Биотропные параметры магнитных полей. Влияние естественных электромагнитных полей на живые организмы и механизмы воздействия

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Биотропные параметры магнитных полей. Влияние естественных электромагнитных полей на живые организмы и механизмы воздействия»

МИНСК, 2008

Под термином «биотропные параметры» понимаются физические характеристики МП, определяющие первичные, биологически значимые физико-химические и информационные механизмы действия поля, обу­словливающие формирование соответствующих реакций как отдельных органов, так и на уровне целостного организма (М. А. Шишло). 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 существенно 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, опре­деляется модулем и направлением. Единицей измерения индукции яв­ляется тесла: 1 Тл = 1 В-с/м2.

Биологически активным является любое МП, величина которого отличается как в сторону увеличения, так и уменьшения от геомагнит­ного 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 воз­действии на уровне целостного организма. 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.

Наибольшее распространение в лечебной практике получили слабые МП. Если магнитная индукция не изменяется в пространстве, поле является однородным. В однородном поле все векторы магнитной ин­дукции 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 3B/3N и направленный по нормали N к поверхности равной индукции в сто­рону наибольшего возрастания магнитной индукции:

 (1)

Практически gradB определяется как изменение магнитной индук­ции, 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 считают, что механизм дей­ствия слабых МП однозначно определяется пространственно-временны­ми градиентами поля [34], другие связывают усиление магнитобиологических эффектов с увеличением пространственно-временной неоднородности МП и при их интерпретации советуют учитывать перепад напряженности МП по площади заинтересованных структур.

Вектор магнитного поля указывает направление магнитных силовых линий. При изменении направления вектора меняется характер магнитобиологического эффекта, что, по-видимому, адекватно различному действию северного и южного полюсов постоянного магнита. Ряд ис­следователей 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. Соб­ственный опыт авторов показывает, что довольно часто большей актив­ностью обладает продольное поле. И это не является противоречием, поскольку реальные искусственные МП, в особенности, создаваемые ло­кально-сосредоточенными источниками небольших габаритов, имеют смешанный характер вектора магнитной индукции, обладающего как продольной, так и поперечной составляющими. Помимо этого ряд уче­ных в своих магнитобиологических исследованиях отмечают большую активность МП с вертикальным направлением вектора, объясняя его взаимодействием с геомагнитным полем.

Частота магнитного поля является весьма важным биотропным параметром. В ходе длительной лечебной практики найдены «частотные окна», в которых магнитобиологический эффект выражен заметно более ярко. Например, в работе 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 магнитотерапевтических 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 фиксиро­ванных частот или плавно перестраиваемые по частоте. Дальнейшим развитием техники магнйтотерапии в этом смысле является создание аппаратуры, которая могла бы вырабатывать магнитные поля, синхро­низируемые основными биоритмами человека. Например, в магнитоте-рапевтическом комплексе «Аврора МК-01» (СССР), имеющем набор фиксированных частот 0,1;...100 Гц, предусмотрена возможность син­хронизации с ритмом пульса.

Форма магнитного поля во времени и пространстве. При использо­вании в качестве источника магнитного излучения одного элементарного индуктора форма поля в пространстве определяется конструкцией само­го 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 усиливается общая динамика изменения магнитного потока, что и несет в себе, по-видимому, основной терапевтический эффект. Этот вывод под­тверждается также в работе. В случае использования систем общего воздействия на человека 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 (t3KC) живого организма с искусственным магнитным полем. В соответствии с традициями клас­сической физиотерапии время сеанса устанавливается в пределах 10...30 мин 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 про­цедур, который закрепляется последующими процедурами. В целом экс­позиция устанавливается лечащим врачом соответственно индивидуаль­ным особенностям пациента, тяжести заболевания и т.п.

Локализация воздействия магнитным полем определяется, чаще всего, непосредственной областью поражения — местом расположения пато­логического очага, а также проекцией пораженного органа на поверх­ность кожи. В первую очередь это относится к устройствам локального (местного) воздействия, которое создается, как правило, одним индук­тором. 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. Вместе с тем, поскольку организм человека состоит из тесно вза­имодействующих функциональных систем, деятельность которых регу­лируется центральной нервной системой, то можно получить ответ це­лостного 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 поглощае­мой энергии мало, поэтому существенно возрастает роль объема, взаи­модействующего с физическим фактором. М. А. Шишло считает, что «...соленоиды и магнитные установки с большими полезными объемами являются более эффективными лечебными средствами».

