. Konig, Р. R. Popp, D. Snidtke, Н. Presman), в которых показана тесная взаимосвязь между магнитными полями и био- резонансными свойствами биологических систем. Ими доказывается, что электромагнитные колебания используются в биологических систе- мах как способ вне- и внутриклеточных взаимодействий. В этих иссле- дованиях отмечается важная роль колебаний ЭМП в переносе биологи- ческой информации, что позволяет биологическим системам оперативно реагировать на изменения внутренней и внешней среды. Анализируя выводы отечественных и зарубежных исследователей, можно заключить, что любой организм является структурой разнопороговых серий взаи- модействия систем и подсистем, которые гармонично настроены по отношению друг к другу с помощью когерентных электромагнитных частот. С точки зрения современной биоэнергетики, разбалансировка подобных гармонических частотных взаимодействий в биологической системе может приводить не только к функциональным нарушениям систем организма, но и к появлению тех или иных патологических изменений. Бегущая волна ИМП представляет собой ритмический процесс, ле- жащий в том же диапазоне частот, что и многие биологические ритмы. Синхронизация работы магнитотерапевтической аппаратуры (МТА) одним или несколькими биоритмами, например сердечным, существен- но изменяет характер воздействия на пациента. При этом возможны три режима запуска МТА. 7. Асинхронный режим. Частота работы МТА вырабатывается генератором Г по заданной программе (рис. 4.31, а). При определенных условиях физиологические ритмы подстраиваются к этой частоте и ее гармоникам (субгармоникам). 2. Синхронный режим.
138 Глава 4 Ритм работы МТА полностью определяется синхронизирующим рит- мом (сердечным, дыхательным и т.п.), определяемым датчиком Д, что позволяет производить терапевтическое воздействие в заданной фазе физиологического ритма (рис. 4.31, б). Недостатки такого способа свя- заны с нестационарностью синхронизирующих биологических процес- сов, поэтому сбои в ритмах, например, вследствие аритмии или арте- фактов движения из-за мгновенной обратной связи увеличивают общую нестабильность системы пациент—МТА. Рис. 4.31. Режимы запуска МТА 3. Режим с инерционной синхронизацией. Ритм работы МТА задается генератором, управляемым напряжением (ГУН), частота и фаза которого соответствуют синхронизирующему ритму пациента, определяемому датчиком Д (рис. 4.31, в). Это обеспе- чивается системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), включаю- щей кроме ГУН еще фазовый детектор ФД и фильтр низких частот ФНЧ. Благодаря ФНЧ отдельные сбои «игнорируются» и не нарушают ритма МТА. Более того, управляя фазовым сдвигом в контуре ФАПЧ, появляется возможность «подтягивать» физиологические ритмы к ста- бильной частоте генератора. Данный режим применяется редко из-за слабой исследованности и отсутствия математической модели воздейст- вия МТА на динамику физиологических ритмов, что вызывает трудности обеспечения устойчивости ФАПЧ. Рассмотрим вопросы создания датчиков для синхронизации МТА сердечным ритмом, являющимся наиболее значимым при магнитотера- певтическом воздействии на сердечно-сосудистую систему. Работа МТА связана с высоким уровнем электромагнитных помех, что затрудняет использование сигналов электрического напряжения, (электрокардио- граммы) или сопротивления (реограммы). Поэтому информацию о ра- боте сердца предпочтительнее получать с помощью физических величин и методов, слабо зависящих от электромагнитных полей. Это механи- ческие колебания сердца и сосудов — пульс (сейсмические методы), возникающие при этом шумы (акустические методы), изменение про- зрачности тканей в зависимости от кровенаполнения (фотометрические методы).
Методы и средства формирования сигналов 139 В автоматических измерителях пульса чаще всего используется фо- тометрический метод. Структурная схема фотометрического датчика по- казана на рис. 4.32. Палец или мочка уха пациента просвечивается излучением в свето- вом или инфракрасном диапазоне. Модулированное излучение воспри- нимает фотоприемник (фотодиод или фоторезистор). Далее сигнал уси- ливается усилителем У и поступает на устройство выделения пульса Рис. 4.32. Структурная схема фотометрического датчика пульса (УВП) для выработки импульса синхронизации. Авторами было разра- ботано и исследовано несколько типов таких датчиков, показана воз- можность их применения для синхронизации МТА, но обнаружен и ряд недостатков. У различных пациентов амплитуда полезного сигнала имеет значительный разброс из-за различной прозрачности кожи. Особенно слаб сигнал у больных с пониженным тонусом периферийных сосудов и часто оказывается ниже уровня помех от микродвижений и тремора. Слабый уровень сигнала требует специальных мер подавления помех от внешней засветки и наводок на фотоприемник, который, к тому же, сложно заэкранировать. В разработанных датчиках применялись гальва- ническая развязка, модуляция светового потока с синхронным детекти- рованием и фильтрация, что усложняет их схемы. Кроме того, исполь- зование фиксирующих зажимов на пальце или мочке уха сдавливает их в течение всей процедуры (5...20 минут) и раздражает пациента. И, наконец, недостатком является также то, что пульсовая волна в пери- ферических сосудах отстает во времени от сердечных сокращений, при- чем это отставание различно у различных пациентов. Были проведены также эксперименты по использованию акустичес- ких и сейсмических методов. Обнаружено, что максимум пульсовых колебаний лежит в диапазоне около 10...20 Гц, причем эти частоты лучше воспринимаются сейсмоприемником, чем микрофоном. Акустические колебания в звуковом диапазоне (тоны) слабы, имеют большой разброс по уровням и частоте и их сложно использовать при внешних звуковых помехах. Сейсмический же метод пригоден лишь для неподвижного па- циента (лежащего или сидящего), однако это как раз и обеспечивается при проведении магнитотерапевтических процедур. При этом сейсмо- датчик кладется на область сердца пациента, где максимальна амплитуда пульсовых колебаний. Структурная схема сейсмического датчика пульса приведена на рис. 4.33.
140 Глава 4 Сейсмоприемник представляет собой немагнитный (свинцовый) грузик на упругих элементах с демпфированием, связанный с преобра- зователем колебаний в электрический сигнал. Это может быть пьезо-, фото-, емкостной преобразователь или преобразователь другого типа, не использующий магнитного поля. Удобно оказалось использовать труб- чатый пьезокристалл ЭП4Т-2, а в качестве элемента связи применялась упругая трубка, исключающая поломку пьезокристалла при резких уда- Рис. 4.33. Структурная схема сейсмического датчика пульса рах. Сигнал U(t) (пульсограмма) усиливается усилителем У и детекти- руется двухполупериодным детектором ДД, необходимость которого свя- зана с неопределенностью начального положения датчика и, соответст- венно, начальной полярности сигнала. Устройство выделения пульса УВП преобразует аналоговый сигнал в импульс запуска и представляет собой в простейшем случае пороговое устройство. Типовая пульсограмма с сейсмического датчика U(t) представляет собой сигнал с нестабильной амплитудой и постоянной составляющей, имеющий, как правило, два максимума за период сердечных сокращений (рис. 4.34). В таких условиях простое пороговое устройство может давать сбои из-за дрейфа постоянной составляющей, изменения амплитуды и нали- чия второго максимума. Пульс Пропуск импульсов —к Рис. 4.34. Типовая пульсограмма с сейсмического датчика Для устранения ложных срабатываний при сохранении высокой чув- ствительности можно использовать временную селекцию: блокировку устройства на время 0,1...0,3 с после срабатывания. Схема простого устройства, сочетающего свойства гистерезиса с временной селекцией, показана на рис. 4.35, а, а ее временные диаграммы приведены на
Методы и средства формирования сигналов 141 рис. 4.35, б. Компаратор К с резисторами Rl, R3 образует триггер Шмит- та с величиной гистерезиса Ur = UBbIX [Rl/(Rl+R3)]. Добавление в по- ложительную обратную связь цепи R2,C формирует экспоненциально затухающий импульс, складывающийся с порогом. Благодаря этому уст- ройство нечувствительно к сигналу запуска, пока напряжение на неин- вертирующем входе компаратора UH не уменьшится, как это показано на временной диаграмме рис. 4.35. Рис. 4.35. УВП с экспоненциальным порогом Более высокое качество выделения сигнала пульса по сравнению с устройством с экспоненциально изменяющимся порогом обеспечивает УВП на основе пикового детектора, функциональная схема и временные диаграммы которого приведены на рис. 4.36, а и 4.36, б соответственно. Рис. 4.36. УВП на основе пикового детектора
142 Глава 4 Пиковый детектор построен на основе инвертирующего усилителя У, диодов VD1, VD2, конденсатора С и высокоомных резисторов R1, R2. Конденсатор С заряжается при превышении сигналом напряжения на нем, т. е. начальный порог срабатывания определяется амплитудой предыдущей пульсовой волны. Ток заряда конденсатора С вызывает падение напряжения на резисторе R3 и срабатывание компаратора К. Напряжение с компаратора UK запускает одновибратор блокировки ОВ. Во время действия блокировки диод VD3 закрыт высоким уровнем вы- ходного напряжения и конденсатор разряжается медленно через резистор R2. После окончания блокировки емкость начинает разряжаться через диод VD3 и резистор R4, быстро уменьшая порог срабатывания. Это позволяет выделить сигналы пульса даже при значительном разбросе их амплитуд. На основе описанных устройств разработан датчик пульса, представ- ляющий собой пьезоэлектрический сейсмопреобразователь (габариты 50x40x15 мм), связанный экранированным кабелем длиной 2,5 м с элек- тронным блоком (габариты 80x75x25 мм), который, в свою очередь, подключается к МТА. На электронном блоке имеется светодиод, инди- цирующий удары пульса. Диапазон надежной регистрации пульса со- ставляет 50... 100 ударов в минуту. При частоте ниже 50 уд/мин возрастает вероятность срабатывания по второму максимуму, а выше 100 уд/мин — вероятность пропуска импульсов. Диапазон напряжений питания 10... 15 В, потребляемый ток составляет 25...50 мА, выходной сигнал — ТТЛ уровня. 4.8. Биотехническая обратная связь в системах магнитотерапии Приведенные в предыдущих разделах данные свидетельствуют о том, что магнитное поле, как воздействующий физический фактор, является достаточно сильным стимулятором, на действия которого реагируют все функциональные системы организма и, в первую очередь, — центральная нервная система, сердечно-сосудистая система, система крови, эндо- кринная система. Суммарный эффект воздействия МП на живой организм описать в виде физической или математической модели на сегодняшний день не представляется возможным. Задача усложняется тем, что каждый паци- ент — это уникальный организм и лечить или оздоравливать его при помощи такого мощного инструмента с широким спектром действия, как искусственная полимагнитная система, представляется возможным лишь при достоверных измерениях и контроле соответствия параметров МП параметрам состояния пациента. Поэтому определить закон соот- ветствия в настоящее время возможно только эмпирическим путем. В природе действует правило: чем острее, интенсивнее инструментарий воздействия, тем точнее, более выверенными должны быть действия по
Методы и средства формирования сигналов 143 его использованию, т.е. информативнее должно быть измерение состо- яния объекта воздействия. Обработка большого числа информационных данных ориентирована на получение такой «дозировки» воздействия инструментом, которая создавала бы в различных фазах лечебно-восстановительного процесса положительный градиент состояния — терапевтический эффект в лече- нии и восстановлении запасов здоровья. Решение этой задачи в условиях реального времени, отводимого для лечебно-восстановительных меро- приятий, врачу, не вооруженному высокоэффективной техникой обра- ботки информации, становится невозможным. В связи с этим компью- теризация магнитотерапии является необходимым процессом в силу того, что врачу, как лицу, принимающему решение о тактике лечения или восстановления, необходима высокая информовооруженность, важ- ной компонентой которой является наличие накапливаемой информа- ции об индивидуальных особенностях организма пациента, в том числе и тех, которые проявляются как результат воздействия МП. Человек живет и действует в среде, содержащей множество одно- временно воздействующих стрессовых факторов. Создать же условия, при которых можно было бы однозначно определить реакцию только на действие МП, практически нереально. Следовательно, можно гово- рить о выделении «фоновой» составляющей, не относящейся к магнит- ному воздействию. Однако это требует еще большей интеллектуализации компьютерных алгоритмов, а сама магнитотерапия становится в ряд интеллектуальных технологий с личностно-ориентированной стратегией в проведении лечебно-восстановительных мероприятий [10, 12, 14]. Основой такой технологии является биотехническая обратная связь, с помощью которой биологический объект, на который осуществляется воздействие, приводится в состояние, близкое к «норме». На рис. 4.37 представлена обобщенная структура системы комплексной магнитотера- пии, которая реализует в качестве основного управляемого воздейст- вия — воздействие низкочастотным импульсным бегущим магнитным полем, охватывающим весь организм пациента (индивидуума) [10, 14]. Схема включает следующие основные блоки: ТСН — типовые сред- ства измерения и диагностики (электрокардиограф, реограф, измеритель давления, термометр и др.); ЭБ — электронный блок, вырабатывающий заданную форму и последовательность электрических сигналов для уп- равления магнитосканом; ПУСИ — специальные помехоустойчивые средства измерения (в условиях действия сильных электромагнитных помех); ЭКА — блок экспресс-анализа; П — носимая персональная измерительно-диагностическая система. На схеме можно выделить три цепи обратной связи или три контура управления: I, II, III с различными постоянными времени тр т2 и т3. Первый контур управляет процессом оптимизации уровня здоровья во время сеанса магнитного воздействия. Он характеризуется малой посто- янной времени т1 (секунды, минуты) и сложной системой критериев оптимизации. Получение максимального эффекта в данный момент вре-
144 Глава 4 оценка уровня здоровья Сеанс Несколько сеансов Весь цикл оптимизации (восстановления) Рис. 4.37. Обобщенная структура системы комплексной магнитотерапии мени еще не означает достижения глобального экстремума оптимизиру- емого уровня здоровья и его сохранение на длительное время. Второй контур управления включается через несколько процедур (несколько суток) и базируется на устойчивых, накапливаемых измене- ниях в показателях здоровья и их сочетаниях. Он функционирует до завершения всего цикла восстановления или оптимизации уровня здо- ровья, после чего индивидуум переходит к обычному образу жизни, а носимая персональная измерительно-диагностическая система реализует третий, самый медленно действующий контур обратной связи. Посту- пающая от персональной системы П информация показывает динамику изменения запаса здоровья за счет накопления резервов и проявления отдаленных эффектов. В то же время в носимой системе П из базы знаний корректируется персональная модель здоровья индивидуума. Врач, общаясь с такой системой, на основе собственного опыта и пред- ложенных системой альтернатив, принимает решение о плане проведе- ния лечебно-восстановительного процесса, стратегии и тактике его ре- ализации. При этом он имеет возможность обратиться в базу знаний и получить всю информацию о конкретном пациенте. Таким образом, с компьютеризацией магнитотерапии, с накоплением и оперативной об- работкой большого клинического материала становится возможной ор-
Методы и средства формирования сигналов 145 ганизация личностно-ориентированного, индивидуализированного про- цесса лечения и восстановления. При использовании магнитотерапевтических методов лечения, как и любых других, необходим контроль за ответными реакциями организма на воздействия. В этом смысле можно выделить два типа изменений, происходящих в организме: на макроуровне, которые накапливаются в течение длительного времени в результате применения нескольких про- цедур лечения, и реакции, возникающие непосредственно в ходе сеанса магнитотерапии. Изменения первой группы на уровне систем организма (нервная, эндокринная, сердечно-сосудистая и др.) и органов исследу- ются с помощью традиционных методов медицины с использованием аналитических приборов и систем (микроскопические исследования, анализы, общая диагностика и т.п.). Результаты таких исследований позволяют судить о ходе лечения, его эффективности, дают возможность врачу на основе его опыта корректировать параметры магнитного поля (интенсивность, частота, экспозиция и др.), принимать решение о про- должении или прекращении сеансов лечения. Изменения второй группы связаны с реакциями организма в течение короткого времени (непосредственно в ходе сеанса магнитотерапии). В связи с этим возникают две задачи: узкая — отследить внезапное ухуд- шение состояния больного, и, более широкая, — по изменениям обоб- щенных показателей организма скорректировать параметры магнитного поля с целью обеспечения наибольшей эффективности воздействия. Хотя в целом в практике магнитотерапии резко отрицательного влияния магнитного поля на организм человека, вызывающего предельные со- стояния (шок, инфаркт, гипертонический криз и пр.) не замечено, ве- роятность таких проявлений остается, причем совсем необязательно от воздействия магнитного поля, а в силу множества других причин. Поэ- тому очень важным становится вопрос текущего контроля состояния пациента во время сеанса магнитотерапии. В качестве обобщенных могут быть использованы обшетерапевтические показатели: артериальное дав- ление, температура, параметры ЭКГ и электроэнцефалограммы, рео- граммы, в особенности биологически активных точек [152] и др. Таким образом, становится актуальным создание автоматизированного измери- тельно-диагностически-терапевтического комплекса, способного выра- батывать магнитные поля с заданным набором управляемых параметров, вести непрерывный контроль жизненно важных показателей пациента, осуществлять экспресс-диагностику и прогнозирование его состояния, изменять режимы воздействий по заданным алгоритмам и их продол- жительность, вплоть до отключения магнитного поля при ухудшении состояния пациента. Для практической реализации может быть использована структурная схема комплекса, изображенная на рис. 4.38 [2, 12]. На схеме обозначено: Д1 — группа датчиков для снятия показателей жизнедеятельности человека, Д2 — датчики для измерения реальных параметров магнитного поля в аппарате, ДЗ — датчики биоритмов па- циента, ИДС — измерительно-диагностическая система.
146 Глава 4 Рис. 4.38. Структура магнитотерапевтического комплекса с биотехнической обратной связью Если в рассматриваемом комплексе исключить ПЭВМ, то получится разомкнутая система со средствами диагностики и ручным управлением, где основная нагрузка по слежению за показателями и принятию реше- ний ложится на врача. При наличии в составе комплекса ПЭВМ система становится замкнутой с биотехнической обратной связью, где получение основных информационных потоков первичной информации и управ- ление параметрами поля автоматизировано, но, безусловно, под общим контролем врача. В заключение необходимо отметить, что магнитотерапевтические комплексы семейств «Аврора МК» и »Мультимаг МК» постоянно об- новляются и совершенствуются как по пути создания новых конфигу- раций магнитных полей и способов управления ими, так и по пути оптимизации параметров излучателей, конструкций магнитосканов и их электронных блоков [153-155].
