Материал: В.П.Олейник ОВФПсБО учебное пособие

лярна скорости движения иона). Таким образом, энергия магнитного поля трансформируется в фактор стимуляции биохимических процессов.

Лекарственный магнитофорез – введение лекарственных форм через кожный покров под действием магнитного поля (рис. 2.8). Необходимым условием проведения лекарственного магнитофореза является диссоциация на ионы лекарственной формы в растворе. Наложение внешнего магнитного поля приводит к усилению диффузии через потовые и сальные каналы, межклеточное пространство за счет силового действия магнитного поля на ионы лекарственного препарата.

Биоткани Ионное «депо»

Рис. 2.8. Принцип проведения лекарственного магнитофореза

Эффект Холла наблюдается в сосудах с физиологически направленным движением крови и лимфы. Поскольку лимфа и особенно кровь являются биологическими электролитами, то сосудистое русло можно трактовать как проводник с током, помещенный во внешнее магнитное поле. Величина протекающего тока I будет пропорциональна концентрации и заряду ионов в электролите и скорости их перемещения (например скорости кровотока). Тогда на стенках сосуда возникает поперечная ЭДС (ЭДС Холла) UХ = (RХ [IB])/d, где RХ - постоянная Холла, d – диаметр сосуда. Таким образом, на собственные биоэлектрические потенциалы, вызванные физиологическими процессами в организме, накладываются потенциалы, индуцированные внешним магнитным полем. Степень такого влияния будет определяться устойчивостью гомеостатических механизмов организма по отношению к данному воздействию.

Магнитогидродинамический эффект для биосред живых объ-

ектов также связывают с циркуляцией крови и других электропроводящих жидкостей в магнитном поле. Если проводящую движущуюся жидкость поместить в магнитное поле, то в ней возникнут пондеромоторные силы. Объемная плотность пондеромоторных сил Fоб ≈ [ j B], где j – плотность полного тока. Очевидно, что возникающие силы перпендикулярно направлены к движению проводящей среды. Поэтому суммарное проявление магнитогидродинамического эффекта описы-

25

вают как увеличение вязкости жидких движущихся проводящих сред во внешнем магнитном поле. Вязкость среды с учетом сказанного можно представить в виде η = η0 +∆η(B), где η0 - вязкость в отсутствие магнитного поля, ∆η(B) – увеличение вязкости, вызванное действием магнитного поля. Проведенные исследования влияния магнитного поля величиной 0,1 и 0,2 Тл на скорость кровотока показали относительное уменьшение скорости на 0,03 и 0,1% соответственно. Гипотетически практически полная остановка кровотока может произойти в магнитном поле с индукцией ~200 Тл.

Рассмотренные выше биофизические явления нашли свое применение в медицине в виде метода магнитотерапии. Для проведения магнитофореза используют комплекты аппликаторов на основе постоянных магнитов. Магнитные браслеты применяют для нормализации периферического кровоснабжения.

Действие переменных магнитных полей на биосреды прежде всего связывают с глубиной проникновения и энерговыделением.

Глубина проникновения переменного магнитного поля в прово-

дящую среду зависит от ее магнитных и электрических свойств, частоты поля и определяется выражением

Значение dпрон характеризует глубину проникновения переменного магнитного поля, на которой его амплитуда уменьшается в е раз. Для водосодержащих биотканей (биожидкостей, мышечных тканей,

вещества мозга σ = 0,6…1 (Ом·м)-1, µ ≈ 1) применима расчетная формула dпрон = 390·(f )-1/2. Тогда для частот 10 Гц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц глубина проникновения составит около 120; 3,9; 1,2; 0,39 м соответст-

венно. Поэтому для частот до десятков и сотен килогерц справедливы рассмотренные выше явления для статических и низкочастотных магнитных полей. Для высокочастотных магнитных полей более значимо колебательное движение ионов с рассеиванием энергии в окружающих тканях.

Нагревание биотканей переменным магнитным полем (энерге-

тическое воздействие). Пусть на некоторую глубину в биосреде проникает переменное магнитное поле B(t) = B0cosωt. Как было показано ранее, удельная мощность, выделяющаяся в проводящей среде, оп-

ределяется выражением

q = j2 ρ = j2 /σ.

