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



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.

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

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