Глава 5 ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕС- КИЕ МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ МАГНИТОТЕРАПИИ 5.1. Особенности измерений и диагностики в комплексной магнитотерапии Контроль за отпуском процедур магнитотерапии, а также объектив- ная оценка результатов лечения требуют проведения операций измере- ния параметров магнитного поля и ряда физиологических показателей организма пациента. Выбор числа и номенклатуры физиологических параметров определяется существующим на сегодняшний день представ- лением о механизме воздействия магнитного поля на биологический объект и спецификой заболевания. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный ма- териал, свидетельствующий о том, что магнитные поля активно влияют на биологические процессы в живых тканях. Однако теория этого вза- имодействия еще находится в стадии становления, поэтому выбор диа- гностируемых параметров базируется на некоторой концептуальной мо- дели, в основу которой положены следующие постулаты: 1) человеческий организм представляет собой открытую систему; 2) за основу функционирования и характеров ответов на магнитное воздействие принимаются принципы адаптации и законы гомеостаза; 3) при внешнем воздействии наблюдается значительная инерцион- ность компенсаторной реакции; 4) имеется пороговое значение внешнего воздействия, приводящее к возникновению компенсаторной реакции; 5) существует определенная зависимость компенсаторной реакции от интенсивности внешнего воздействия; 6) организм обладает памятью на внешнее воздействие, накапли- вающей изменения характеристик при повторных воздействиях; 7) имеется минимальное число параметров, достаточное для описа- ния ответа на любое внешнее воздействие. Изложенные принципы являются достаточно общими, но, в то же время, они формируют определенные требования к выбору методик из- мерения, алгоритмов обработки информации и диагностирования. Особенностью применения аппаратов магнитотерапии является то, что в клинической практике наблюдаются значительные различия в ин- тенсивностях применяемых полей и дозировках процедур. Естественно,
148 Глава 5 достижение наибольшего терапевтического эффекта возможно только при знании реакций пациента на воздействие магнитным полем и кон- троле за ходом лечения. Таким образом, вырисовываются три возможности использования измерительной аппаратуры при магнитотерапии: — предварительная оценка магнитотропной реакции пациента; — оперативный контроль состояния пациента при отпуске проце- дуры; — оценка состояния пациента до лечения и результатов лечения в течение длительного времени. Предварительная оценка магнитотропных реакций пациента прово- дится по методике, разработанной в институте клинической и экспери- ментальной медицины СО АМН СССР в 1989 г. Согласно этой методике [127] у пациента определяются исходные значения артериального дав- ления, показатели электропроводности в определенных биологически активных точках и значения кожной температуры. После двукратных замеров каждого показателя дается магнитная нагрузка. К подошвенной поверхности стопы подводятся индукторы, генерирующие постоянное магнитное поле с максимальной индукцией 28...33 мТл. На ушной ра- ковине устанавливаются магнитные наушники с эластичными постоян- ными магнитами. В течение 10 минут воздействия магнитного поля проводят три серии измерений физиологических показателей. Количе- ственная оценка реакции определяется по степени изменения каждого показателя в определенных заданных пределах и исчисляется по 3-х бальной системе. В зависимости от набранного числа баллов произво- дится оценка реакции пациента: высокая, средняя и низкая. Такая оцен- ка выраженности магнитотропных реакций позволяет отбирать больных для магнитотерапии и осуществлять персонализацию методики лечения. Опыт работы с установками магнитотерапии показал, что индиви- дуальная оценка магниточувствительности может производиться и по более упрощенной методике. В [127] предложено проводить измерение лишь одного артериального давления при наложении на мочку уха па- циента магнитных клипс, формирующих постоянное магнитное поле с индукцией 50+10 мТл, и прикладывании к ладоням и подошвам посто- янных магнитов, дающих поле с индукцией 35±5 мТл. Продолжитель- ность магнитного воздействия составляет 5 мин. В результате у пациента может наблюдаться снижение артериального давления в пределах 5...25 мм рт. ст. Подобная упрощенная методика также позволяет классифи- цировать пациентов по трем группам магниточувствительности. Оценка состояния пациента и измерение его физиологических пара- метров на этапе изучения реакции и результатов лечения может быть выполнена стандартной медицинской измерительно-диагностической аппаратурой, и особых проблем при этом, как правило, не возникает (см. 5.4). Значительно сложнее решается вторая задача — контроль состояния пациента во время отпуска процедуры и реализация на этой основе
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 149 биотехнической обратной связи. В данном случае работа многих стан- дартных средств измерения осложняется или становится вообще невоз- можной из-за сильных помех, создаваемых воздействующими магнит- ными полями и электронными блоками управления магнитосканом. Проведенные детальные измерения уровня сетевых и радиопомех, со- здаваемых аппаратом «Аврора МК-01», показали наличие электромаг- нитного излучения с интенсивностью, близкой к предельно допустимым нормам помех для радиоаппаратуры в широком диапазоне частот 0,015...80 МГц. Наличие такого паразитного излучения объясняется ком- мутацией мощных токов в индукторах магнитотерапевтического аппара- та. Высокий уровень создаваемых системами магнитотерапии помех ста- вит под сомнение саму возможность использования измерительной и диагностической аппаратуры во время лечебного сеанса. Изложенное выше указывает на необходимость создания специали- зированных измерительно-диагностических устройств, обладающих вы- сокой помехозащищенностью, а также применения специальных мате- матических методов компьютерной обработки информации. 5.2. Магнитные измерения в магнитотерапии При создании средств измерения параметров магнитных полей, от- вечающих требованиям комплексной магнитотерапии, необходимо учи- тывать специфические особенности, присущие рассматриваемой задаче. Во-первых, это связано с необходимостью визуализации неоднородного объемно распределенного магнитного поля, которая предполагает орга- низацию многомерной измерительной процедуры (по нескольким коор- динатам) с требуемым разрешением, дискретностью и ориентацией, что заставляет осуществлять множество измерений во множестве точек за- данного объема. Во-вторых, для обработки больших массивов измери- тельной информации с целью получения изображения распределения МП требуется выполнение множества вычислительных операций по за- данным алгоритмам. И, кроме того, необходимо обеспечить повторяе- мость результатов, т.е. обеспечить заданную точность в одних и тех же точках при периодических повторных измерениях. Реализация вышеуказанных требований значительно расширяет функциональные возможности аппаратуры, при этом появляется гиб- кость в управлении, в установке параметров и режимов работы, повы- шается уровень, оперативность и качество приема, хранения, обработки и представления больших массивов измерительной информации. Учи- тывая общие подходы и тенденции в развитии измерительной техники, а также сложность и многофакторность решаемой задачи, магнитоизме- рительные системы для комплексной магнитотерапии строятся на основе ПЭВМ. Основными компонентами подобных систем, обеспечивающими их метрологические характеристики, являются магниточувствительные элементы и преобразователи, особым образом организованные в соот- ветствии с системным принципом.
150 Глава 5 5.2.1. Магниточувствительные элементы и преобразователи Основным элементом, обеспечивающим метрологические характе- ристики измерителя МП, является магниточувствительный преобразо- ватель, выбор которого определяет также и измерительную схему, эле- менты управления и условия работы. Принято сравнивать датчики МП по четырем информационным показателям: 1. Чувствительность или совокупность его коэффициентов преобра- зования. Последние могут быть найдены, если известно уравнение пре- образования q = f(m), где m и q — информативные параметры входного и выходного сигналов соответственно. Если q — магнитная индукция, ат — электрическое напряжение или частота, то оценка коэффициентов преобразования должна производиться в вольтах на теслу (В/Тл) или герцах на теслу (Гц/Тл). 2. Порог чувствительности, который выражается в единицах изме- ряемой величины и вполне характеризует предельные возможности пре- образователей. Логично считать пороговым значением измеряемой ве- личины такое, при котором обеспечивается отношение сигнал-шум, рав- ное единице. 3. Ориентационная зависимость, свойственная для измерительных преобразователей параметров векторных величин, обычно представляет- ся диаграммами направленности, т.е. зависимостью q(a), где a — угол поворота преобразователя при неизменных положении и значении век- тора В в заданной плоскости относительно некоторого начального на- правления. Мерой чувствительности преобразователя к изменению его ориентации относительно проекции вектора В на плоскость вращения преобразователя, является дифференциальный коэффициент преобразо- вания dq/da. 4. Разрешающая способность выступает здесь в виде некоего обоб- щенного показателя, характеризующего информационные возможности средства измерения (СИ) в зависимости от его погрешностей и ширины рабочего диапазона. Если представить функцию преобразования СИ q = f(m) условно линией, ограниченной с двух сторон зоной неопреде- ленности (последняя вызвана наличием случайной составляющей по- грешности СИ), и проквантовать ее в пределах зоны, то число уровней квантования будет зависеть от ширины зоны неопределенности и рабо- чего диапазона. Чем уже зона и шире диапазон, тем количество разли- чимых градаций больше, т.е. выше разрешающая способность. Указанные показатели [156] наиболее полно отражают общие, а также специфические свойства и параметры разнообразных магниточув- ствительных преобразователей (МЧП). В настоящее время промышлен- ностью выпускается большой парк магнитоизмерительной техники, ос- нованной на различных физических явлениях и эффектах [157]. Для сравнительного анализа существующих МЧП воспользуемся классифи- кацией преобразователей по виду используемого физического явления или эффекта, объединяя их в группы, которые связаны общим призна- ком.
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 151 Принцип действия известных МЧП подчиняется трем основным свойствам магнитного поля, проявляющего себя как силовое взаимодей- ствие с: а) заряженными элементарными частицами; б) элементами тока; в) контурами тока. Учитывая, что главной характеристикой МП является вектор магнитной индукции, можно выделить МЧП в три группы по следующим признакам. 1. В первую группу входят МЧП, протекающие процессы в которых основаны на силовом взаимодействии тел или частиц, обладающих маг- нитным моментом, с измеряемым полем. Обобщенное уравнение пре- образования для них можно записать выражением в векторной форме: М = Рм В, (5.1) где М — механический момент тел или частиц; Рм — суммарный маг- нитный момент; В — вектор измеряемой магнитной индукции. К данной группе относят магнитомеханические и квантовые преоб- разователи. Первые из них в качестве чувствительного элемента содержат магнитное тело (постоянный магнит или катушка с током). Реакция на внешнее магнитное поле у них проявляется в виде механического дви- жения тела (вращения, вибрации, качания, перемещения или изменения геометрических размеров — магнитострикции). Квантовые преобразователи содержат в качестве чувствительного элемента рабочее вещество, поглощающее или излучающее электромаг- нитную энергию на некоторой частоте, зависящей от значения индукции МП. В уравнение преобразования в этом случае входят Рм = Щ — суммарный магнитный момент вещества (щ — магнитный момент одной частицы) и у — гиромагнитное отношение частицы. Об измеряемом значении модуля магнитной индукции В = |В| обычно судят по частоте прецессии вектора Рм вокруг вектора В, т. е. по значению сор = у-В [158]. В зависимости от природы частиц различают электронные, ядерные и атомные прецессионные преобразователи. 2. Ко второй группе относят МЧП, протекающие процессы в кото- рых так или иначе связаны с законом электромагнитной индукции. Они реагируют на магнитный поток Ф, который служит интегральной харак- теристикой МП: Ф = jB-dS . (5.2) s Поскольку в качестве чувствительного элемента потока может быть использован только контур, то выходной величиной в них является наведенная э.д.с. в контуре при изменении его потокосцепления с МП во времени. Обобщенное уравнение преобразования представляется в виде: е = - = - 4^ fB dS^ • (53) at \ at / at J \ s 7 где у — полный магнитный поток или потокосцепление; Ф — маг- нитный поток, пронизывающий контур; со — число витков контура;
152 Глава 5 S — вектор площади, ограниченной контуром; В — вектор магнитной индукции; t — время. Различают индукционные, ферромодуляционные МЧП, а также пре- образователи, основанные на эффектах сверхпроводимости. Индукционные преобразователи содержат в качестве чувствительно- го элемента катушку. Если измеряемое МП постоянно, то э.д.с. возни- кает за счет изменения во времени эффективной площади контура (путем вращения, вибрации, перемещения катушки или модуляции ее размеров — электрострикции) и пропорциональна скорости этих изме- нений, то есть производной dS/dt. Величину S считают основным пара- метром контура. Ферромодуляционные преобразователи являются индукционными ц - типа, в которых за счет внешней энергии осуществляется модуляция (воз- буждение) магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника, охва- ченного катушкой. Выходная э.д.с. в нем при постоянстве измеряемой индукции пропорциональна производной dp/dt, где ц — параметр маг- нитной цепи преобразователя, зависящий от напряженности МП — Н. Преобразователи, основанные на эффектах сверхпроводимости, имеют выходную величину либо в виде э.д.с., возникающей в контуре, охватывающем тело, которое может переходить из обычного состояния в сверхпроводящее и обратно, либо в виде напряжения на переходах, обладающих свойствами переходов Джозефсона [156]. Измерительные преобразователи, применяемые в приборах, представляют собой сверх- проводящее кольцо с двумя (для постоянного тока) или одним (для переменного тока) джозефсоновскими переходами (туннельными кон- тактами). 3. Третью группу МЧП составляют датчики, протекающие процессы в которых связаны с силовым действием МП на движущиеся в провод- никах и полупроводниках заряженные частицы. В результате взаимодей- ствия образуются две, противоположные по направлению, силы. Одна из них, сила Лоренца, искривляет траекторию движения носителей за- ряда и тем самым создает разность потенциалов на боковых гранях проводника. Другая сила вызвана образованием электрического поля (э.д.с. Холла) между теми же гранями проводника и действует на заря- женные частицы в противоположном направлении. Таким образом, про- цесс накопления носителей зарядов на боковых гранях проводника будет продолжаться до тех пор, пока действие электрического поля Холла не уравновесит действие силы Лоренца. Условие равновесия и определяет обобщенное уравнение преобразования третьей группы МЧП в вектор- ной форме: Е = V В, (5.4) где Е — вектор электрического поля Холла; V — вектор скорости но- сителей заряда (электронов или дырок). К третьей группе МЧП относят преобразователи, объединенные общим названием — гальваномагнитные. В зависимости от происходя- щих изменений в полупроводниковых структурах, связанных с воздей-
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 153 ствием МП на движущиеся заряженные частицы (изменение проводи- мости, подвижности, концентрации, равновесного состояния носителей заряда), различают и используют в магнитоэлектронике следующие галь- ваномагнитные эффекты: эффект Холла — возникновение поперечной разности потенциалов при прохождении электрического тока в попере- чном ему МП; эффект магнитосопротивления — возрастание сопротив- ления полупроводника в МП; эффект Суля — отклонение линий тока инжектированных носителей в МП к одной из граней полупроводника; гальваномагниторекомбинационный эффект — изменение концентрации носителей при прохождении тока в поперечном МП в полупроводнике со смешанной проводимостью вследствие изменения роли поверхностей рекомбинации; магнитодиодный эффект — изменение в МП неравно- весной проводимости полупроводниковых структур с большим по срав- нению с длиной диффузионного смещения расстоянием от инжектиру- ющего контакта до неактивного. Известны и другие гальваномагнитные явления, не нашедшие еще должного практического использования. Поскольку все названные эффекты наблюдаются в полупроводни- ках, которые являются основой твердотельной микроэлектроники с ос- военными и развитыми интегральными технологиями, то данная группа МЧП получила наиболее широкое применение в различной электронной технике. Серийно изготавливаются и используются при разработке магнито- метрической аппаратуры стандартные (унифицированные) ряды гальва- номагнитных преобразователей: датчики Холла, магниторезисторы, маг- нитодиоды, магнитотранзисторы, магнитотиристоры, магниточувстви- тельные интегральные микросхемы [159]. Следует отметить, что в большинстве рассмотренных преобразова- телей одновременно в той или иной мере могут возникать несколько или же все известные гальваномагнитные эффекты. Вместе с тем спе- цифические особенности преобразователей, например конструктивные, способствуют наиболее сильному проявлению одного из эффектов. В качестве яркой иллюстрации функциональных и метрологических возможностей, а также перспектив развития представителей МЧП тре- тьей группы, приведем характеристики и структуру магниточувствитель- ной микросхемы (МЧМ), изготовленной по КМОП-технологии с поли- кремниевым затвором. Магниточувствительным элементом в ней служит латеральный параллельно-полосковый биполярный магнитотранзистор с планарной осью магнитной чувствительности. Сочетание достоинств К МОП-технологии с высокой чувствительностью магнитотранзистора обеспечивает превосходство характеристик и. параметров микросхемы над известными приборами на эффекте Холла [160] и характеризуется: — малым током потребления; — сверхвысокой чувствительностью к МП; — возможностью программной установки значений магнитной ин- дукции срабатывания и ширины гистерезиса; — экстермостабильностью магнитных характеристик микросхемы;
154 Глава 5 — многорежимностью (предусмотрены варианты нормально закры- тых и открытых микросхем, работающих в прямом, инверсном, биполярном режимах управления МП). В табл. 5.1 приведены основные параметры, а на рис. 5.1 — структура магниточувствительной микросхемы. Таблица 5.1 Основные параметры МЧМ Диапазон измерения магнитной индукции, мТл 0...15 Шаг настройки индукции срабатывания, мТл 0,7... 1,0 Ширина гистерезиса, мТл 1,0...2,0 Вытекающий выходной ток, мА 5 Температурный коэффициент индукции срабатывания, мТл/K 0,1 Температурный коэффициент ширины гистерезиса, мТл/К 0,01 Диапазон рабочих температур, °C -20...+85 Напряжение питания, В 5... 12 Ток потребления, мА 0,2... 1,2 На схеме обозначено: ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь формирования фиксированного напряжения настройки индукции сра- батывания; ДМП — датчик магнитного поля; ОУ — операционный уси- литель; ТКУ — транзисторный каскад усиления (выходной p-МОП тран- зистор); ИОН — источник опорного напряжения. Входы МЧМ: 2°...23 — четырехразрядный двоичный код, подаваемый на ЦАП для настройки индукции срабатывания; R — вход сдвига кодовой настройки индукции срабатывания. Существующие в настоящее время методы исследования и контроля параметров МП основаны на последовательном сканировании рабочего объема возле магнитных объектов (МО) путем перемещения измеритель- ного зонда с одиночным преобразователем Холла (ПХ), а при оператив- ном контроле параметров МО — с помощью зонда, содержащего неко- торое число дискретных ПХ, расположенных заданным образом. Оба способа несовершенны, т. к. отличаются высокой трудоемкостью и не- достаточной достоверностью при оценке распределения МП и его ло- кальных неоднородностей. Поэтому для исследования параметров МО Рис. 5.1. Структура МЧМ