Найдем индуцируемую плотность тока из уравнений rotE = - dB/dt,

j = σE.

Отсюда получим rotj = - σ(dB/dt). Для простоты положим, что существует некоторый контур с пространственной координатой ℓ, для которого справедливо rotj = ∂j / ∂ℓ. Учитывая циклический характер изменения магнитного поля, получим дифференциальное уравнение

26

∂j = (σωB0sinωt) ∂ℓ.

Продифференцировав его, имеем

j = σωLB0sinωt,

где L – линейный размер области, в которой происходит действие магнитного поля. Тогда удельная мощность, выделяющаяся в прово-

дящей среде под действием магнитного поля, q = σ ω2 L2 B0 sin2 ωt.

Таким образом, под действием переменного магнитного поля в большей степени будут нагреваться биологические ткани с хорошей проводимостью и кровенаполнением (кровеносные сосуды, мышечная ткань, вещество мозга), в меньшей – жировые и костные ткани, кожа. Медицинское применение переменных магнитных полей нашло свое воплощение в методах индуктотермии и низкочастотной магнитотерапии.

Индуктотермия – метод электролечения при воздействии на определенные участки тела высокочастотным (15…50 МГц) магнитным полем. Лечебные уровни магнитного поля формируют индукторы (высокочастотные соленоиды), подключенные к генератору тока. Механизм лечебного действия основан на выделении тепла, оказывающего влияние на протекание биопроцессов. Тепло, образующееся на глубине 7-8 см, является сильным раздражителем, вызывающим реакции многих систем организма.

Низкочастотная магнитотерапия – применение с лечебной целью переменных, постоянно прерывистых и импульсных магнитных полей низкой частоты (50…1000 Гц). Механизм лечебного воздействия обусловлен не величиной выделившегося тепла (оно мало вследствие низкой частоты поля), а его раздражающим действием.

Микроскопический (квантовый) механизм действия магнит-

ных полей на вещество вызван наличием собственных магнитных моментов квантовых систем. Для элементарных частиц свойственно наличие орбитального и спинового моментов импульса, которые порождают орбитальный и спиновый магнитные моменты соответственно. Последние образуют результирующий магнитный момент квантовой системы. Если квантовую систему (ядро, атом, молекулу) поместить во внешнее магнитное поле, то в результате взаимодействия собственного магнитного момента с внешним полем произойдет расщепление разрешенных энергетических уровней на подуровни. Такое явление получило название эффекта Зеемана. Для практических применений оказалось важным (как следствие эффекта Зеемана) изменение спектральных характеристик вещества, помещенного в магнитное поле.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) – избирательное поглощение электромагнитного излучения парамагнетиками, связанное с переходами его атомных электронов между зеемановскими уровнями, которые возникают при наложении на вещество постоянно-

27

го магнитного поля. Минимальная разность энергий между зеемановскими уровнями расщепления составляет ∆Wвз = g·µБ· B, где µБ – магнетон Бора, g – константа, зависящая от типа квантовой системы (фактор Ланде). Следовательно, минимальная частота резонансного поглощения электромагнитного излучения составит νэпр = g·µБ·B/ h, где h – постоянная Планка. Особенностью живых организмов является то, что парамагнитными свойствами в них обладают свободные радикалы – атомы или группы химически связанных атомов, имеющие неспаренные электроны на внешних оболочках. Концентрация свободных радикалов в тканях является объективным диагностическим признаком различных патологий. Для ЭПР используют магнитные поля с индукцией ~ 0,3 Тл, для которой νэпр ~ 10 ГГц, поэтому данный метод диагностики относят к СВЧ-спектроскопии.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – избирательное поглоще-