В магнитотерапевтических аппаратах, имеющих наборы индукторов, предусмотрены режимы, при которых осуществляется воздействие, распределенное в заданной области пространства. В некоторых системах, позволяющих осуществлять общее воздействие на весь организм чело­века, представляется возможным на фоне пространственно равномерной структуры поля формировать локально усиленные (ослаб­ленные) поля, а также неоднородности заданной формы. За­метим, 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, статичес­кие поля. Комплекс «Аврора МК-01» имеет программно-аппаратные средства для создания как статических, так и динамических полей. Воз­можное множество разновидностей пространственно-организованных искусственных МП представлено на рис. 1.

Рисунок 1 – Разновидности искусственных магнитных полей (в пространственной области)

Энергия магнитного поля (W) может служить обобщенным показа­телем, характеризующим воздействие МП на живой организм. Энергия магнитного поля вычисляется через его параметры:

 (2)

где В — индукция магнитного поля, V — объем, занимаемый биообъ­ектом;  — относительная магнитная проницаемость; ₀— магнитная постоянная.

Учитывая общее время экспозиции можно определить работу А магнитного поля:

 (3)

Последнее соотношение связывает основные характеристики поля (индукция, частота) и время его взаимодействия с живым организ­мом.

Затрачивается работа магнитного поля, в основном, на перемещение заряженных частиц биообъекта.

Влияние естественных электромагнитных полей на живые организмы

Систематическое воздействие различных факторов внешней среды на живые организмы способствовало созданию у них тонких механизмов адаптации, позволяющих приспосабливаться к изменяющимся условиям. Наиболее эффективно процесс формирова­ния этих механизмов запускается возмущающими влияниями, в том числе и имеющими электромагнитную природу, например, распределен­ными по всему электромагнитному спектру, включая инфранизкие час­тоты, геомагнитные и геоэлектрические поля. Поскольку независимо от природы фактора, способствовавшего их возникновению, адаптационные механизмы играют важную роль в жизнедеятельности и неспецифической резистентное™ организма, то возможность осознан­ного управления процессами их формирования постоянно привлекает внимание исследователей. Именно с этих позиций естественные и ис­кусственные магнитные и электромагнитные поля представляют собой область повышенного интереса.

Формирование вышеперечисленных эффектов, вероятно, объясня­ется тем, что ЭМП, обладая высокой избирательной проникающей спо­собностью, вызывают изменения не только в нейроглиальных клетках мозга, но при более длительных или интенсивных воздействиях способ­ны повлиять на структуру нейронов и кровеносных сосудов.

В заключение этого раздела, посвященного анализу эффектов дей­ствия ЭМП на живые организмы на различных уровнях организации: клеточном, органном, системном и в целом на функциональное состо­яние 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 эко­логии;

— дальнейшее изучение возможностей использования ЭМП в прак­тической медицине.

Прогрессивное развитие этих направлений невозможно без дальней­шего продолжения фундаментальных исследований, направленных на изучение механизмов влияния ЭМП на живые системы.

Механизмы действия магнитных полей на живой организм

В экспериментальной биологии и медицинской практике накоплен громадный эмпирический опыт об эффектах ЭМП, требующий систе­матизации и теоретического осмысления для расшифровки механизмов их действия на живые объекты. Обилие гипотез по этой проблеме сви­детельствует скорее о ее нерешенности, чем о достаточном уровне по­нимания механизмов взаимодействия живого с естественными и искус­ственными 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 предоп­ределяют 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.

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 аг­регатное состояние жидких сред организма.

3. Тканевый уровень, на котором воздействие МП будет предопреде­ляться:

— 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 от­дельными системами организма.

7. Общесистемный уровень, формирующийся при интегрировании вза­имодействий между всеми системами.

8. Межличностный уровень, включающий:

— воздействие одного организма на другой через собственное излуче­ние ЭМП;

— взаимодействие живых организмов во внешнем ЭМП.

Электронно-ядерный уровень. Изучение организма на квантовомуровне 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 хи­мических реакций, как правило, является превращение молекул одних веществ в другие за счет перестройки электронных оболочек ядер. Физические влияния МП связаны с вероятностью протекания элементарных химических актов, когда в результате химических превращений вследствие распаривания электронов, появляются свободные радикалы. Радикальные пары могут существовать в состоянии с общим спином 8=0 (синглетное состояние) и в состоянии с общим спином 5=1 (три-плетное состояние). Переход между различными спиновыми состояния­ми пары возможен в случае воздействия внешним магнитным полем, тем самым изменяется вероятность течения химических реакций и, как следствие, имеет место проявление тех или иных магнитобиологических эффектов. Так, в работе 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 из­менения могут оказаться следствием совершенно иного, неизвестного механизма воздействия МП.

ЛИТЕРАТУРА

1.         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, 2000г. – 376с.

2.         Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей /Под ред Р.И.Утямышева и М.Враны - М.: Энергоатомиздат, 2003.384с.

3.         Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура. :[Учебн. пособие] - Мн.: Медицина, 2001. - 344с.