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 155 с высокой разрешающей способностью и оперативного контроля с вы- сокой точностью рекомендуется использовать многоэлементные ПХ в виде матриц. Такие преобразователи изготовляются по тонкопленочной технологии на основе гетероэпитаксиальных структур антимонида индия (161]. Предложены структуры микросхем для топографирования МП, пере- секающего плоскость, позволяющие одновременно измерять магнитную индукцию в тысячах точек, а затем выдавать результат в виде телевизи- онного сигнала. Разработаны новые детекторы состояния МП (ДСМП), в основе которых лежат принципы функционирования и технология приборов с зарядовой связью (ПЗС), совмещенные конструктивно с гальваномагнитными элементами. В результате такого сочетания достиг- нуты: повышенная магнитная чувствительность, способность запомина- ния результата измерения, возможность управления детектором и про- стой коммутации выходных цепей без применения дополнительных электронных ключей, высокое быстродействие и точность регистрации. Оригинальны и заслуживают внимания отдельные варианты исполнения ДСМП [162, 163]. В основе первого варианта детектора ДСМП1 лежит прибор с заря- довой связью, у которого расщеплен на две симметричные части при- нимающий электрод (рис. 5.2). При трансляции заряда q в зависимости от величины и направления МП с индукцией В, перпендикулярного плоскости детектора, происхо- дит перераспределение генерируемого заряда между принимающими электродами. В результате информацию о величине и направлении несет разность зарядов под принимающими электродами. Магниточувстви- тельность £ ДСМП1 определяется выражением: ; = 2v//b, <5-5) где v — подвижность электронов; / и b — конструктивные параметры. ДСМП может быть использован и для линейного измерения маг- нитной индукции. Симметрия прибора позволяет ослабить влияние на результат измерения свойственных ПЗС паразитных явлений. В основе второго варианта де- тектора ДСМП2 лежит полевой магнитотранзистор, конструкция которого представлена на рис. 5.3. Удаленность канала проводи- мости от поверхности полупро- водника в полевом транзисторе со встроенным каналом или с уп- равляющим р-n переходом гаран- тирует сохранение высокой по- движности заряда, что уже при- водит к увеличению напряжения Рис. 5.2. Детектор ДСМП 1 на приборе с зарядовой связью
156 Глава 5 Рис. 5.3. ДСМП2 на основе полевого магнитотранзистора Холла. А если электроды Холла расположить вблизи «горловины» канала, то ДСМП2 обеспечивает теоре- тически максимальное на- пряжение Холла, которое до- стижимо в обычных датчиках Холла только в импульсном режиме: Ux = bBVHac, где VHac — максимальная ско- рость носителей .заряда в ка- нале. Наличие затвора позво- ляет удобно управлять ДСМП2. Анализ магниточувствительных преобразователей названных клас- сов, выпускаемых промышленностью, показал, что для задач магнито- терапии подходят лишь гальваномагнитные и индукционные. Основны- ми критериями при анализе послужили следующие признаки: а) габа- ритные размеры преобразователя; б) диапазон измеряемых значений индукции В (10“7...10-1 Тл); в) непосредственная электрическая совмес- тимость с элементами электронной аппаратуры; г) отсутствие особых условий работы. Широкое развитие интегральных технологий и тенденция к микро- миниатюризации делают предпочтительным использование в магнито- измерительной аппаратуре гальваномагнитных датчиков и МЧМ. Построение микродатчиков на основе интегральной технологии, не- посредственно сопряженных с электронной схемой и образующих еди- ную функциональную схему, расположенную на одной общей подложке, имеет целый ряд преимуществ, к которым относятся: а) более низкая стоимость; б) повышенная надежность работы за счет устранения промежуточ- ных соединений; в) повышенная температурная стабильность; г) высокое значение выходного сигнала, позволяющее без дополни- тельного усиления использовать его в практических схемах; д) устраняется проблема борьбы с наводками, поскольку датчик и усилитель находятся на одной подложке, а это приводит к устранению длинных соединительных проводников. Весьма существенным также является то обстоятельство, что интег- ральные схемы на гальваномагнитных датчиках непосредственно сопря- гаются со стандартными элементами других схем: как с ДТЛ, так и с ТТЛ, причем источник питания у них общий с напряжением +5 В. 5.2.2. Магнитоизмерительные системы Поскольку МП — это пространственное энергетическое явление, то для его регистрации и представления необходимы многоточечные объ-
Измерительно-диагнос гические методы и аппаратура 157 емные измерения. Учитывая различную степень неоднородности МП промышленных аппаратов магнитотерапии, накладывается еще одно тре- бование по пространственной разрешающей способности. Реализовать поставленную задачу можно путем построения магни- точувствительного узла в виде матрицы из датчиков Холла или магни- торезисторов. Однако подобные преобразователи на сегодняшний день имеют малую чувствительность и малые значения амплитуды сигнала на выходе. Указанные недостатки можно обойти применением магни- тодиодов или магнитотранзисторов в качестве магниточувствительного элемента матрицы. В этом случае можно рассмотреть один из вариантов структурной схемы магнитовизора, представленного на рис. 5.4. В ее состав входят: пространственный измерительный преобразова- тель ПИП; магниточувствительный узел МЧУ; коммутатор информаци- онных сигналов К; управляемый усилитель УУ; блок развертки БР; уст- ройство аналогового ввода УАВ; персональная ЭВМ (ПЭВМ) с видео- контрольным устройством (ВКУ); шаговый двигатель ШД. Принцип действия преобразователя заключается в следующем. Под- вергающееся контролю и измерению рабочее пространство вокруг маг- нитного излучателя МИ, создающего неоднородное MIL разбивается на ряд сечений. Каждое сечение представлено двухкоординатной плоскос- тью матрицы N • М элементов магниточувствительного узла МЧУ (рис. 5.5). Рис. 5.4. Структура магнитоизмерительной системы (магнитовизора) Под действием магнитного поля происходит изменение концентра- ции носителей заряда в базе магнитодиода, что приводит к появлению на поверхности матрицы электропотенциального рельефа, определяемо- го индукцией магнитного поля. Для получения максимальной чувстви- тельности применяется принцип накопления. В этом случае ток видео- сигнала, поступающий от каждого магнитодиода, пропорционален пол- ному магнитному потоку, действующему на магнитодиод за полный период между коммутациями, то есть за время кадра. Каждый конден- сатор, шунтирующий магнитодиод, в момент коммутации заряжается
158 Глава 5 Рис. 5.5. Магнитоизмерительный зонд (матричный) максимально, а между комму- тациями начинает разряжать- ся до напряжения, зависящего от индукции МП, действую- щего на магнитодиод, и, сле- довательно, от сопротивления магнитодиода. Опрос и под- ключение соответствующего элемента матрицы (датчика) ко входу измерительного ка- нала осуществляется блоком развертки, выполненным в виде счетчика, дешифратора и набора аналоговых ключей. С целью сокращения количества подводящих проводов, исключения дополнительных помех при передаче информации, экономии аппаратных средств в пространственный изме- рительный преобразователь (ПИП) введены блоки коммутатора инфор- мационных сигналов (К) и усилителя (У). Для снятия информации в исследуемом объеме плоскость матрицы перемещают дискретно по третьей координате с помощью шагового двигателя (ШД), а управление элементами матрицы и шаговым двига- телем производится по общей шине кодами и сигналами, поступающими от ПЭВМ. Поскольку количественной характеристикой величины магнитной индукции в каждой точке пространства является значение модуля В = + В’ + В2 (5.6) или составляющих его компонент Вх, Ву, Bz, то регистрация МП и полнота представления зависят от метода измерения в этой точке. Если использовать однокомпонентный датчик МП в качестве элемента мат- рицы, что, как правило, и делают, то в этом случае необходимо пос- ледовательно проводить измерения в каждой точке по трем составля- ющим, в прямоугольной системе координат, т.е. ориентировать плос- кость матрицы каждый раз по трем направлениям и строго под прямым углом. Данный метод существенно увеличивает время измерения, зна- чительно усложняет реализацию процедуры измерения и естественно вносит дополнительные погрешности ориентации в пространстве. Устранение названных недостатков возможно с применением в ка- честве элемента матрицы трехкомпонентного гальваномагнитного пре- образователя, выполненного по интегральной технологии, желательно на базе полевых рекомбинационных магнитотранзисторов (МТ). Целе- сообразность их использования для магниточувствительного измеритель- ного узла вызвана прежде всего линейной характеристикой передачи, т.е. зависимостью выходного напряжения МТ от тока и магнитной ин- дукции, повышенной на несколько порядков чувствительностью преоб-
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 159 разователя к МП и достаточно широким диапазоном измеряемых зна- чений магнитной индукции от 10"7 до 10-1 Тл. Таким образом, путем сканирования электронным способом в плоскости матрицы и механи- ческим способом — плоскостью матрицы в объеме, получают совокуп- ность точечных трехмерных результатов измерений с заданной дискрет- ностью по всему исследуемому пространству. В процессе сканирования последовательно информация от каждой точки передается через коммутатор и усилитель на вход цифрового ре- гистратора. В качестве последнего на сегодняшний день могут быть использованы три варианта устройств: а) цифровой осциллограф; б) блок управления магнитотерапевтического комплекса «Аврора МК-02»; в) встраиваемая плата аналогового ввода для ПЭВМ. Варианты «а» и «б» имеют ограниченные возможности по объему запоминаемых данных, а также по обработке и представлению измерительной информации. Тре- тий вариант построения измерительной системы является наиболее гиб- ким с широким набором функциональных возможностей и программ- ного обеспечения. Очень важное значение имеет визуализация прост- ранственного распределения магнитной индукции, что с помощью стандартного пакета программ трехмерной графики делает эту операцию наиболее доступной и наглядной. Оценку количественного распределения МП в исследуемом объеме можно получить не только пространственными измерениями его пара- метров в множестве фиксированных точек, но и с помощью математи- ческих методов построения изображений по интегральным траекториям, характеризующим распределение МП, измеренным по многим направ- лениям (проекциям). Используемый в настоящее время для целей клинической диагностики перспективный метод компьютерной томографии (КТ) позволяет получить любое количественное физическое распределение путем измерения значе- ний его интегральных параметров [164]. В связи с этим может быть реа- лизован оригинальный метод получения изображения МП, как векторной величины, с использованием алгоритма КТ. Этот метод позволяет строить изображение распределения магнитной индукции каждой компоненты по напряжению, индуцируемому в токоведущей линии и прямоугольной рамке, движущейся в МП с постоянной скоростью. Методом КТ возможно воспроизвести распределение (Р) любой фи- зической величины за счет измерения ряда интегральных значений Р для многих, пересекающихся под различными углами траекторий Р, что иллюстрируется на рис. 5.6, где любое значение Р физической величины А(х,у) может быть представлено интегральным значением P(g,Q) вдоль оси соотношением: P(g,Q) = J A(x,y)d/. (5.7) Воспроизведение изображения каждой компоненты Р может быть получено измерением значения проекции каждой компоненты, что для магнитной индукции В(х,у) записывается следующим образом:
160 Глава 5 Px(g,Q) = J Bx(x,y»d/, Py(g,Q) = j By(x,y)d/, Pz(g,Q) = j Bz(x,y)d/, (5.8) Принцип измерения магнитной индукции и задания исходных дан- ных на основе алгоритма КТ можно проиллюстрировать рис. 5.7. Рис. 5.6. Иллюстрация метода компьютерной томографии Представим, что в плоскости формирования изображения над МО движется проводник (токоведущая линия) с постоянной скоростью V. При пересечении проводником силовых линий МП, в нем индуцируется электрическое поле Е в соответствии с законом: Е = VB. Рис. 5.7. Измерение компоненты Bz(x,y) с помощью линейного проводника Электрическое поле, в свою очередь, создает напряжение U на кон- цах проводника: U = -J(VB)d/, (5.9)
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 161 а так как скорость V = const, то U = - vjBz(x,y)dZ. (5.10) Поскольку напряжение U пропорционально интегралу Z-компонен- ты индукции вдоль проводника, то измерение напряжения в процессе движения проводника обеспечивает получение проекционных данных лишь под одним из углов Bz(x,y). Соответственно, полные данные о проекциях по каждому углу достигаются измерением напряжения в раз- личных направлениях (под разными углами Q). С другой стороны, проекции х и у компонент В не могут быть получены повторением измерений под различными углами Q, т. к. углы между осями х, у и координатами g, Z зависят от угла проекции Q. В этом случае, для восполнения недостающих данных производят измере- ния линейных интегралов g и / компонент распределения Р индукции В вдоль оси /, как показано на рис. 5.8, тогда значения х и у компонент индукции В находят из следующих выражений: [Bx(x,y)d/= cosQ [в (x,y)d/-sinQ [B/(x,y)dZ, J (5.11) jBy(x,y)dZ = sinQ jBg(x,y)dZ + cosQ jB;(x,y)dZ. Линейные интегралы Bg(x,y) по оси Z могут быть измерены с помо- щью прямоугольной рамки, движущейся с постоянной скоростью в на- правлении оси g по плоскости х,у, расположенной над МО. В рамке наводится, в соответствии с законом электромагнитной индукции, на- пряжение U, равное: u = -d0/dt, (5.12) где Ф — магнитный поток, пересекающий рамку из нескольких витков. Рис. 5.8. Измерение недостающих компонент Вх(х,у) и Ву(х,у) с помощью прямо- угольной рамки
162 Глава 5 Предполагая m — ширину рамки в направлении Z достаточно малой и плотность потока в рамке однородной, запишем выражение для Ф как: Ф= m jBg(x,y)dZ. (5.13) Учитывая то, что V = dg/dt, выражение для напряжения U в рамке примет вид: U = - m • V — [(В (х,у) dZ 1. (5.14) dg J 8 Следовательно, напряжение, индуцируемое в рамке, движущейся в плоскости измерений с постоянной скоростью, пропорционально диф- ференциальному значению линейного интеграла Bg(x,y). Поэтому, изме- ряя напряжение в процессе движения рамки, фактически определяется значение линейного интеграла Bg(x,y) по оси Z, исходя из формулы: [в (x,y)d/= —!—fudg. (5.15) j » my j Среднее значение линейного интеграла В/х,у) по оси Z можно рас- сматривать как нулевое в соответствии с нижеприведенной аппрокси- мацией. Если измеряемое МП считать безвихревым, то скалярный маг- нитный потенциал <рм может быть включен в следующее равенство: jB/(x,y)dZ = p0((pM1 -<рм2), (5.16) где (рМ| и <рм2 — потенциалы граничных измерений; — магнитная постоянная. Предполагается, что диапазон измерений является достаточно ши- роким и может рассматриваться как безграничный, потенциал в грани- цах измерений считается нулевым, тогда: J В, (x,y)dZ = О, и в результате: JВх(х,y)dZ = cosQ JBg(x,y)dZ, J By (x, y)d I = sinQ J Bg (x, y)dZ. Поэтому, измерением только линейных интегралов Bg(x,y) по оси Z можно получить проекции х и у компонент индукции В. Измеряя проекции магнитной индукции Вх(х,у) и Ву(х,у) для каждого угла Q и применяя алгоритм КТ к этим проекциям, можно восстановить значения Вх(х,у) и Ву(х,у) для формирования изображения распределения магнитного поля. Структура магнитоизмерительной системы, реализующей рассмот- ренный метод, изображена на рис. 5.9. В ее состав входят: линейный проводник; прямоугольная рамка; плоскость сканирования и позицио- (5.17) (5.18)
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 163 Рис. 5.9. Магнитовизор на основе метода компьютерной томографии нирования; измерительные усилители (ИУ1, ИУ2); аналого-цифровые преобразователи (АЦП1, АЦП2); устройство сопряжения (УС) — адап- тер; исполнительный механизм сканирования и позиционирования (ИСМП); схема управления механизмом (СУМ); ЭВМ; монитор ЭВМ (М). Предложенный метод измерения параметров МП и архитектура сис- темы съема и визуализации его характеристик позволяют, с одной сто- роны, существенно упростить конструкцию, технологию изготовления и снизить производственные затраты на создание магниточувствительного зонда, а, с другой стороны, полностью автоматизировать процесс изме- рения с расширением функций управления и обработки и свести к минимуму результирующую погрешность. Поскольку в качестве МЧП используются элементы электрических цепей: катушка индуктивности и проводник тока, выходной измеряемой величиной которых является на- пряжение U, наведенное в них при сканировании исследуемого про- странства над МО, то точность измерений будет, в основном, зависеть от трех факторов: 1) точности расчетов и качества конструктивного исполнения рамки и проводника (линейности на заданной длине, постоянства размеров в направлении каждой из координат, выбора размеров элемента разреше- ния); 2) точности сканирования и позиционирования (сохранение посто- янства скорости и прямолинейности движения, эквидистантности на- правлений перемещения рамки и проводника Q1 = Q2 = ••• = QN и выбора шага дискретности); 3) помехозащищенности измерительного зонда в целом (исключение возможности паразитных наводок на рамку с проводником, а также на кабель съема информации; изготовление элементов исполнительного ме-
164 Глава 5 ханизма из немагнитных материалов с целью устранения искажений измеряемого МП; использование в качестве механизмов привода изде- лий, не излучающих собственное электромагнитное поле). Таким образом, получение полных проекционных данных для вос- становления изображения распределения МП возможно путем измере- ния напряжений, индуцированных в проводнике и рамке при переме- щении их в плоскости по разным направлениям. Принцип действия механизма сканирования и позиционирования более наглядно представ- лен на рис. 5.10. Рис. 5.10. Исполнительный механизм сканирования (V) и позиционирования (Q, h) Механизм состоит из: 1) плоскости с жестко фиксированными на ней рамкой и проводником; 2) рейки, вдоль которой перемещается плос- кость с постоянной скоростью V (направление сканирования перпенди- кулярно проводнику и площади рамки); 3) штанги, соединенной осью вращения с серединой рейки; 4) стойки, вдоль которой перемещается штанга под прямым углом. Перед измерением необходимо установить с помощью ПЭВМ ис- ходные параметры сканирования и позиционирования: 1) скорость перемещения V вдоль рейки; 2) число направлений сканирования или углов поворота рейки; 3) шаг дискретности углов;
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 165 4) количество уровней квантования или сечений исследуемого про- странства; 5) шаг квантования; 6) количество повторных измерений для статистической обработки данных и анализа достоверности результатов. Далее в режиме измерения напряжения U] и U2, наведенные соот- ветственно в рамке и проводнике, через кабель связи подаются на вход стандартной платы сопряжения с ПЭВМ — устройство ввода аналоговой информации. Текущие значения напряжений масштабируются и преоб- разуются в код с заданным коэффициентом, динамическим диапазоном и точностью и далее передаются для хранения и обработки в ПЭВМ. По окончании процесса измерения из полученного массива данных в соответствии с заложенным алгоритмом визуализации на экране мони- тора формируется изображение распределения МП. Промышленностью выпускается аппаратура для измерения параметров постоянных и переменных магнитных полей: измерители напряженности МП, тесламетры, градиентометры и др. [157]. Характеристики отдельных приборов, предназначенных для измерения параметров МП в диапазоне магнитной индукции от долей до единиц мТл, приведены в табл. 5.2. Таблица 5.2 Отечественная и зарубежная аппаратура для измерения параметров МП Наименование, тип прибора, страна Диапазон измерения магнитной индукции, мТл Погреш- ность измерения, % Частотный диапазон, Гц Вид датчика Вид инди- кации Микротесламетр Г- 77 (СССР) 5 ЮЧ.ЛО3 2 0 Холла Ц Микротесламетр Г-703 (СССР) 5-10‘5...! 10 20...2105 Индук- ционный А Микротесламетр Г-74М (СССР) 2-1О'3...1О 15 0 Ферро- зондовый А Магнитометр G 856 (США) 210’5...9 0,5 0 Протонный Ц Магнитометр G 813 (США) 21О’5...9 0,05 O...51O5 Протонный Н Трехкомпонентный магнитометр-градиенто- метр 1.131 (ФРГ) 1,27-10-3... 1,27 2,5 0 Ферро- зондовый А, Ц Примечание. В таблице приняты обозначения: А — аналоговая индикация; Ц — цифро- вая индикация. Необходимо отметить, что вся промышленно выпускаемая магнито- измерительная аппаратура предназначена для точечных измерений пара- метров МП, что не позволяет эффективно использовать ее для решения задач комплексной магнитотерапии в части визуализации пространст- венного распределения поля в объеме магнитоскана.