ние веществом электромагнитного излучения, обусловленное переходом его ядер между зеемановскими подуровнями энергии при наложении внешнего магнитного поля. Для минимальной частоты ЯМР справедливо соотношение νямр = gя·µя·B/ h, где µя – магнетон ядер вещества, gя – фактор Ланде. Для индукции магнитного поля ~ 0,3 Тл частота резонанса νямр ~ 10 МГц, поэтому ЯМР относят к методам радиочастотной спектроскопии. По частотам резонанса и соответствующим интенсивностям поглощения определяют не только химический состав вещества, но и пространственную структуру соединений, в том числе и живых тканей. ЯМРнашелсвоеприменениевмедицинедля томографических исследований. ЯМР томография – метод визуализации внутренних структур живого организма по распределению концентрации ядер вещества в исследуемом слое на основе пространственной зависимости интенсивности поглощения и частоты ЯМР, заданной известным распределением индукции магнитного поля. Наиболее часто для визуализации используют ядра водорода (протоны), поэтому этот метод также называют ЯМР-протонная томография.

К основному источнику магнитных полей в пределах биосферы относят магнитное поле Земли. Его величина и направление зависят от географических координат. Для территории Украины величина земного магнитного поля составляет около 4·10-5 Тл. Биологическое действие магнитного поля Земли определяется не только его статическими характеристиками, но и динамическими изменениями, получившими название магнитных бурь. Причиной флуктуаций магнитного поля Земли в основном является динамика солнечной активности (в особенности его компонента ионизирующих излучений). Это приводит к изменению концентрации заряженных частиц в ионосфере и, как следствие, к возникновению атмосферных токов к поверхности Земли. Эти токи создают относительно продолжительные флуктуации магнитного поля, приводящие к биосенсорной реакции живых объектов.

28

Собственные магнитные поля живых существ, порождаемые биотоками, незначительны и, например, для мозговой и сердечной деятельности организма человека составляют 10-12…10-10 Тл.

Более существенны магнитные поля, порождаемые техногенной деятельностью человека. Это прежде всего энергогенерирующие станции, сети электропередач, электротранспорт, а также бытовые электро- и радиоприборы.

2.5. Воздействие переменным электрическим полем

На небольших расстояниях r от источника электромагнитного излучения с длиной волны λ и при выполнении условия r<λ на биообъект можно воздействовать преимущественно одной компонентой поля. Рассмотрим энергетическое действие переменного электрического поля напряженностью E = E0eiωt на некоторый объем биосреды с изотропными диэлектрическими и проводящими свойствами. Как и в случае магнитного поля, определим ток проводимости, индуцируемый в среде переменным электрическим полем, из системы уравнений

J = j+∂D/∂t; D = ε0εE; j = σE,

где первое уравнение характеризует полный ток в среде (токи проводимости и смещения), второе и третье – позволяют выразить ток проводимости через индукцию электрического поля. Тогда для полного тока получим выражение

J = j+∂D/∂t = σE+εε0·∂E/∂t = σE+ε0εiωE=ε0εωE·(σ/(ε0εω)+ i).

Поскольку тангенс диэлектрических потерь в среде обозначают, как tgδ = σ/(εε0ω), где δ – угол между векторами полного тока и тока смещения, то последнее выражение приобретает вид

J = ε0εωE·(tgδ + i).

Учитывая, что за активные потери в веществе отвечает ток проводимости j = ε0εωE·tgδ, а σ = j/E, для удельного энерговыделения можно записать q = j2 /σ = j2Е/ j = ε0εωE2·tgδ. Таким образом, степень нагрева биотканей переменным электрическим полем зависит от соотношения их диэлектрических и проводящих свойств, а также от частоты поля.

Использование переменных электрических полей в медицине.

УВЧ-терапия – применение с лечебной целью воздействия на живой организм непрерывного или импульсного поля ультравысокой частоты (30…300 МГц). Реализуют метод, располагая область тела пациента между емкостными электродами, подключенными к выходному контуру генератора УВЧ-колебаний. Выделяют тепловой и осцилляторный (нетепловой) механизмы воздействия. Благодаря тому, что биоткани имеют достаточно большую емкостную проводимость, УВЧ-поле свободно проникает через кожу и жировой слой во внутренние элементы организма. Колебания зарядов в высокочастотном электрическом поле с диссипацией энергии приводит к нагреванию биотканей, что, в

29