166 Глава 5 5.3. Измерение и задание характеристик поля, создаваемого реальным магнитосканом В магнитотерапевтическом комплексе «Аврора МК-01» [7] имеется возможность для задания конфигурации магнитного поля (МП) одно- временно во всех сегментах, каждый из которых образован 8-ю ремнями индукторов. Установка формы МП в каналах (ремнях) и по тактам одного временного цикла воздействия производится с помощью множе- ства (816) микропереключателей, оформленных в виде матрично-орга- низованного блока под названием «Программа» и расположенного на передней панели прибора. Включенное состояние каждого из микропе- реключателей подтверждается находящимся рядом светодиодом. Значе- ние индукции (уровень) МП в каналах плавно устанавливается в пре- делах 0...5 мТл с помощью органов управления «>» (больше), «<» (мень- ше) электронного блока МТК «Аврора МК-01» по отградуированному панорамному индикатору. Для точного измерения и задания параметров МП в конкретных точках объема магнитоскана может быть использована серийная аппаратура — тесламетры [157]. Выпускаемые промышленнос- тью приборы (см. 5.2) предназначены для измерения, в основном, по- стоянных и переменных (средние или действующие значения) магнит- ных полей. Как правило, датчик МП (измерительная катушка, датчик Холла и др.) располагают в выносном щупе, который должен быть ори- ентирован определенным образом относительно направления вектора магнитной индукции. При такой процедуре с учетом того, что в магни- тоскане магнитотерапевтического комплекса «Аврора МК-01» направле- ние вектора может изменяться, у врача возникнут затруднения по ис- пользованию серийной аппаратуры для магнитных измерений, а также неоправданные затраты времени. Результат же измерения все равно будет усредненным по объему датчика. Кроме того, в аппарате предусмотрены: возможность установки частоты в диапазоне 0...100 Гц с дискретностью 1 Гц, установка фонового (постоянного) МП, а также режим синхро- низации МП с частотой основных биоритмов человека (в комплексе «Аврора МК-01» — до 4-х биоритмов). Комплекс настраивается для каждого пациента персонально, причем возможности аппаратуры позво- ляют производить только ручную настройку, что увеличивает время под- готовки и снижает пропускную способность кабинета. Пользователю (врачу) гораздо удобнее иметь набор стандартных ме- тодик (программ формирования МП), а также иметь возможность легко и быстро мнемонически создавать любую требуемую конфигурацию поля и программу воздействия им. Такого рода комплекс может быть построен на основе персональной ЭВМ. Идея заключается в том, что на экран дисплея ЭВМ выводится одним цветом, например, схематичное изобра- жение магнитоскана, а другим цветом — изображение магнитных сило- вых линий или распределения индукции МП в сегментах. На рис. 5.11 показано двумерное изображение проекции магнитоскана (магнитного скафандра) на плоскость и кривые распределения индукции МП отно-
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 167 Рис. 5.11. Изображение проекции магнитос- кана на плоскость и кривые распределения магнитной индукции в сегментах: — места расположения датчиков для измере- “ ния МП; = — линия раздела левой и правой половин магнитоскана; s' — кривые распределения магнитной индук- ции в сегментах сительно осевых линий сегментов. Поле каждого из сегментов разделено на квадраты по числу индукторов, расположенных в данном сегменте. Зачерненные квадраты соответствуют местам расположения датчиков магнитного поля. Поскольку лечение некоторых заболеваний предусмат- ривает в ряде случаев различные воздействия для левой и правой поло- вин тела человека, сегменты для головы и туловища разделены на две части каждый. Работа с комплексом сводится к тому, что врач вводит курсор (маркер) в нужный сегмент и деформирует по своему усмотрению линию распре- деления индукции МП. При совмещении курсора с заштрихованным квад- ратом на экране автоматически высвечивается окно (рис. 5.12), где появ- ляется информация о данном сегменте (голова, туловище, конечность), стороне (левая или правая) и представляется возможность установить параметры МП (фон, индукция ИМП, часто- та или режим синхрониза- ции). После этого в ремне, где расположен датчик МП, с помощью аппаратуры для из- мерения МП и следящей сис- темы будет установлено за- данное значение индукции на поверхности индуктора, а в остальных ремнях значения индукции рассчитываются по алгоритмам в соответствии с заданной формой кривой рас- пределения индукции данно- го сегмента и устанавливают- ся с помощью источников тока аппарата «Аврора МК- 01». После установки конфи- гурации и параметров поля во всех сегментах набранная программа для лечения кон- кретного пациента записыва- ется в память ЭВМ и при по- вторных сеансах просто вы- зывается на дисплей. Если в ходе лечения требуется кор- рекция программы воздейст- вия в какой-либо части, то она в любой момент осуществляется так же, как это описано выше. Структура аппаратной части автоматизированного магнитотерапев- тического комплекса изображена на рис. 5.13. При добавлении измери-
168 Глава 5 Сторона левая Сегмент туловище Фон, мТл 0,5 Индукция, мТл 4,0 Частота, Гц 12 Синхронизация 1 2 3 4 Рис. 5.12. Окно-подсказка для уста- новки параметров магнитного поля ма воздействия, зафиксированная пользоваться в качестве исходной можны и любые другие сочетания Изменения в накапливаемых от сеанса к сеансу программах воздействия несут в себе важную информацию об эффективности процесса лечения и для анализа тенденций изменения общего состояния пациента. тельно-диагностической аппаратуры, оценивающей общее состояние паци- ента (каналы измерения рео-, ЭКГ-, ЭЭГ-сигналов, артериального давле- ния, температуры и др.), рассмотрен- ный комплекс легко трансформиру- ется в систему с биотехнической об- ратной связью [14] (см. 4.8). При этом начальная установка параметров и конфигурации МП осуществляется аналогично описанному выше, а в ходе сеансов магнитотерапии харак- теристики поля могут изменяться автоматически под воздействием сигналов обратной связи. Програм- в конце текущего сеанса, может ис- для очередного сеанса лечения. Воз- и варианты использования программ. Рис. 5.13. Структура комплекса, обеспечивающего автоматизированное задание значений и конфигурации МП в магнитоскане
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 169 Следующим этапом в развитии, повышающим универсальность и гибкость комплекса и позволяющим формировать поля более тонкой структуры, является матричное управление магнитосканом (независимое управление каждым индуктором), а также использование трехмерных изображений магнитного скафандра и конфигурации создаваемого маг- нитного поля на дисплее с возможностью поворота изображений вокруг любой из осей. Такого рода магнитотерапевтические комплексы могут найти применение в исследовательских центрах как для лечения, так и для целей проведения уникальных биолого-технических экспериментов. 5.4. Методы и средства диагностики в магнитотерапии Магнитотерапия представляет собой комплекс физиотерапевтичес- ких процедур воздействия магнитным полем с заданными свойствами на пациента в определенном порядке в зависимости от цели воздействия. Среди главных целей можно назвать: лечение, восстановление функций, коррекция состояния, тренировка, профилактика, создание тестовых воздействий и др. Метод магнитотерапии может быть монометодом ле- чения, когда другие методы неэффективны или противопоказаны, на- пример, при аллергических осложнениях от медикаментозных форм ле- чения. Он может использоваться как основной метод в сочетании с другими, а также быть дополнительным к определяющему стратегию лечения методу, например, хирургическому. Магнитотерапия не имеет особых или дополнительных противопо- казаний к применению по отношению к общеизвестным физиотерапев- тическим методам и показана для лечения большинства патологий ан- гиологического, кардиологического, неврологического и травматологи- ческого классов. Она успешно может применяться в предоперационной подготовке и послеоперационной реабилитации. Поэтому рекомендацию по использованию конкретной магнитотерапевтической методики для пациента может дать врач-специалист, опираясь на традиционные ме- тоды и средства диагностики, сопутствующие современным медицин- ским технологиям. Учитывая направленность данной книги и опираясь на работы Е. П. Попечителева [165, 166], представим перечень методов медико-биологических исследований и диагностики в виде классифика- ционных таблиц, где отражены их причинно-логические связи и сопод- чинение. Все методы диагностики можно разделить на группы, объединенные общим признаком, отражающим форму проявления жизнедеятельности человека или систему воздействия на организм и биопробу и анализ полученной реакции. На рис. 5.14 представлена схема подобного разде- ления. Каждая группа включает в себя большой набор методов, подметодов и методик, имеющих высокую эффективность и широкое применение
170 Глава 5 Рис. 5.14. Классификация методов исследования и диагностики для диагностирования вполне определенного узкого класса заболеваний. В рамках данной работы рассмотреть подробно все группы методов нет возможности. Поэтому ниже раскрыты только электрографические и термографические методы диагностики, имеющие наиболее полное при- менение при назначении магнитотерапии и мониторинга в ходе ее ре- ализации. На рис. 5.15 представлена классификационная схема методов и под- методов, составляющих электрографическую группу. Следует подчерк- нуть, что в настоящее время наиболее информативными и реализуемыми в технологии магнитотерапии являются электрокардиография, импе- дансная электроплетизмография, окклюзионная, дермо- и реовазогра- фия. Не менее распространенная объективная диагностика заболеваний, основанная на изучении процессов теплопродукции и теплообмена, рас- полагает тремя главными методами получения информации (рис. 5.16). Первый метод — термометрия — реализуется за счет различных эффектов преобразования значения температуры биотела в сигнал, удоб- ный для восприятия оператором. В соответствии с этим различают ра- диометрическую и люминесцентную термометрию, а также термометры, основанные на расширении объема чувствительной среды, на изменении диэлектрической и магнитной проницаемости и др. Второй метод — термография — обладает повышенной информа- тивностью. Он включает в себя яркостную и цветовую термографию и термографию суммарного потока.
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 171 — Методы электрографии (метрии) — Общая реография Реокардиография Реоэнцефалография Реогепатография Импедансные методы Реодермография — 1 Реография артерий и аорты Реография окклюзионная Импедансная электроплетизмография Импедансная пневмография Кожнорезистивная реакция Диэлектрография Электроемкостная плетизмография — Электрокардиография (скал., вектор.) Вариационная пульсометрия Методы, основанные на регистрации (измерении) биопотенциалов — Электроэнцефалография Электрокортикография — Электроцеребелография — Электромиография Электроокулография Электроретинография — Электрогастрография Кожногальваническая реакция Рис. 5.15. Классификация методов электрографии Третий метод изучения теплообмена — калориметрия, основанный на явлениях преобразования количества тепла в информационный сигнал, получил широкое распространение при исследовании свойств биопроб.
172 Глава 5 Рис. 5.16. Классификация методов исследования процессов теплопродукции и теплообмена При разработке и создании, экспериментальной и клинической про- верке эффективности систем комплексной магнитотерапии (в частности, комплекса «Аврора МК») из множества физиологических показателей в качестве определяющей была выбрана минимизированная группа пара- метров, в которую вошли показатели электрокардиологической, реогра- фической направленности, параметры кровяного давления и температура в различных точках тела. Именно на эти четыре группы параметров была ориентирована раз- работка измерительно-диагностической системы для экспресс-анализа состояния пациента непосредственно перед отпуском и после окончания процедуры магнитотерапии. Задача была решена по принципу агрегати- рования выпускаемых серийных приборов в мобильную систему с уп- равлением от ПЭВМ, входящей в магнитотерапевтический комплекс. Кроме того, именно для измерения названных параметров во время воздействия магнитным полем разработаны помехоустойчивые методы и измерительные каналы, которые описаны ниже. 5.5. Агрегатирование стандартных диагностических средств Ряд физиологических параметров, подлежащих контролю при маг- нитотерапевтическом сеансе (МТС), определен в 1-й главе и соответст- вует, в основном, сердечно-сосудистым заболеваниям. Практически с помощью нескольких основных групп приборов общего пользования, включающих энцефалограф, кардиомонитор (КМ), реограф (РГ), изме-
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 173 ритель артериального давления (ИАД), измеритель температуры кожного покрова (ИТ), можно достаточно точно определить состояние пациента. Цель, которую ставят в процессе контроля за состоянием параметров пациента во время МТС, — индивидуализация процедуры с учетом осо- бенностей конкретного заболевания (или их группы). Такой подход по- зволяет не только эффективно использовать процедуру магнитотерапии, но и определить полезные зависимости между параметрами воздейству- ющего магнитного поля и физиологическими показателями пациента. Вполне очевидно, что для удобства контроля упомянутый перечень приборов должен быть объединен в систему и иметь выход как для визуального контроля оператором, так и для хранения и последующей обработки информации. Этим требованиям удовлетворяет измеритель- но-диагностическая система (ИДС), реализованная по принципу агре- гатирования стандартных средств измерений и диагностических прибо- ров, структурная схема которой приведена на рис. 5.17. Рис. 5.17. Структурная схема измерительно-диагностической системы Система содержит первичные датчики ПД, аналоговый блок АБ и блок цифровой обработки БЦО. Аналоговый блок включает в себя кар- диомонитор КМ, реограф РГ, измеритель артериального давления ИАД, измеритель температуры кожного покрова ИТ. В состав БЦО входит персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ) со встроен- ной платой аналогово-цифрового интерфейса АЦИ. Достоинство при- веденной структурной схемы заключается в возможности формирования АБ из серийно выпускаемых приборов, которые с помощью датчиков (электродов) связаны с пациентом. Имеется дополнительная связь маг- нитотерапевтического комплекса (МТК) с ИДС для регистрации мгно- венных значений параметров воздействующего магнитного поля. Для того чтобы правильно выбрать компоненты аналогового блока системы
174 Глава 5 из всего многообразия существующих устройств, целесообразно рассмот- реть взаимодействие ИДС с пациентом и МТК в процессе отпуска про- цедуры (в реальном масштабе времени). Определение места ИДС в дан- ном взаимодействии позволит конкретизировать требования к приборам общего пользования, составляющим аналоговый блок. В связи с этим рассмотрим схему взаимодействия в системе пациент-ИДС с магнито- терапевтическим аппаратом (рис. 5.18). Рис. 5.18. Схема взаимодействия пациент — ИДС — МТК На схеме магнитотерапевтический комплекс представлен блоком уп- равления МТК (БУ МТК) и магнитосканом. Пациент с помощью пер- вичных датчиков связан с аналоговым блоком ИДС, и информация о его состоянии через АЦИ поступает на ПЭВМ. Перед началом сеанса в результате преобразования в i-м канале системы реализуется функция F(t)Dj интересующего нас параметра пациента без влияния МТК. Обозначим воздействие МТК на пациента через некоторые парамет- ры Pjp(t). Можно априорно предположить, что и функция F(t)Di также претерпит некоторые изменения и может быть записана в виде F(t, P/Xt))^ Кроме воздействия на пациента, МТК влияет также на отдельные элементы и блоки ИДС, создавая дополнительные изменения в функции F(t, Pjp(t))Di. При аддитивном их характере можно записать: F(t)D1 —> F(t. + F(Pj(t))Di, (519) где F(Pj(t))Di — результат воздействия МТК на ИДС в i-м канале, а P£(t) — некоторые параметры воздействия МТК на ИДС.
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 175 Анализируя преобразование (5.19), сформулируем требования, ха- рактеризующие наилучший вариант преобразования: 1. Максимально высокая чувствительность к полезному сигналу (т.е. F(t, Pjp(t))Di -4 max). 2. Минимальное значение F(Pj(t))Dj — требование высокой помехозащи- щенности от факторов воздействия МТК. 3. Необходимое амплитудное согласование выходных сигналов АБ с входами АЦИ. Анализ работы диагностической аппаратуры общего назначения по- казал, что существующие кардиомониторы и измерительные кардиока- налы не позволяют проводить измерения в процессе отпуска магнито- терапевтической процедуры. Таким образом, для осуществления диагностики в процессе магни- тотерапевтического воздействия требуется разработка специализирован- ных методов измерения и диагностической аппаратуры, способной ра- ботать в условиях действия электромагнитных помех. 5.6. Специальные измерительно-диагностические средства Импульсные магнитотерапевтические комплексы (ИМТК) представ- ляют собой источники мощных электромагнитных помех. Излучателями этих помех являются как индукторы формирователя бегущего магнит- ного поля, так и источники питания этих индукторов [167]. С целью упрощения минимизации помехи F(Pj(t))Dj целесообразно разделить аналоговые измерительные каналы системы по способу связи с пациентом на электропроводные и диэлектрические. К первому типу относятся кардиомонитор и реограф, ко второму — измерители артери- ального давления и температуры кожного покрова. Поскольку природа воздействия МТК — электромагнитная, то сле- дует ожидать дополнительных наведенных токов через входные цепи кардио- и реоканалов. Для эффективного решения вопроса повышения помехоустойчивости измерительных кардиоканалов диагностических систем необходимо изучить и сравнить свойства полезного сигнала и помехи [168]. Первая группа помех характеризуется спектром частот от единиц Гц до сотен кГц, создаваемых импульсами с частотой следования, равной частоте формирования бегущего магнитного поля: единицы-сотни Гц. Следовательно, частотный спектр импульсных помех полностью пере- крывает частотный спектр кардио- и реосигналов (100 Гц). Было выяв- лено, что размах помех существенно превышает диапазон измерения кардиосигнала и достигает 30% от размаха сигнала на входе реоканала для реографа Р4-02. Вторая группа помех полностью определяется ис- точником питания индукторов и занимает частотный диапазон от де- сятков Гц до сотен МГц.
176 Глава 5 Помимо импульсных помех на пациента и диагностическую аппа- ратуру наводятся фоновые помехи промышленной частоты. Соотноше- ние размаха фоновой помехи к размаху кардиосигнала достигает 30%, а к размаху реосигнала — 20%. Кроме внешних помех, на результат кон- троля за состоянием пациента влияют и внутренние помехи самой диа- гностической аппаратуры. При измерении артериального давления пациента и температуры его кожного покрова, как показывают практические исследования, влияни- ем импульсных и фоновых помех можно пренебречь. Для подавления внешних помех необходимо исследовать процесс их возникновения в системе «ИМТК — пациент — электрокардиограф» и «ИМТК — пациент — реограф». Исследование известных моделей вза- имодействия «пациент — электрокардиограф» с учетом специфики по- строения ИМТК типа «Аврора МК» позволило разработать модель вза- имодействия «ИМТК — пациент — электрокардиограф» для первого стандартного отведения [169]. При магнитотерапевтическом сеансе пациент помещается внутрь магнитоскана. Магнитоскан представляет собой некоторую подвижную (условно гибкую) конструкцию индукторов (излучателей магнитного поля), изолированных от пациента диэлектрическим корпусом. Таким образом, пациента можно представить в качестве неоднородного про- водника, поверхность которого является одной из обкладок конденса- тора. Второй обкладкой конденсатора является поверхность сети индук- торов, также обладающей электрической неоднородностью. В силу ус- ловной гибкости магнитоскана, не представляется возможным обеспечить плотный физический контакт диэлектрической поверхности магнитоскана с каждой точкой поверхности пациента. Следовательно, диэлектрическая проницаемость образованного зазора определяется ди- электрической проницаемостью изолятора магнитоскана, занимающего фиксированное положение в зазоре, и диэлектрической проницаемостью воздушного зазора, имеющего переменное значение по всей площади. Более того, воздушный зазор изменяется не только от пациента к па- циенту, но и от сеанса к сеансу у одного пациента. Объясняется это тем, что при переходе от одного сеанса магнитотерапии к другому не- возможно абсолютно одинаково разместить пациента внутри магнитос- кана. Кроме указанной емкостной связи, в силу конечности сопротив- ления изоляции корпуса магнитоскана, между пациентом и сетью ин- дукторов существует и омическое сопротивление. Таким образом, между пациентом и магнитосканом существует пространственный импеданс, который в дальнейшем будем называть полным пространственным им- педансом взаимодействия ИМТК и пациента, через который ИМТК воздействует на пациента не только магнитным полем, но и электри- ческим. Особый интерес вызывает анализ вторичного воздействия ИМТК (электрического поля) на измерительные каналы во время маг- нитотерапевтического сеанса. Для этого рассмотрим электрическую мо- дель взаимодействия «ИМТК — пациент — электрокардиограф».
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 177 В этой модели (рис. 5.19) пациент представлен четырьмя элемента- ми: Zj, Z2 — полный внутренний импеданс биообъекта, приведенный к точкам наложения электродов электрокардиографа «R» и «L» соответст- венно относительно электрода «F», и ёк1 и ёк2 — эквивалентные ЭДС кардиосигнала. Контактные импедансы электродов «R», «L», «F», а также полные импедансы проводной линии, соединяющей электроды с входом электрокардиографа, обозначены через Z3, Z4, Z7 соответственно. Отве- дения, используемые при анализе, соответствуют первому стандартному отведению по Эйнтховену. Электрокардиограф представлен в модели полными входными импедансами Z5, Z6 по входам «R» и «L» соответ- ственно, а также сквозным импедансом блока питания электрокардио- графа ZK, характеризующим связь входного устройства электрокардио- графа с питающей сетью. Элементы ZR, ZL, ZF соответствуют приведен- ным к точкам наложения электродов «R», «L», «F» полным пространственным импедансам взаимодействия ИМТК и пациента. Они непосредственно соединены с Zn, определяющим сквозной импеданс ИМТК, и через эквивалент ЭДС питающей сети ёс — с ZK. Мгновенное значение импульсной помехи ИМТК на рис. 5.19 обозначено ёи. Токи iL и iR, протекающие через входные цепи кардиографа Z5 и Z6, являются функциями элементов модели. Определить их значения можно одним из известных методов: узловых потенциалов, контурных токов и др. [169]. В зависимости от значений параметров модели возможны следую- щие соотношения элементов схемы:
178 Глава 5 h.j “ *Rj * 0’ ^5 - Z6 * *Lj “ *Rj * ^5 * ^6» *ц * *Rj * 0» ^5 ~ ^6 * О» *и * iRj * Z5 * Z6 * 0, (5.20) где j — индекс, определяющий природу возникновения помехи: им- пульсная или сетевая. Данные соотношения необходимо учитывать при анализе результа- тов измерений. Предложенная модель взаимодействия ИМТК — пациент — электрокардиограф может использоваться не только для анализа возник- новения помех и разработки методов и средств борьбы с ними, но и для выявления через ЭКГ влияния воздействия на пациента полезного (рабочего) сигнала электромагнитного поля ИМТК, сетевой и импульс- ной помех ИМТК. При анализе этого воздействия следует обращать внимание на то, что указанные источники воздействия вызывают на- водки не только на электрокардиографе, но и на самом пациенте. На- водки на пациенте с одной стороны выступают помехой, наложенной на ЭКГ, а с другой стороны вызывают ответную реакцию организма, изменяющую форму ЭКГ [170]. Одной из составляющих является про- тиво-ЭДС поляризации тканей пациента [171]. Эта составляющая нахо- дит свое отражение в ЭКГ. Значение противо-ЭДС поляризации (либо емкость поляризации, либо коэффициент поляризации) несет дополни- тельную диагностическую информацию. В известных моделях взаимо- действия пациент-электрокардиограф противо-ЭДС поляризации, по- видимому, из-за малой величины наводок, вызывающих ее, не учиты- валась. При рассмотрении взаимодействия ИМТК — пациент — электрокардиограф, где в качестве ИМТК используются аппараты типа «Аврора МК», создающие мощные импульсные электромагнитные по- мехи, пренебрегать регистрацией противо-ЭДС не следует, и в модели взаимодействия она должна учитываться в цепи последовательно с ис- точниками полезного сигнала ёк1 и ёк2. Фоновая и импульсная помехи, как показывают практические ис- следования [15], для кардиосигнала первого стандартного отведения имеют синфазный характер. Борьба с внешними помехами в этом случае сводится к увеличению коэффициента подавления синфазной помехи во всем частотном спектре полезного сигнала. Ее можно подавить во входной части электрокардиографа или в проводном канале передачи кардиосигнала от электродов к измерителю [172]. Для подавления помехи в проводном канале используется экрани- рование проводов с подключением экрана к «земле» электрокардиогра- фа. Подавить синфазную помеху в проводном канале можно путем ор- ганизации обратной связи. Для этого на экран подводящих проводов следует подать усиленный сигнал, инверсный синфазной помехе, выде- ленной в измерительной части электрокардиографа. Такой метод, как показывают экспериментальные исследования, позволяет ослабить син- фазную помеху в 3-4 раза. Совмещение описанных выше способов борьбы с помехами дает третий метод с суммарным эффектом. Подводящие провода в этом слу-
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 179 чае защищают двойным экраном. Внешний экран подключается к «земле» входного каскада электрокардиографа, а внутренний — к выходу с сигналом, инверсным синфазной помехе. Для подавления синфазной помехи во входной части электрокардиографа необходимо увеличить коэффициент подавления синфазной помехи входной части электрокар- диографа во всем диапазоне полезного сигнала или создать высокосим- метрированные входные фильтры каналов электрокардиографа. Можно также осуществить фильтрацию программными средствами. Важным является вопрос снижения внутренних помех электрокар- диографа. Используемая для повышения безопасности гальваническая развязка датчиков на пациенте от питающей сети в электрокардиографе выполняется, как правило, на основе трансформатора с высокочастот- ным преобразованием низкочастотного сигнала при широтно- или час- тотно-импульсной модуляции и демодуляции. Эта процедура требует высокой идентичности модулятора и демодулятора. На практике данное условие выполнить затруднительно. Кроме этого, вследствие импульсных модуляционных процессов на чувствительных цепях электрокардиографа наводятся помехи. Замена гальванической развязки с импульсной мо- дуляцией на оптоэлектронную позволяет исключить внутреннюю гене- рацию наводок. Однако это сопровождается нелинейностью амплитуд- ной характеристики и дрейфом постоянной составляющей температур- ной нестабильности. Для ослабления действия перечисленных факторов измерительная цепь кардиосигнала разделяется на два гальванически развязанных ка- нала, один из которых используется как выходной, а второй — как канал отрицательной обратной связи. Амплитудная нелинейность и темпера- турная нестабильность прямого канала, как показывают практические исследования, значительно снижаются и определяются уровнем техно- логического разброса параметров оптоэлектронных приборов [173]. Представленный подход позволил разработать помехоустойчивый кар- диоканал (рис. 5.20), входящий в систему функциональной диагностики СФД МК-02. Усиление биопотенциалов в электрокардиографе производится клас- сической схемой усиления слабого электрического сигнала в условиях действия синфазной помехи — инструментальным усилителем (Al, А2, АЗ). Исключение входного коммутатора, используемого обычно в электрокардиографах, позволяет повысить чувствительность канала. Эле- менты А4 и А5 обеспечивают дополнительное повышение коэффициента ослабления синфазного сигнала. Для борьбы с продольной помехой, создаваемой внешними электро- магнитными полями, и для обеспечения электробезопасности пациента в канале использованы гальванические развязки по цепям питания и оптоэлектронный блок гальванической развязки (БГР) по информаци- онному выходу системы. Уровень собственных шумов, приведенный ко входу разработанного электрокардиографа, не превышает 0,12 мВ, а коэффициент ослабления
180 Глава 5 синфазного сигнала составляет ПО дБ в частотном диапазоне входных сигналов 10... 100 Гц. Методы снижения внешних и внутренних помех реографа связаны с учетом следующих факторов [174]: Рис. 5.20. Структурная схема помехоустойчивого входного усилителя кардиоканала — непостоянства контактных сопротивлений ZK во времени, от уси- лия прижима электродов, площади контактов, состояния паци- ента и ряда других условий (методическая погрешность); — нестабильности выходных параметров Пвых, ZBblx генератора зон- дирующего тока, работающего в режиме источника тока либо источника напряжения, в зависимости от величины ZK; — нестабильности входного сопротивления ZBX измерительной цепи (инструментальная погрешность); — влияния сопротивления объемного кровотока пациента Zon между близкорасположенными токовыми и потенциальными электрода- ми (методическая погрешность). Для уменьшения влияния указанных погрешностей предлагается увеличить число электродов и производить измерения импедансов при разных комбинациях тетраполярного включения электродов и последую- щей обработки результатов измерений [174, 175].
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 181 Считая неизвестными и постоянными на небольшом отрезке времени параметры ZK, UBbIX, ZBblx, ZBX, Zon, получаем, что для вычисления импеданса Zo объемного кровотока между одной парой электродов требуется 2(х + 1) комбинаций тетраполярного включения электродов, где х — число электродов. С ростом х растет и число у возможных комбинаций тетра- полярного включения электродов. Условие 2(х + 1) > у, необходимое для вычисления Zo, начинает выполняться при х > 7. Таким образом, мини- мальное число уравнений, которое необходимо составить и решить для определения Zo, равно 16. Для упрощения методики измерения и вы- числения Zo применяют метод образцовых мер. Образцовое сопротивле- ние может быть включено в зондирующую цепь последовательно с ис- точником зондирования. Анализ получаемых схем дает возможность за- писать лишь одно дополнительное уравнение. Образцовое сопротивление в этом случае нет смысла делать переменным. Достаточно либо включать его в цепь зондирования, либо закорачивать. Таким образом, введение образцового сопротивления дает возмож- ность лишь удвоить число измерений и уравнений при том же числе электродов. Из вышеизложенного следует, что для нахождения Zo до- статочно шести электродов. При вводе образцового сопротивления в измерительную цепь получаем аналогичные результаты. Ввод образцо- вого сопротивления как в зондирующую цепь, так и в измерительную цепь сопровождается снижением относительной погрешности измерения напряжения на ZBX. Для учета влияния импульсной электромагнитной помехи на резуль- тат измерения реографа помеху можно рассматривать как дополнитель- ный источник зондирования, и все вышеприведенное будет справедливо и при наличии импульсных помех. В заключение необходимо отметить, что в системе функциональной диагностики СФД МК-02 кроме упомянутых выше электрокардиографа и реографа имеется измеритель температуры кожного покрова пациента и измеритель артериального давления пациента [176]. Погрешность из- мерения температуры составляет 0,1 С, а погрешность измерения арте- риального давления — 3 мм рт. ст. 5.7. Персональные диагностические системы В настоящее время электроника широко используется в медицине. Одна из областей ее применения — наблюдение за состоянием пациента. Особенно важен контроль при заболеваниях, вызывающих быстрое из- менение состояния больного от удовлетворительного до критического. Для больных такими заболеваниями необходимы средства и методы кон- троля и надежного прогнозирования динамики состояния или же сред- ства непрерывного контроля состояния пациента [177, 178]. Непрерывный контроль состояния представляется более перспек- тивным, так как в этом случае возможно не только анализировать оп-
182 Глава 5 ределенный набор параметров, характеризующих состояние человека, но и исследовать динамику их изменения. Стационарная аппаратура вполне способна решать (и решает) такие задачи, однако пациент оказывается «привязанным» к такой аппаратуре, что создает определенные трудности. С другой стороны, компактная и легкая носимая аппаратура, предостав- ляя больше возможностей для исследования больных в «свободном со- стоянии», имеет ограниченные средства обработки данных или вообще только регистрирует их. Таким образом, насущной задачей является создание носимых ком- плектов аппаратуры непрерывного контроля состояния пациента. Аппара- тура этого типа особенно необходима на этапе интенсивной терапии для оценки состояния пациента после лечебных сеансов как в стационаре, так и вне стен лечебного заведения в целях предупреждения нежелательных осложнений и своевременной коррекции курса лечения. Подобная аппа- ратура по регистрируемым параметрам должна производить оценку состо- яния человека и выдавать необходимые сигналы медицинскому персоналу а, возможно, и самому пациенту. Очевидно, что такая аппаратура должна быть ориентирована на конкретное заболевание, конкретного пациента и его личную «норму» параметров, характеризующих состояние. В дальней- шем электронное устройство, выполняющее эти задачи, будем называть персональной диагностической системой (ПДС). При создании ПДС кроме чисто технических задач: уменьшения энергопотребления, массы и размеров устройства, возникает еще и «ин- формационная» задача. Суть ее в следующем: надежную длительную регистрацию можно обеспечить только по ограниченному числу пара- метров, например, температуре тела, пульсу, частоте дыхания, содержа- нию кислорода в крови, электрокардиограмме и реограмме. Другие важ- ные показатели трудно измерить в нестационарных условиях. Но для врачей мгновенные значения перечисленных выше параметров несут мало диагностической информации, а большинство методик контроля состояния использует в основном те показатели, которые трудно реги- стрировать вне стационара. Таким образом, задача, названная выше «информационной», предусматривает два пути ее решения: — создание новых методов и средств съема информации с пациента; — создание новых методик и алгоритмов обработки уже доступной информации. Итак, ПДС в своем «минимальном наборе» должна выполнять сле- дующие функции: 1. Регистрировать параметры, характеризующие состояние пациента (о них говорилось выше). 2. Обрабатывать хотя бы в малом объеме поступающую от пациента ин- формацию. 3. Фиксировать выход из нормы наиболее существенных параметров и сигнализировать об этом. 4. Хранить полученную информацию до момента ее передачи в базу дан- ных ЭВМ.
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 183 Более совершенные ПДС, построенные на основе результатов об- работки поступающей информации, должны диагностировать состояние больного и снабжать этой информацией врача, а в некоторых случаях — и пациента. Кроме этого, персональная диагностическая система должна обеспечивать универсальность, т.е. настройку на диагностику различных заболеваний. Этому требованию отвечает структура ПДС на основе микро-ЭВМ (рис. 5.21). Рис. 5.21. Структура ПДС на основе универсальной микро-ЭВМ Однокристальная микро-ЭВМ (ОМЭВМ) является основным узлом ПДС. Она осуществляет управление измерительным блоком (ИБ), по за- ложенным в постоянное перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) программам производит обработку получаемой информации, фор- мирует массивы данных для хранения в оперативном запоминающем уст- ройстве (ОЗУ). В функции ОМЭВМ входит также организация обмена данными с внешними устройствами через радиальный интерфейс (РИ). Измерительный блок содержит измерительные каналы (ИК1 — ИКп) для снятия необходимых параметров, аналого-цифровые преобразователи и коммутатор. При этом количество работающих каналов, порядок аналого- цифрового преобразования и коммутации зависят от конкретного назна- чения данных ПДС. Оперативная информация отображается на жидко- кристаллическом индикаторе (ЖКИ), а внесение изменений в программы и режимы работы осуществляется с помощью клавиатуры. Естественно, что использование в системе ОМЭВМ связано с рядом ограничений. Они, в основном, касаются объема памяти команд, сис- темы команд, быстродействия и энергопотребления. Особенно это ка- сается отечественных ОМЭВМ, хотя их технические параметры посто- янно улучшаются. Программные средства ПДС должны включать в себя программу сбора информации и программу обработки. Последняя обеспечивает предварительный анализ, выдачу сигнальной информации и сжатие ин- формации при записи в ОЗУ. Программы хранятся в перепрограммиру- емых ПЗУ. Такое решение позволяет осуществлять переход от одного
184 Глава 5 круга задач, решаемых с помощью системы, к другому — путем замены измерительных каналов и ППЗУ на другие, необходимые для решения новых задач. Вопрос сокращения избыточности информации является в ПДС одним из важнейших [179, 180]. По назначению к ПДС близки носимые карди- ографы, которые записывают информацию на магнитную ленту в течение 8... 12 часов (мониторинг по Холтеру). При этом в общем объеме инфор- мации интерес представляет лишь та небольшая часть, которая характери- зует отклонение от нормы на данном этапе восстановительного периода. Большая же часть информации в кардиограмме будет избыточной. Поступающая с датчиков информация должна обрабатываться и ана- лизироваться в ПДС каким-либо образом и, тем не менее, необходимо сохранять не только результаты обработки, но и, по крайней мере, фраг- менты кардиограмм для создания архива и истории болезни. Полностью фиксировать кардиограмму не представляется возможным, т.к. суточный объем информации по одному каналу составляет около 100 Мбайт. Поскольку электрокардиосигнал в процессе аналого-цифрового пре- образования подвергается дискретизации, то первый этап сокращения избыточности связан с выбором частоты и способа дискретизации. При равномерной дискретизации частота выборок определяется исходя из способа восстановления сигнала и требуемого критерия точности. В электрокардиосигнале недопустимы незарегистрированные выбросы сиг- нала, поэтому необходимо, чтобы разность между сигналом и аппрок- симирующей функцией не превосходила некоторой, наперед заданной, величины. Если для восстановления сигнала используются методы поли- номиальной интерполяции, то частоту дискретизации зависит от мак- симума (п+1)-й производной на интервале интерполяции Т, где п — степень интерполяционного полинома. Но, устанавливая частоту выбо- рок таким образом, неизбежно получают избыточные отсчеты в те мо- менты, когда сигнал изменяется медленно. Можно предложить две методики для устранения избыточности: 1. Включение между устройством, осуществляющим равномерную дис- кретизацию, и потребителем устройства, сокращающего количество отсчетов до необходимого в данной ситуации (устройства сокращения избыточности). 2. Введение адаптивной дискретизации с неравноотстоящими отсчета- ми, при которой интервал между отсчетами будет согласован с теку- щей тенденцией сигнала. Неравномерная дискретизация на основе полинома первого порядка сокращает объем выборки в десятки раз. Еще одна из дополнительных возможностей основана на коррели- рованное™ соседних отсчетов. Корреляция между выборочными отсче- тами лежит в основе методов дельта-модуляции. В основе этих методов лежит принцип кодирования не величин отсчетов, а их приращений. При дельта-модуляции фиксируется только знак приращения, таким образом кодирование осуществляется одноразрядным кодом. Разностная дельта-модуляция (РДМ) отличается от дельта-модуляции лишь тем, что
Измерительно-диагностические методы и аппаратура 185 приращение сигнала кодируется малоразрядным (2-3 разряда) кодом. Очевидно, что частота выборок сигнала таких систем должна быть выше, чем у тех, в которых кодируются сами отсчеты, но тем не менее дости- гается сокращение объема информации. В кардиосигнале корреляционные связи существуют не только между соседними выборочными значениями, но и между соседними кадрами электрокардиограммы, что позволяет распространить принципы, положен- ные в основу дельта-модуляции и РДМ, и на регистрацию кадров. Целе- сообразна регистрация только «существенных» кадров, несущих новую ин- формацию, характеризующих отклонение от нормы, характеризующих кри- зис. Реализация этой идеи возможна различными способами: 1. На основе субъективных критериев. Такой способ отбора кадров широко используется в современных портативных кардиосистемах. Пациент сам инициирует запись информации в моменты появления боли, плохого или аномального самочувствия. Запись автоматически прекращается через некоторый, заранее определенный отрезок времени. 2. На основе объективных критериев. Надежность субъективных оценок невелика, известны случаи и бессимптомного развития болезни, поэ- тому эффективный путь выделения существенной информации из кардиосигнала состоит в его экспресс-анализе и выделении части его параметров, по которым делается заключение о необходимости запи- си. Этот способ достаточно сложен в реализации на ПДС, поскольку требуется быстрая и простая обработка кардиосигнала маломощными средствами. Успешность воплощения этого пути зависит от развития элементной базы и, главное, от отработки алгоритмов и критериев экспресс-анализа. Кроме того, появление нового типа запоминающих устройств — флэш-памяти (flash) фирмы Intel [181], несколько сглаживает остроту проблем, возникающих при разработке ПДС. Элемент памяти типа «флэш» представляет собой высоко интегрированное энергонезависимое полупроводниковое запоминающее устройство, обладающее большой емкостью (1-4 Мбайт) и малым потреблением электрической энергии и допускающее запись, чтение и стирание информации электрическим способом. Имеется также возможность наращивания объема за счет под- ключения дополнительных микросхем. Важной особенностью такого ЗУ является его энергонезависимость в режиме хранения. Последнее обсто- ятельство позволяет оформить одну или несколько микросхем ЗУ в виде отдельной карты памяти — своеобразной «дискеты», вставляемой в ПДС. Когда процесс записи закончен или карта полностью заполнена, она заменяется новой. Записанная карта помещается в считывающее уст- ройство, которое связано с ЭВМ и передает всю информацию. Современный уровень развития информационно-измерительной техники, микроэлектроники и медицины делает возможным постановку и решение задачи создания ПДС. Решение этой задачи требует объеди- нения усилий специалистов в области измерительной техники, микро- электроники и медицины.
Глава 6 МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ МАГНИТОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И КАБИНЕТОВ 6.1. Лечебно-диагностический комплекс Комплекс имеет смысл формировать уже при наличии одного маг- нитотерапевтического аппарата типа «Аврора МК-01». Дополнительно требуется диагностическая аппаратура. Структура лечебно-диагностичес- кого комплекса может быть представлена в виде, показанном на рис. 6.1. Рис. 6.1. Структура лечебно-диагностического комплекса Минимальный набор диагностической аппаратуры должен в соот- ветствии с 5.5, 5.6 включать кардиомонитор, реограф, измеритель арте- риального давления, измеритель температуры кожного покрова (термо- метр). Организационно в состав обслуживающего персонала комплекса це- лесообразно включить врача-физиотерапевта, медицинскую сестру, а также инженера-электроника. Методологическое обеспечение включает стандартный набор мето- дик лечения и диагностики в зависимости от вида заболеваний, инди- видуальных особенностей пациента и стадии заболеваний.
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 187 Каждая методика лечения включает вид конфигурации магнитного поля (КМП), таблицу интенсивностей, направления векторов магнит- ного поля, частоту тактов, а также длительность и число процедур. Диагностическая методика содержит перечень измеряемых параметров и порядок осуществления измерений. Врач назначает методику, а меди- цинская сестра в соответствии с этой методикой отпускает процедуры. Она проводит диагностические измерения до, во время и после сеанса, помещает пациента в магнитоскан, включает аппарат и следит за вы- полнением процедуры в течение заданного времени. Она может времен- но прервать сеанс для проведения диагностических измерений, если это определено в методике. По завершению процедуры медсестра вновь выполняет диагностические измерения. Результаты диагностических из- мерений должны быть обязательно зафиксированы на специальном бланке. Примерная форма бланка показана в табл. 6.1. Таблица 6.1 Примерная форма бланка для записи результатов диагностических измерений Бланк прилагается к истории болезни или амбулаторной карте боль- ного. Если в процессе лечения врач счел нужным изменить методику лечения (КМП, интенсивности, полярности, частоту), то это отражается в новом бланке совместно с датой перехода на новую методику. Ком- плекс рассчитан на обслуживание 15-18 пациентов за смену.
188 Глава 6 6.2. Компьютеризированный лечебно-диагностический комплекс 6.2.1. Структура комплекса Следующим шагом в направлении повышения эффективности маг- нитотерапии является создание лечебно-диагностического комплекса высшего уровня, а именно автоматизированного рабочего места врача- специалиста (АРМ ВС). АРМ ВС освобождает медицинский персонал от рутинной работы по ручному измерению физиологических параметров организма больного, по их обработке и документированию, по выбору оптимальной методики лечебного воздействия. Повышение уровня авто- матизации технологии диагностики и лечения открывает новые возмож- ности не только в практике лечения, но и при проведении исследований по выработке принципиально новых подходов и решений. Структурная схема АРМВС, который может использоваться в качестве компьютери- зированного лечебно-диагностического комплекса, показана на рис. 6.2. Основой АРМВС служит персональный компьютер (ПК), как пра- вило, IBM-совместимый. Сигналы от диагностической системы посту- пают на лабораторный интерфейс. В этом интерфейсе аналоговые сиг- налы преобразуются в цифровую форму. Оцифрованные сигналы обра- Рис. 6.2. Структура компьютеризированного лечебно-диагностического комплекса
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 189 батываются компьютером, записываются на диск и далее их можно вывести на экран, принтер или плоттер. На основе анализа текущей диагностической информации и данных, хранящихся в базе данных компьютера, врач, используя возможности экспертной системы, установленной на компьютере, формирует мето- дику магнитного воздействия, которая в той или иной форме поступает на блок управления аппарата «Аврора», создавая требуемую конфигура- цию магнитного поля. При наличии помехозащищенных измерительных каналов целесо- образно вести мониторинг физиологических параметров пациента с целью оперативного подбора наиболее рациональной КМП, отвечающей индивидуальным особенностям больного. Подключение персонального компьютера обеспечивает более эф- фективное применение лечебно-диагностического комплекса. Резко со- кращаются затраты времени на ведение медицинской документации. Принимая во внимание то, что врачам удобнее всего иметь дело с теми средствами, с которыми они уже знакомы, программа ПК должна вос- производить на экране карты показателей и прочие формы, которыми повседневно пользуются медики. Снабженный соответствующими лабораторными интерфейсами, ПК может осуществлять контроль за состоянием пациента, управление по- леформирующими индукторами, сбор первичных данных с их последу- ющим анализом и принятием решения. Диагностические сведения, собираемые с пациента во время сеанса (а также за 2 минуты до и через 2 минуты после сеанса), поступают на ПК, за пультом которого располагаются врач и оператор-инженер. Все поступающие сведения обрабатываются специальной программой и в сжатом наглядном виде представляются врачу и оператору. Врач следит за состоянием пациента и вносит необходимые коррективы в работу комплекса. Методическое программное обеспечение (ПО) предлагается несколь- ких уровней. ПО первого уровня имеет базу данных по конфигурациям магнитных полей (КМП) и их параметрам и базу данных по пациентам. Последняя формируется по образу бланка, представленного в табл. 6.1, поэтому отпадает необходимость в работе с бумагами. Результаты диагностики в каждом сеансе заносятся в базу данных избирательно для каждого па- циента автоматически. Кроме этого, ПО первого уровня имеет програм- му обработки диагностических сведений для выявления трендов и про- грамму наглядного отображения процесса воздействия и лечения. База данных КМП и их параметров включает все стандартные ме- тодики, наработанные на практике, и формируется в пакеты в зависи- мости от вида заболеваний, индивидуальных особенностей и стадии заболеваний. Выбирается КМП в соответствии с пирамидальным меню, как это показано на рис. 6.3.
190 Глава 6 База данных КМП непрерывно пополняется новыми, либо более эффективными КМП, либо для новых видов заболеваний, либо полнее учитывающими индивидуальные особенности пациента. Они разрабаты- ваются в специальных кабинетах, имеющих персонал более высокого профессионального уровня и снабженных аппаратным, программным и математическим обеспечением более высоких уровней. Рис. 6.3. Пирамидальное меню для выбора КМП ПО второго уровня, во-первых, полностью реализует задачи первого уровня и, во-вторых, дает возможность ликвидировать имеющиеся стан- дартные методики и создавать новые. При этом врач, работающий с ПО второго уровня, должен получить дополнительный сертификат обучения с оценкой знаний и умений в области магнитотерапии выбранных им заболеваний.
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 191 ПО третье! о уровня, включая все возможности первого и второго уровней, будет снабжено дополнительно экспертной системой и мате- матической моделью воздействия магнитных полей на пациента, что позволит замкнуть обратную связь. То есть в зависимости от априорных и текущих диагностических сведений и результатов их обработки ПЭВМ может самостоятельно модифицировать включенную КМП и ее пара- метры для оптимизации процесса лечения. Система при этом должна обладать элементами искусственного интеллекта, основным кредо кото- рого должно быть поставлено условие «Не навреди». ПО третьего уровня находится на стадии разработки. Естественно, что ПО всех уровней будут постоянно совершенствоваться и улучшаться. Организационное обеспечение кабинетов осуществляется врачом, оператором-инженером и двумя медицинскими сестрами на смену. Про- пускная способность кабинетов находится на уровне 45-50 человек за смену (учитывая время подготовки аппарата перед сеансом, время про- цедуры и при наличии в кабинете 2-х аппаратов «Аврора МК-01»). Процесс сбора и обработки данных при проведении лечебно-диа- гностической процедуры можно условно разбить на три этапа: сбор данных, анализ данных, представление данных (рис. 6.4). Для каждого этапа используются специальные программно-аппаратные средства, ко- торые обычно называют подсистемами. Рис. 6.4. Этапы сбора и обработки данных На первом этапе обычно происходит нормализация аналоговых сиг- налов — усиление, фильтрация, коммутация и т.п. Основной задачей подсистемы, осуществляющей эти операции, является доведение пара- метров сигналов, получаемых от первичных преобразователей, до зна- чений, применяемых для восприятия используемой подсистемой преоб- разования данных. В свою очередь последняя выполняет непосредствен- но аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов. На втором этапе подсистема обработки данных осуществляет пер- вичный анализ данных по алгоритмам, особенным для каждого диагнос- тического признака. Здесь, как правило, используются методы цифровой фильтрации, анализа в частотной и временной областях, средства мат- ричной алгебры, методы регрессионного анализа и другие статистичес- кие методы. В некоторых случаях врач на основе получаемых данных или иной информации имеет возможность активно воздействовать на
192 Глава 6 ход лечебной процедуры, изменяя параметры магнитного поля. Для этих целей служит подсистема управления. Третий этап предполагает представление полученных в результате обработки параметров физиологического состояния больного в виде гра- фиков, таблиц или диаграмм. На этом этапе происходит как оперативная визуализация, так и документирование полученных результатов. В АРМ ВС рассмотренные функции могут различным образом рас- пределяться между программно-аппаратными средствами компьютера и специализированными измерительно-вычислительными средствами. На- пример, диагностическая подсистема может быть организована следую- щим образом. Компьютер соединен по стандартному интерфейсу (IEEE- 488. RS-232) с многофункциональными контрольно-диагностическими приборами (кардиограф, реограф, измеритель артериального давления), в которых предусмотрено выполнение не только функций преобразова- ния аналоговых сигналов, но и многих функций анализа, представления данных и формирования сигналов управления. На компьютер в этом случае возлагаются обычно функции общего управления, более деталь- ного анализа (вторичной обработки), а также документирования резуль- татов. Другим вариантом компоновки АРМ ВС является использование ла- бораторного интерфейса, выполненного на отдельных модулях расши- рения, которые устанавливаются в свободные слоты компьютера. Этот вариант, конечно, реализует меньше аппаратных возможностей, чем многофункциональные приборы. Однако сравнительно малая стоимость этого варианта и доступность широкому кругу пользователей в сочетании с гибкой программной реализацией процедур, выполняемых специали- зированными приборами, делают этот вариант наиболее предпочтитель- ным для построения АРМ ВС. В составе АРМ ВС можно выделить три основных компонента: — аппаратная платформа, — программное обеспечение, — интеллектуальные средства. Аппаратное и программное обеспечение — традиционные составные части любой информационно-вычислительной системы, в данном при- ложении отличаются некоторыми особенностями, которые будут обсуж- даться ниже. Столь же важным следует признать и третий компонент — знания и умение работать с аппаратурой и программным обеспечением. Для того чтобы научиться эффективно эксплуатировать АРМ ВС, медицинскому персоналу необходимы направленная работа и помощь со стороны инженеров. Как бы ни были хороши аппаратные средства и как бы ни было приспособлено к пользователю программное обеспе- чение, для приобретения новых знаний требуются время и постоянные усилия.
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 193 6.2.2. Аппаратная платформа АРМВС Лабораторный интерфейс В обычный комплект поставки большинства компьютеров не входят какие-либо блоки для регистрации физиологических сигналов в условиях клиники. Значит, для того чтобы с помощью компьютера можно было записывать или производить какие-то операции с теми электрическими сигналами, которые интересуют врача-специалиста, необходимо под- ключить к разъему расширения компьютера лабораторный интерфейс. Для того чтобы сделать квалифицированный выбор лабораторного интерфейса для комплектования АРМВС или сформулировать обосно- ванное техническое задание на его разработку, необходимо знать воз- можности современных интерфейсов и вносимые ими погрешности, а также структурные, схемотехнические и конструкторско-технологичес- кие решения. Выбор лабораторного интерфейса определяется рядом тре- бований к скорости сбора данных, числу каналов, уровням входных напряжений, разрешающей способности и полосе частот аналого-циф- рового преобразователя (АЦП) — наиболее сложной и часто используе- мой подсистемы лабораторного интерфейса, Немаловажным фактором является и стоимость. Важно найти такое устройство, функции и пара- метры которого наилучшим образом соответствуют вашим целям. При выборе лабораторных интерфейсов также не следует забывать о необхо- димости написания программного обеспечения для работы с ними. Иногда наличие в комплекте поставки соответствующих программ может оказаться решающим фактором выбора. Аналоговый тракт лабораторного интерфейса характеризуется сле- дующими основными параметрами: — время преобразования — интервал времени с момента подачи команды начала преобразования до появления на выходе АЦП цифрового кода, соответствующего входному напряжению; — погрешность сдвига — смещение характеристики преобразования в точке начала координат; — погрешность усиления — отклонение характеристики преобразо- вания в конечной точке от идеальной после устранения сдвига; — интегральная нелинейность — максимальное отклонение кванто- ванного сигнала от идеальной характеристики преобразования за вычетом половины идеальной величины шага квантования; — дифференциальная нелинейность — максимальная разность вы- ходных кодов АЦП при подаче на вход последовательно двух сигналов, различающихся на шаг квантования; — апертурная задержка — задержка момента фактического начала преобразования относительно момента поступления команды преобразования; — апертурная неопределенность — переменная составляющая апер- турной задержки; — разрешающая способность — параметр, обычно равный половине шага квантования АЦП;
194 Глава 6 — входная полоса частот — диапазон частот входного сигнала, в котором параметры аналогового тракта выдерживаются с задан- ной точностью; — коэффициент нелинейных искажений — отношение суммы мощнос- тей гармоник к мощности основной спектральной составляющей; — отношение сигнал/шум — отношение среднеквадратических зна- чений сигнала и шума в заданной полосе частот; — эффективная разрядность — разрядность, учитывающая все виды погрешностей. В табл. 6.2 приведены сравнительные характеристики некоторых лабораторных интерфейсов для персональных компьютеров. Таблица 6.2 Сравнительные характеристики лабораторных интерфейсов Тип платы Шина компью- тера Число каналов Число разрядов Отноше- ние сигнал/ шум, дБ Время преобразова- ния, мкс Изготови- тель ADC 12-200 ISA/16 16 12 -69 6 НТК «Инстру- ментальные системы» L202 ISA/16 8/16 12 -65 4 Lcard ВН435 ISA/8 8 12 -60 20 Бинар Nat 10/32 ISA/8 8 10 -62 32 Natex ЛА-8М1 ISA/16 16 12 -60 10 ЗАО «Руднев- 111 ил яев» Обобщенная структурная схема типового лабораторного интерфейса приведена на рис. 6.5, где обозначено: К — коммутатор аналоговых сигналов на 8/16 каналов; У — дифференциальный усилитель; УВХ — устройство выборки-хранения; ADC — аналого-цифровой преобразова- тель; 8255А_1, 8255А_2 — программируемые периферийные интерфейсы, выполненные на БИС 580ВВ55А; DMA/INTR — схемы управления пре- рываниями и каналом прямого доступа в память; DACI, DAC2 — цифро- аналоговые преобразователи; 8253_1, 8253_2 — программируемые интер- вальные таймеры, выполненные на БИС 580ВИ53; RG_INTR — регистр состояний локальных запросов прерывания. Подключение лабораторного интерфейса к исследуемому объекту осуществляется через 40-контактный разъем, номера контактов и на- именование сигналов которого указаны на рисунке: 10,..., 115 — входные аналоговые сигналы; Ex st — сигналы внешнего запуска ADC; DAC1, DAC2 — аналоговые выходы; STB_A, STB B — входы стробирования цифровой информации в порты общего назначения РА7...РА0 и РВ7...РВ0; AGND, PGND, Iref — аналоговая, цифровая и референтная «земля».
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 195 17- 1 115-2 16-3 114-4 15-5 113-6 14-7 112-8 13-9 111-10 12-11 110-12 II - 13 19- 14 10- 15 18- 16 Рис. 6.5. Обобщенная структурная схема лабораторного интерфейса Персональный компьютер Анализ ситуации, имевшей место на рынке компьютерного обору- дования в последнее время, показывает, что основная его доля прихо- дится на IBM-совместимые компьютеры на базе процессоров Pentium. Может быть рекомендована следующая типовая конфигурация ап- паратной платформы АРМ ВС: — системная плата на основе процессора Pentium; — объем ОЗУ от 16 Мб (желательно 32);
196 Глава 6 — накопитель на гибком диске емкостью 1,44 Мб; — накопитель на жестком магнитном диске емкостью от 1 Гб; — привод CD-ROM; — видеоадаптер SVGA; — устройство ведения архива на магнитооптическом диске; — устройство вывода на бумагу — струйный или лазерный принтер. Приведенная конфигурация является минимально необходимой. Ее можно наращивать в соответствии с решаемыми задачами. 6.2.3. Программное обеспечение АРМВС Состав программного обеспечения При создании компьютеризированного МТК необходимо учитывать следующее важное обстоятельство. Затраты на разработку программного обеспечения существенно превышают стоимость оборудования. Из этого следует вывод о приоритетном отношении к разработке программного обеспечения. Приступая к формированию АРМВС, сначала нужно сфор- мулировать желательные свойства программного обеспечения, а затем выбирать компьютер, подходящий для этого программного обеспечения. Поток поступающего в продажу программного обеспечения столь велик и трактовка терминов и определений в этой области столь раз- нообразна, что дать строгую и подробную классификацию программных продуктов довольно сложно. На рис. 6.6 представлена обобщенная струк- турная схема типового состава программного обеспечения, которое может быть установлено на АРМВС. Можно выделить две большие категории программного обеспече- ния — системные и прикладные программы. В свою очередь эти кате- гории можно разбить на большое число различных подразделов. Потребности пользователя АРМВС, т.е. врача, представляются в компьютере и удовлетворяются прикладными программами. Другими словами, прикладные программы предназначены для реализации кон- кретных нужд пользователя, а именно: обработка текстов историй бо- лезни, регистрация, анализ и отображение физиологических каналов. Для того чтобы пользователь мог управлять компьютером, необхо- димы общие правила запуска программ и управления данными. Для создания нормально работающих программ также нужны некоторые обобщенные методы доступа к ресурсам компьютера. Все это обеспечи- вается системными ОС. Для использования в АРМВС весьма привлекательным может ока- заться многозадачный режим, ориентированный на одного пользователя. В таком режиме могут параллельно выполняться несколько программ (от 2-х до 4-х), обеспечивая врачу возможность одновременного выпол- нения следующих задач. Во-первых, диагностическое исследование — сбор, первичную обработку, визуализацию и архивирование физиологи- ческих сигналов, поступающих от пациента. Во-вторых, отправление лечебной процедуры — управление полеформирующими индукторами.
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 197 Рис. 6.6. Типовой состав ПО для АРМ ВС И, наконец, в-третьих, в интерактивном режиме вести просмотр накоп- ления данных, составлять отчет и распечатывать результаты исследова- ния. В настоящее время совместную обработку позволяет осуществить и операционная система MS-DOS, если применять дополнительную про- грамму, создающую пользователю операционную оболочку типа Тор View или Microsoft Windows. Этот вариант очень заманчив, поскольку обеспечивает увеличение производительности, не требуя отказа от ог- ромного числа ценных прикладных программ, составленных для опера- ционной системы MS-DOS. Операционная оболочка Windows является универсальной и пригод- на для составления программ произвольной предметной ориентации. За универсальность приходится платить повышенными требованиями к ап- паратной платформе. Это обстоятельство может служить основанием для приобретения или разработки специализированной многозадачной опе- рационной оболочки. Специализация и учет специфических особеннос- тей решаемых задач позволяет добиться той же производительности АРМ ВС при существенном снижении стоимости оборудования. Можно выделить два способа организации программного обеспече- ния: изолированные программы и интегрированные программные сис- темы (рис. 6.6). В первом запуск и завершение программ, их взаимо- действие между собой и оператором реализуется средствами операцион- ной системы. Обмен данными между программой-поставщиком и программой-потребителем осуществляется через файлы заданной струк- туры. Этот подход отличается сравнительной простотой комплектования программного обеспечения АРМ ВС. Программы могут приобретаться и разрабатываться изолированно с несущественными ограничениями, оп-
198 Глава 6 ределяющими тип операционной системы и структуру файлов данных. Однако инициирование отдельных прикладных программ для каждого вида работ на АРМ ВС только средствами операционной системы при- водит к неудобствам пользователя, замедляет общий процесс работы, усложняет обучение. Действительно, врач должен быть хорошо знаком с особенностями каждой программы, свободно владеть командным про- цессором операционной системы, следить за перемещением данных из файла в файл, фиксируя их имена. По этой причине использование изолированных программ может быть оправдано только на начальном этапе внедрения АРМ ВС в клиническую практику, когда еще не до конца ясны функции, требующие автоматизации, не закончена отработ- ка алгоритмов и подходов к решению тех или иных задач. Перечислен- ные недостатки послужили побудительным мотивом появления интег- рированных прикладных систем. Целью создания интегрированной системы является объединение в одной среде всех программ, используемых в АРМ ВС. Известно следую- щее определение: «Интегрированной называется система, которую поль- зователь включает утром и работает на ней весь день, не испытывая никакой потребности в других программах». Это определение объясняет привлекательность интегрированной системы для АРМВС, поскольку с его помощью каждодневно решаются примерно одни и те же задачи. Преимущества интегрированных систем проявляются в первую очередь в том, что они удобны для пользователя. Система предоставляет одина- ковые средства для доступа к различным программам. Упрощается сты- ковка программ по данным. Увеличивается скорость работы, т.к. пере- ключение с одной программы на другую осуществляется простым вы- бором соответствующих позиций в управляющем меню. Главный недостаток интегрированных систем — повышенные требования к раз- меру оперативной памяти — с лихвой компенсируется преимуществами таких систем для пользователя. Как показывает практика, окончательный выбор структуры про- граммного обеспечения АРМ и его отдельных компонентов может быть сделан только на основе тщательного анализа потребности в автомати- зации диагностических и магнитотерапевтических процедур, выявления требуемых характеристик автоматизированной системы, а также уровня затрат, необходимых на ее установку. В свою очередь сведения, необ- ходимые для такого анализа, могут быть получены и сформулированы врачом и инженером только на основании опыта практической эксплу- атации магнитотерапевтических комплексов первого уровня. Приступая к созданию программного обеспечения АРМВС, следует также иметь в виду, что оно относится к так называемым индустриально организованным программным продуктам. Системы такого типа обычно имеют большое время жизни и обслуживают большое количество поль- зователей, результаты работы которых во многом зависят от нормального функционирования предложенных программных средств. Существенной чертой индустриально организованных программных средств является
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 199 их большая сложность, практически невозможно охватить все тонкости системы одним разработчиком. Способ управления сложными системами был известен еще в древ- ности: «divide et impera» (разделяй и властвуй). При проектировании программного обеспечения АРМВС необходимо составить его из не- больших подсистем, каждую из которых можно отладить независимо от других. Причем именно правильная декомпозиция непосредственно оп- ределит сложность, присущую программному обеспечению. На рис. 6.7 приведена типовая последовательность действий при создании про- граммного обеспечения. На этапе анализа происходят первые встречи разработчиков и бу- дущих пользователей — врачей, которые, исходя из особенностей по- ставленной задачи, пытаются найти между собой общий язык. Целью анализа является описание проблемы. Описание должно быть полным, последовательным, доступным для чтения и обзора всеми заинтересо- ванными сторонами, позволяющим проводить сравнения с реальными условиями. Продукт анализа используется затем для описания основных функций АРМВС. Здесь функция — не алгоритмический термин. В контексте анализа требований к АРМВС функция — это обособленный, наблюдаемый и контролируемый фрагмент поведения. Представляется целесообразным выделить следующие функции АРМВС компьютеризированного магнитотерапевтического комплекса. 1. Функция мониторинга — непрерывный контроль параметров био- электрических сигналов, поступающих от пациента. 2. Функция управления — вычисление и вывод вектора управления по- леформирующими индукторами в соответствии с методикой лечения. 3. Функция сопровождения базы данных — ввод, хранение, актуализа- ция, документирование и защита измерительной и текстовой инфор- мации о пациенте. 4. Функция цифровой обработки сигналов — вторичная обработка изме- рительной информации с целью определения диагностических при- знаков состояния больного. 5. Функция экспертной системы — обеспечение лечащему врачу уровня компетентных (специальных) знаний врача-эксперта. 6. Функция интерфейса пользователя — обеспечение общения врача и компьютера. Каждую из этих функций можно рассматривать как отдельную задачу и оформить их в виде законченных исполняемых программ. Для удобства работы пользователя они могут быть интегрированы графической окон- ной оболочкой в единую систему. При необходимости вызывается одна из программ, результатом которой будет файл на диске, твердая копия отчета и т.п. Строго упорядоченная во времени последовательность вызова задач позволяет построить программное обеспечение, опираясь на методы пос- ледовательного программирования, поддерживаемые однозадачной опе- рационной средой.
200 Глава 6 Рис. 6.7. Типовая последовательность действий при создании программного обеспечения АРМ ВС Однако при таком подходе обращают на себя внимание две трудно преодолимые проблемы. Во-первых, все задачи образуют единый про- граммный комплекс услуг в рамках АРМ ВС и требуется их активное взаимодействие в процессе работы. Организация этого взаимодействия через файлы на диске приведет к значительным временным затратам из-за необходимости перезагрузки задач, являющихся поставщиками требуемой для обработки информации. (Напомним, что интегрирован- ные прикладные системы только повышают удобство работы пользова-
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 201 теля, но не снимают этой проблемы.) Во-вторых, некоторые задачи, как например мониторинг, работают в реальном масштабе времени и не допускают своего удаления из памяти из-за возможной потери инфор- мации, поступающей извне (в нашем примере от АЦП). Поэтому при работе одной из таких задач все остальные задачи блокируются, что крайне расточительно с точки зрения использования вычислительных ресурсов, поскольку высокопроизводительный процессор в этом случае подавляющую часть времени может находиться в состоянии ожидания. Один из вариантов решения этих проблем состоит в отказе от пред- ставления, что задачи АРМВС выполняются последовательно, т.е. в каж- дый момент времени работает только один исполнитель. Будем считать, что для достижения какой-либо цели может одновременно работать кол- лектив задач. Слово «коллектив» подчеркивает, что между задачами име- ются каналы оперативной связи. Такой подход оправдан еще и тем, что некоторые из задач, например, мониторинг, разбиваются на несколько частей, которые описываются логически независимыми алгоритмами и должны работать в реальном масштабе времени, и набор этих частей может меняться в зависимости от поставленной цели (рис. 6.8). Меха- низм, управляющий как коллективом задач, так и коллективом частей в рамках одной задачи может быть (и должен быть) одним и тем же. Для строгости дальнейшего изложения введем общепринятое поня- тие процесса и определим его как логически завершенную программную единицу, конкурирующую за ресурсы компьютера для своего выполне- ния. Под задачей мы будем понимать программу, реализующую одну из Сбор Програм- мирование 11ДП АЦП Переключе- ние буферов в ОЗУ (ФНЧ, ФВЧ и т.п.) Визуализация Графические окна Текстовые окна Сжатие и форматирова- ние буфера В/В Специальная обработка (ЧСС, идентификация аритмий и т.д.) Слежение (контроль выхода за допустимые пределы) Рис. 6.8. Структура задачи мониторинга
202 Глава 6 функций АРМ ВС. Тогда задача является либо одним процессом (напри- мер, процесс цифровой обработки сигналов), либо представляет собой коллектив процессов. Например, в рамках задачи мониторинга функционируют процессы сбора, первичной обработки, визуализации и архивирования. На рис. 6.9 приведен пример возможной ситуации при работе АРМ ВС. Процессы на рисунке представлены прямоугольниками, показаны задачи, поро- дившие тот или иной процесс, а также отмечено, работает ли данный процесс в реальном масштабе. Работа в реальном времени означает, что имеются жесткие временные ограничения из-за возможной потери ин- формации, поступающей извне. Совокупное поведение коллектива таких процессов нельзя описать строго упорядоченной во времени последовательностью действий, по- скольку состояние, в котором находится один процесс, никак не зависит от состояния других процессов. Такие процессы называют асинхронны- ми. Именно асинхронные процессы наиболее адекватно моделируют желаемое поведение АРМВС, но проектирование такой модели в тер- минах последовательного программирования встречает непреодолимые трудности. Очевидно, что организация взаимодействия асинхронных процессов может быть выполнена только с помощью средств, постав- ляемых внешней средой. В качестве такой внешней среды выступает многозадачная операционная система или многозадачная операционная оболочка. Важное значение в этих условиях приобретает выбор технологии программирования. В настоящее время существует ряд приемов про- граммирования, наиболее известные из которых приведены на рис. 6.7. Это процедурное, модульное и объектно-ориентированное программи- -> Командный процессор ЛС В/В ЛС Локальная сеть Основное меню Связь с оператором Рис. 6.9. Задачи и порождаемые ими процессы
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 203 рование. По заключению специалистов объектно-ориентированное про- граммирование — единственная методология, позволяющая справиться со сложностью, присущей самым большим системам. Объектный подход включает принципы абстрагирования, ограничения доступа, модульнос- ти, иерархии, типизации, параллелизма и устойчивости. По-видимому можно назвать только непринципиальные причины, по которым при- менение объектно-ориентированного программирования может оказать- ся нецелесообразным — это неподготовленность персонала или отсут- ствие соответствующих технических средств. Последнее обстоятельство, тем не менее, не должно ставить под сомнение принцип выбора аппа- ратных средств после выбора программного обеспечения. Рассмотрим наиболее характерный случай оформления программ- ного обеспечения АРМВС в виде интегрированной прикладной системы, функционирующей в однозадачной операционной среде MS-DOS. Ос- новываясь на этом выборе, проанализируем особенности реализации отдельных функций АРМВС. 6.2.4. Интегрированный пакет прикладных программ Методология проектирования программного обеспечения для АРМВС выбиралась исходя из того, что АРМВС является сложной сис- темой, поскольку имеет все основные признаки последней [182]: — во-первых, она состоит из взаимозависимых подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть разделены на подсистемы (т.е. имеет иерархическую структуру); — во-вторых, внутриэлементные связи сильнее межэлементных свя- зей, что обуславливает разделение системы на автономные части, которые можно изучать и проектировать по отдельности; — в-третьих, во всех частях структурной иерархии имеется большое число «унифицированных элементов» (экономия средств выра- жения). Известно, что сложные системы имеют тенденцию к развитию во времени. Работающая сложная система неизбежно оказывается резуль- татом развития работающей простой системы. Следствием вышесказанного является необходимость организации коллективной работы программистов, разрабатывающих параллельно от- дельные части общей программы. Современный подход к решению по- добных проблем основан на декомпозиции, когда сложная программная система составляется из небольших подсистем, взаимодействующих друг с другом по хорошо определенным и простым правилам. Если достигнуть этой цели, то разработка отдельных модулей может осуществляться раз- личными людьми независимо друг от друга, при этом объединенная программа будет функционировать правильно. Основной вопрос те- перь — каким образом осуществить декомпозицию. Методологии, используемые на этой стадии, делятся на две группы: ориентированные на обработку (алгоритмическая декомпозиция) и ори-
204 Глава 6 ентированные на данные (объектно-ориентированная декомпозиция). Опыт показывает, что полезнее применять объектный подход [182]. Он позволяет лучше понять структуру программной системы и дает возмож- ность сокращать ее размер путем использования общих механизмов, обеспечивающих необходимую экономию выразительных средств. Объ- ектно-ориентированные системы более открыты и легче поддаются мо- дернизации. Кроме того, объектная декомпозиция уменьшает риск со- здания сверхсложных программных систем, так как она предполагает эволюционный путь развития системы на базе относительно небольших подсистем. Поэтому представляется целесообразным использование ме- тода объектно-ориентированного проектирования. Это, в свою очередь, дает возможность выбрать инструментальное программное обеспечение, определить правила построения межзадачного интерфейса, а также на- метить стратегию оптимального использования оперативной памяти компьютера — самого дорогого ресурса. В качестве инструментального программного обеспечения могут быть рекомендованы объектно-ориентированные языки Borland Pas- cal 7.0, Borland C++ 3.1. Данный выбор в значительной степени обу- словлен наличием в комплекте поставки объектно-ориентированной библиотеки Turbo Vision 2.0, которая является иерархией объектов для построения оболочек оконной программы, управляемой событиями, и библиотеки Supervision, являющейся расширением Turbo Vision для гра- фического режима. Добавляя к данным иерархиям новые объекты, можно достаточно легко строить высококачественные разветвленные пользовательские интерфейсы, уделяя при этом основное внимание со- держательной части программы. При работе в среде Windows хорошие результаты дает использование языка Object Pascal и средств визуального программирования Delphi 2. Поскольку отдельные задачи АРМВС (мониторинг, база данных, процессор цифровой обработки сигнала (ЦОС) и т.д.) являются объек- тами со слабым взаимодействием (т.е. без интенсивного обмена данны- ми), то их можно оформить как оверлеи без существенного снижения общей производительности системы. Оверлеи — это части программы, которые разделяют общую область памяти. Только те части программы, которые требуются для выполнения данной функции, размещаются в памяти в это время, затем они могут быть перекрыты другими програм- мами. Оверлеи могут значительно сократить количество памяти, требуе- мое для выполнения программ, поскольку в каждый момент времени размещается только часть программы. Определим теперь механизмы взаимодействия между различными элементами АРМВС. Выше было отмечено, что в сложных системах внутриэлементные связи сильнее межэлементных. В силу этого требу- ются различные механизмы для реализации этих связей. В данном случае под межэлементными связями будем понимать связи между макрообъек- тами (база данных, мониторинг и т.д.), а под внутриэлементными — между объектами в пределах одного макрообъекта.
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 205 Для внутриэлементных связей удобно использовать механизм управ- ления событиями, который встроен в Turbo Vision. События — это небольшие пакеты информации, описывающие отдельные случаи, на которые программа должна реагировать. Событиями являются, напри- мер, каждое нажатие клавиши, каждое действие «мыши», любое условие, генерируемое другими компонентами программы. Механизм управления событиями универсален и удобен, но не приспособлен для передачи информации между объектами. Для этого нужно создать посредников, которые имеют стандартные свойства, известные всем взаимодействую- щим элементам программы. Тогда межэлементное взаимодействие может быть осуществлено через этих посредников. В принципе обмен данными между элементами можно осуществлять через глобальные статические переменные. Однако в силу интерактивной природы системы, заранее точно неизвестно какая именно информация и в каком объеме потре- буется, поэтому при взаимодействии через статические переменные нужно резервирование памяти на «худший» случай, что приведет к зна- чительным расходам последней. После анализа возможных решений для межэлементных взаимодействий выбраны так называемые каналы, пред- ставляющие собой объекты, в которые встроены стандартные средства для передачи информации от поставщика к потребителю. (Подобный механизм используется как средство межзадачного взаимодействия в некоторых операционных системах, например OS/2 [183].) Все постав- щики и потребители «знают» как обмениваться информацией с каналом, а канал «умеет» обрабатывать ошибочные ситуации при обмене (напри- мер, переполнение). Поэтому вне зависимости от того, сколько объектов участвует в обмене, взаимодействие не усложняется, т.к. оно встроено внутрь взаимодействующих элементов. Каналы могут динамически со- здаваться и уничтожаться по мере необходимости, поэтому памяти они расходуют столько, сколько нужно в данный момент. С точки зрения программной реализации канал представляет собой объект, имеющий циклический буфер и набор методов для обслужива- ния операций обмена с этим буфером. Может быть несколько постав- щиков информации в один канал, но потребитель должен быть единст- венный. Выводы: — каждая компонента (задача) АРМ ВС может программироваться и тестироваться отдельно; — интегрированный пакет имеет оверлейную структуру; — для программирования используется объектно-ориентированный язык с активным использованием существующих иерархий объ- ектов и событийного программирования; — нужно стремиться к минимальному использованию глобальных статических данных; — в качестве стандартного средства связи между задачами исполь- зуются каналы.
206 Глава 6 6.2.5. Мониторинг Принципы организации Мониторинг — одна из важнейших функций АРМВС, состоящая в непрерывном контроле биомедицинских параметров организма на за- данном отрезке времени. Такой контроль может осуществляться на всех этапах лечения. Во-первых, на этапе диагностики, когда врачу необхо- димы объективные показатели о состоянии больного. Во-вторых, непо- средственно на этапе отправления лечебных процедур для оперативного слежения за динамикой хода лечения. И, наконец, в заключительной стадии, когда формулируются итоги проведенного лечения. Сущность мониторинга заключается в выполнении следующих ос- новных операций: — регистрация физиологических сигналов (например, ЭКГ, ЭЭГ и т.п.), т.е. сбор первичной информации; — получение информации о фактическом состоянии пациента, о признаках и показателях этого состояния в терминах медицин- ской практики: частота сердечных сокращений (ЧСС), артери- альное давление, частота дыхания, температура участков тела, т.е. выявление первичных параметров. Эта операция, как правило, сопровождается предварительной цифровой фильтрацией, на- правленной на улучшение качества сигнала и повышение эффек- тивности алгоритмов его дальнейшей обработки; — сопоставление первичных параметров с заранее установленными требованиями, нормами, критериями, т.е. обнаружение соответ- ствия или несоответствия фактических значений параметров тре- буемым и сигнализация тревоги в случае выхода какого-либо показателя за допустимые пределы. Последние две операции обычно объединяют одним термином — первичная обработка. Сопоставление параметров может производиться как автомати- чески, так и при непосредственном участии врача. Для этого физиологические сигналы должны отображаться на экране тер- минала в удобной для врача графической форме. Все регистра- ционные данные или их часть по выбору врача могут сохраняться на магнитных носителях и документироваться (выводиться на плоттер или принтер). Важнейшим отличительным свойством мо- ниторинга следует считать реальный масштаб времени выполне- ния всех операций. Итак, мониторинг — это выполнение в реальном времени следую- щих операций: а) сбор первичной информации; б) первичная обработка измерительной информации; в) визуализация сигналов и их параметров; г) архивирование данных; д) документирование данных.
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 207 Рассмотрим теперь вопросы программной реализации функций мо- ниторинга. В основу программной модели положены понятия задачи и процесса. Именно совокупное поведение коллектива процессов и опи- сывает программную модель мониторинга. При разработке таких про- граммных систем должны быть учтены интересы трех сторон: — отдельного процесса; — коллектива процессов; — внешнего по отношению к коллективу объекта, поставляющего информацию для обработки в реальном масштабе времени. С точки зрения отдельного процесса следует считать, что одновре- менно с ним выполняются другие процессы, с которыми он может взаимодействовать. Минимальный набор средств взаимодействия про- цессов, определяющий горизонтальные связи между ними, должен обес- печивать: — возможность создания и удаления процесса; — возможность синхронизации с другими процессами; — возможность обмена данными с другими процессами. С точки зрения коллектива процессов нужен механизм, регулирую- щий совместное использование процессами общих ресурсов компьютера. Общие ресурсы — прежде всего процессорное время, которое нужно тем или иным способом распределять (планировать) между многими про- цессами; это периферийные устройства, которые доступны нескольким процессам; наконец, это общие процедуры, т.е. процедуры, которые могут вызываться из многих процессов. В соответствии с этим для уп- равления коллективом процессов требуются: — планировщик процессорного времени; — супервизор ввода-вывода; — монитор системных функций (директив). С точки зрения внешнего объекта-поставщика информации в сис- тему, последняя должна обладать высокой реактивностью на внешние события, т.е. система должна иметь малое время реакции на внешние прерывания. В противном случае возможна потеря входных данных, и работа в реальном масштабе времени будет некорректна. Таким образом, работа в реальном масштабе времени требует эффективного механизма обработки внешних прерываний с малым временем реакции. Рассмотрим несколько подробнее вопрос программирования функ- ций мониторинга с точки зрения отдельного процесса. На рис. 6.10 представлены средства взаимодействия процессов. Семафор — это механизм, обеспечивающий последовательный до- ступ нескольких процессов к разделяемому ресурсу. Семафором поль- зуются для того, чтобы в рамках одного процесса ограждать критические участки (код, реализующий доступ к разделяемому ресурсу, называется критическим участком) от возможного влияния других процессов. С помощью сигналов процессы могут, с одной стороны, сообщать друг другу о событиях, становящихся им известными, с другой стороны, они могут пассивно (в очереди) ждать поступления этих событий.
208 Глава 6 Семафор реализуется как переменная S, принимающая значения 0 или 1, и связанная с ней очередь, в которой процессы могут ожидать освобождения семафора. Доступ к переменной S разрешен только при помощи специальных операций Р и V (оградить и освободить). Операция Р над семафором записывается как P(S) и выполняется следующим образом: если S>0, то S:=S-1, иначе (ожидать на S). Операция V над семафором S записывается как V(S) и выполняется следующим образом: если очередь (S) пуста, то S:=S+1, иначе (активизировать процесс, пер- вый в очереди (S)). Рис. 6.10. Средства взаимодействия между процессами Если процесс использует разделяемый ресурс, защищенный сема- фором S, то при входе в критический участок он должен выполнить операцию P(S), а при выходе — V(S). Сигнал — это механизм, позволяющий процессу ожидать некоторого события в пассивном состоянии. Сигнал реализуется в виде переменной Е, принимающей значения «есть» и «нет», и связанной с ней очередью. Над переменной Е определены две операции: wait и signal (ждать и послать). Операция wait над сигналом Е записывается как wait(E) и выпол- няется следующим образом: если очередь (Е) пуста, то Е:= нет, иначе (ожидать на Е). Операция signal над Е записывается как signal(E) и выполняется следующим образом: если очередь (Е) пуста, то Е:= есть, иначе (активизировать процесс, первый в очереди (Е)). Для каждого события, являющегося важным для группы процессов, назначается свой сигнал. Процесс, желающий синхронизироваться с со- бытием Е, выдает команду wait(E), а синхронизирующий процесс выдает signal(E) при наступлении данного события. Сигналы и семафоры являются универсальными механизмами любой многозадачной программной системы и поэтому должны быть
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 209 встроены либо в операционную среду, либо в системные функции ПО АРМ. Для выбора средств обмена данными между процессами зададимся конкретной ситуацией, которая может возникнуть при функционирова- нии АРМВС. Пусть требуется провести комплексный мониторинг сле- дующих параметров с сохранением результатов на диске: 1) двух кардиоотведений с подавлением наводок сети и отображе- нием электрокардиограмм на дисплее; по первому отведению определять частоту сердечных сокращений (ЧСС), выводить его текущее значение на экран и сигнализировать о выходе ЧСС за установленные границы; 2) реограммы с выводом графика на экран; 3) температуры пациента с отображением текущего значения. Из анализа поставленной задачи следует, что требуется вводить ин- формацию по четырем каналам АЦП, обрабатывать ее различными спо- собами и выводить результаты на экран и диск. При такой постановке задача может быть решена с помощью блоковых передач совместно с тройным буферированием [184]. Блоковая передача — это ввод-вывод, использующий метод прямого доступа в память (ПДП). Обмен данными между процессами сбора, обработки и визуализации производится через общие блоки памяти (буферы), которые синхронно переключаются про- цессом сбора. Схема переключения буферов при такой организации мониторинга показана на рис. 6.11. Рис. 6.11. Обмен данными между процессами с тройным буферированием АЦП по каналу 0 ПДП заполняет информацией буфер 1. Одновре- менно с этим процессор занят обработкой буфера 2, в который инфор- мация была загружена от АЦП в предыдущем цикле. Из буфера 3, где содержатся результаты обработки, полученные в предыдущем цикле, по каналу 1 ПДП информация записывается на диск. Данный способ связи между процессами позволяет достичь максимального быстродействия, но имеет ряд серьезных недостатков. Во-первых, память компьютера может использоваться нерационально, например, в том случае, когда
210 Глава 6 требуется значительный размер буфера для ввода информации с АЦП, а после обработки объем сохраняемой информации уменьшается на не- сколько порядков. Во-вторых, данный способ обмена данными не яв- ляется универсальным, поскольку процессы, использующие его, должны быть строго синхронизированы друг с другом и работать по цикличес- кому алгоритму. Поэтому организация связи через общие буферы между асинхронными процессами, обслуживающими локальную сеть или мед- ленно действующие периферийные устройства (например, принтер), представляется затруднительной. С точки зрения универсальности, внимание привлекает способ об- мена данными, реализуемый с помощью каналов (транспортеров, поч- товых ящиков) [183, 185, 186]. По логике своей работы канал похож на последовательный файл, в который один или несколько процессов-ис- точников могут только записывать информацию, а единственный про- цесс-приемник — только считывать. Канал реализуется в виде цикли- ческого буфера, работающего по принципу FIFO (первый пришел — первым выйдешь). Обмен данными через такой канал показан на рис. 6.12. Рис. 6.12. Обмен данными между процессами по каналу На рис. 6.13 схематично изображено выполнение поставленной выше задачи мониторинга, дополненной для общности задачами локаль- ной сети и СУБД, с использованием каналов как средства обмена дан- ными между процессами. Такое представление поможет определить не- обходимые свойства, которыми должны обладать в данном случае кана- лы. Процессы, существующие в данный момент, показаны прямоуголь- никами и расположены в рамках породивших их задач. Каналы изобра- жены в виде окружностей. Мониторинг осуществляют 13 параллельных процессов, обменивающихся данными через 8 стандартных каналов, а всего зарегистрировано 17 процессов и открыто 10 каналов. АЦП связан с процессом сбора через общую память посредством двойного буферирования. Это единственное место, где не может быть применен стандартный канал из-за природы блоковой передачи, кото- рую использует АЦП для записи измерительной информации в память (процессор в этом случае не является инициатором обмена и, следова- тельно, программные указатели, используемые для управления каналом, не работают). Процесс сбора переключает, когда нужно, буферы, программирует АЦП на блоковый ввод и дает сигнал о том, что информация в буфере
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 211 обновилась. Этот сигнал активизирует процесс, который распределяет информацию из буфера по соответствующим каналам и обеспечивает для каждого канала требуемую частоту дискретизации путем прорежи- вания (если это требуется). Заполнение каналов вызывает активизацию процессов-потребителей, которые после обработки поступившей в их входной канал информации переходят в пассивное состояние до тех пор, пока канал вновь не заполнится. Некоторые из процессов являются также поставщиками в другие каналы и, записав туда информацию, вызывают тем самым активизацию других процессов. Такая каскадная схема представляется универсальной и легко перестраиваемой. Для этого случая основные требования к каналу можно определить следующим образом: — в канале должен присутствовать механизм, активизирующий про- цесс-потребитель при заполнении этого канала; — канал должен уметь обслуживать несколько процессов-потреби- телей (рис. 6.14). Рис. 6.13. Структура задачи мониторинга: К — канал; ГО — графическое окно; ТО — текстовое окно; ФНЧ — фильтр нижних частот
212 Глава 6 Рис. 6.14. Канал с несколькими процессами-потребителями Рассмотрим некоторые аспекты управления коллективом процессов, обусловленных наличием в системе общих ресурсов и асинхронной при- родой процессов. Однопроцессорная архитектура компьютера порождает необходи- мость в механизме переключения процессора с выполнения одной задачи на другую. Этот механизм называется планировщиком, а акт планиро- вания заключается в оценке состояния системы с целью выбора процесса для активизации. Логика выбора следующего процесса определяет эф- фективность работы коллектива в целом. Существуют два основных метода, позволяющих реализовать пере- ключение процессов [183, 185]: — переключение по событию; — разделение времени. При переключении по событию активный процесс добровольно от- дает процессор при ожидании некоторого важного для себя события и машинное время предоставляется другому процессу. Метод разделения времени основан на использовании внешнего сиг- нала, поступающего через равные интервалы времени. Обычно это ап- паратные прерывания от таймера. Когда возникает такое прерывание, активный процесс приостанавливается с сохранением его контекста и осуществляется акт планирования. Каждый из этих методов в чистом виде не применяется при проек- тировании реальных систем, а является только стратегией планирования. Переключение по событию эффективно в многопользовательских интерактивных системах, где продолжительные расчеты редки, а опера- ции ввода-вывода многочисленны. В нашем случае, напротив, система является однопользовательской с преобладанием задач обработки изме- рительной информации, и поэтому стратегия, основанная на методе разделения времени, представляется более предпочтительной. При планировании необходимо учитывать специфику некоторых процессов. Например, процессы, работающие в реальном масштабе вре- мени, должны пользоваться предпочтением при выборе следующего ак- тивного процесса. Это можно сделать, присвоив каждому процессу оп- ределенный приоритет и учитывая эти приоритеты при планировании.
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 213 Для повышения производительности коллектива в целом процесс не должен ожидать событий, находясь в активном состоянии — это приводит к непроизводительным расходам машинного времени. В таких случаях активный процесс должен иметь возможность добровольно ос- вободить ЦП до истечения отпущенного ему кванта времени (в этом случае будет произведено планирование по событию). Теперь можно определить возможные состояния процесса: — состояние готовности к выполнению («готов»); — состояние выполнения или активное («выполняется»); — состояние блокировки («блокирован»). Возможные переходы процесса из состояния в состояние и причины, вызывающие эти переходы, отражены в табл. 6.3 и на рис. 6.15. Таблица 6.3 Переходы процесса из одного состояния в другое Причина смены состояния Начальное состояние Конечное состояние Активизация процесса Готов Выполняется Истечение кванта Выполняется Готов Блокирование Выполняется Блокирован Пробуждение процесса Блокирован Готов В результате мы определили требования к планировщику: 1) стратегия планирования — метод разделения времени в сочетании с системой приоритетов; 2) должны поддерживаться три состояния процесса («готов», «вы- полняется», «блокирован») и четыре операции по смене этих состояний. Интерфейс пользователя Процедуру мониторинга можно разбить на следующие этапы: — определение параметров мониторинга; — настройка и конфигурирование аппаратных средств сбора данных; — выполнение процесса мониторинга. Определим требования к каждому этапу с точки зрения врача-спе- циалиста. Определение параметров мониторинга, во-первых, должно производиться в терминах предметной области и, во-вторых, должно быть лишено рутинных операций. Настройка и конфигурирование ап- паратных средств сбора данных должны быть как можно более скрыты от врача, но в случае, если они все же потребуются, каждый шаг этого этапа должен сопровождаться системой контекстной подсказки и помо- щи.
214 Глава 6 Рис. 6.15. Состояния процесса и их изменения При выполнении мониторинга врач должен иметь простые и понят- ные средства оперативного управления с возможностью возврата на шаг назад при ошибочном вводе команды. Параметрами мониторинга выбраны отведения ЭКГ, реограмма, температура и артериальное давление пациента. Существуют различные системы отведений ЭКГ. Каждое отведение регистрирует разность потенциалов, существующую между двумя опре- деленными точками электрического поля сердца, в которых установлены электроды. Для каждого отведения имеются положительные (+) и отри- цательные (-) электроды. В настоящее время в клинической практике наиболее широко используются 12 отведений ЭКГ: три стандартных отведения (1, 2, 3), три усиленных однополюсных отведения от конеч- ностей (aVR, aVL, aVF) и шесть грудных отведений (VI, V2, V3, V4, V5, V6). Используемое отведение получается в результате наложения электродов по соответствующей методике. Каждый электрод накладывается обычно на соответствующую ему точку тела: R — правая рука; L — левая рука; F — левая нога; С1...С6 — грудные электроды; N — правая нога (электрод для заземления). Например, 1-е стандартное отведение регистрируют как разность потенциалов между электродами L и R (L — R), 2-е стандартное отве- дение — (F — R), 3-е — (F — L), отведение VI получают как разность потенциалов между электродом С1 и объединенным электродом Виль- сона, образуемым при соединении через дополнительное сопротивление электродов R, L и F. Кроме отведений ЭКГ, параметрами мониторинга могут быть тем- пература (Т), два параметра реограммы (Z и dZ). Поскольку измерение артериального давления пока полностью не автоматизировано и в про- цессе измерения требуется интерактивное взаимодействие с оператором, то непрерывный мониторинг по данному параметру проводить нельзя. Для контроля и отладки системы введен тестовый параметр мониторинга (Test).
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 215 Этап определения параметров мониторинга существенно упрощается при использовании готовых методик. В качестве прототипа можно взять следующие методики, используемые в промышленном электрокардио- графе ЭК-64-01: 1) измерение ЭДС сердца во фронтальной плоскости (по Bayley), использующее регистрацию отведений 1, 2, 3, aVR, aVL, aVF; 2) измерение ЭДС сердца в горизонтальной плоскости (по Wilson), использующее регистрацию отведений VI, V2,..., V6; 3) смешанная ме- тодика, при которой регистрируются отведения aVL, aVF, V1,...,V4. Кроме выбора стандартных методик, нужно иметь редактор, позво- ляющий создавать новые методики, сохранять их и редактировать. При аппаратной настройке и конфигурировании, во-первых, для каждого канала должны быть определены такие характеристики, как тип входа (дифференциальный / недифференциальный), диапазон входного сигнала (0...+ 10В / -5...+5В), коэффициент усиления (1, 2, 5 или 10) и подключенный датчик (один из кардиоэлектродов, Т, Z, dZ или Test). Во-вторых, должны быть определены общие для всех каналов установки АЦП, включающие в себя частоту дискретизации и объем выборки. В-третьих, используя данные из выбранной методики об используемых параметрах мониторинга и данные о подключении датчиков, определя- ются используемые каналы АЦП и последовательность их подключения при сборе информации. Вышеописанный подход использовался при построении пользова- тельского интерфейса задачи мониторинга. Задача мониторинга становится активной при выборе в главном меню (рис. 6.16) окна мониторинга, при этом последнее раскрывается на весь экран (рис. 6.17). Если требуется изменять какие-либо параметры мониторинга, то нужно выбрать пункт локального меню «Планирование». При этом вы- зывается окно «Планирование мониторинга», в котором можно произ- вести все установки (рис. 6.18). Таблица «Список каналов» позволяет в систематизированном виде просмотреть все текущие настройки по всем каналам АЦП и при необ- ходимости менять их. Для этого соответствующее поле таблицы нужно отметить курсором мыши. Текущее поле выборки выделяется рамкой и его можно менять клавишами управления курсором. При перемещении по списку каналов в таблицах «Метод», «Диапазон», «Усиление», «Дис- кретизация», «База выборки», «Датчик» устанавливается информация, соответствующая текущему состоянию выбранного канала. Изменение параметров измерительного канала осуществляется на- жатием радиокнопки, помечающей требуемое значение параметра. При этом следует помнить, что частота дискретизации и объем выборки («База выборки») являются общими для всех каналов и их можно уста- новить в одно из фиксированных значений, представленных соответст- вующими радиокнопками. По желанию оператора датчику и измерительному каналу можно присвоить произвольное содержательное имя. Для этого нужно нажать
216 Глава 6 Рис. 6.16. Главное меню интегрированного ППП для АРМВС Рис. 6.17. Окно мониторинга кнопку «Имена датчиков» и в выпадающем окне (рис. 6.19) отредакти- ровать соответствующую строку. Создав необходимую конфигурацию системы сбора данных, опера- тор имеет возможность сохранить ее, присвоив ей определенное имя в поле «Имя методики» и нажав кнопку «Добавить». Убедиться в том, что
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 217 Рис. 6.18. Окно планирования мониторинга Рис. 6.19. Окно редактирования имен датчиков методика записана в список, можно, нажав кнопку максимизации окна «Имя методики» (рис. 6.20). Запуск методики на исполнение осуществляется выбором ее имени из списка имен скролингом «Выбор методики» и нажатием кнопки
218 Глава 6 «Применить». На экране в реальном масштабе времени будут отобра- жаться измерительные сигналы, поступающие в компьютер по выбран- ным каналам (рис. 6.21). Запись информации на диск инициируется нажатием кнопки «Запись». В процессе мониторинга можно оперативно управлять параметрами визуализации. Щелчок мыши в поле отображаемого параметра делает Рис. 6.20. Окно списка имен методик Рис. 6.21. Окно текущего мониторинга
Методология построения магнитотерапевтических комплексов 219 его текущим. Для текущего канала с помощью соответствующих кнопок можно установить смещение и усиление по вертикальной оси и вклю- чить прореживание по горизонтальной оси. Процесс мониторинга может быть приостановлен и потом продол- жен с помощью кнопки «Пауза». Окончание мониторинга происходит при нажатии кнопки «Закрыть». 6.2.6. Процессор цифровой обработки сигналов Основы цифровой обработки биомедицинских сигналов Постановка диагноза, составление прогноза и выбор методики ле- чения в значительной степени опираются на объективный анализ био- электрических сигналов, регистрируемых в ходе мониторинга. В неко- торых случаях возможна и ручная обработка сигналов, тем не менее автоматический расчет информативных параметров с помощью компью- тера дает большие преимущества и требует меньших усилий. Наиболее важные преимущества автоматической обработки данных состоят в сле- дующем: 1) обработка данных осуществляется по одинаковой схеме; 2) результаты представляются в стандартном виде; 3) можно использовать стандартную терминологию. Некоторые же показатели просто не могут быть получены путем ручной обработки, и в этих случаях преимущества компьютера совершенно очевидны. Данные, получаемые при регистрации сигналов, чаще всего пред- ставляются в виде кривых ЭКГ, реограмм, давления крови, температуры, передаваемых в компьютер в виде последовательности чисел x(j). При обработке таких данных компьютеры выполняют следующие задачи: фильтрация, распознавание образов, измерение параметров и интерпре- тация данных. Фильтрация повышает качество записи сигнала и подавляет шумы, которые связаны в основном с мышечным тремором, смещением электро- дов и электрическими помехами. Обычно применяют низкочастотные циф- ровые фильтры. Их можно подразделить на три основных класса. 1. Фильтр скользящего среднего. Это самый первый и самый простой тип цифровых фильтров. Каждое выходное значение y(j) рассчитыва- ется исходя из ограниченного набора входных точек x(j) по формуле: уG) = £ w(n)x(j-n) , (6-1) П--Р где w(n) — набор (2р+1) весовых коэффициентов. Данное уравнение подразумевает, что используется равное число дис- кретизированных значений до и после х(п) — точки, в окрестности ко- торой в данный момент времени производится сглаживание. При до- полнительном ограничении, состоящем в том, что весовые коэффициенты симметричны относительно х(п), т.е. w(i) — w(-i), сдвиг фаз становится равным 0 или л; такой фильтр можно отнести к фильтрам с нулевым фазовым сдвигом.
220 Глава 6 2. Рекурсивный фильтр. Для расчета выходных параметров используют- ся не только вход