СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR GENERATING MAGNETOTHERAPEUTIC EXPOSURE AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для создания лечебно-диагностических систем комплексной магнитотерапии нового поколения, предназначенных для лечения широкого круга заболеваний.
Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия, реализованный в устройстве [1]. Данный способ основан на создании в магнитной системе из трех концентрических катушек индуктивности, расположенных взаимно перпендикулярно формируя сферу, внутренний объем которой является рабочим. Магнитное поле в такой системе способно изменяться по значению напряженности и направлению в пространстве с течением времени. Однако в указанном способе воздействие производится на ограниченный участок тела человека, при этом должно также выполняться требование, чтобы подвергаемый воздействию участок конечности оказался полностью в рабочем объеме камеры сферической формы и ограниченных размеров, что не позволяет реализовать воздействие на некоторые локальные участки на поверхности тела человека.
Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия реализованный в устройстве [2]. Данный способ предполагает формирование магнитотерапевтического воздействия с помощью трех ориентированных источников магнитного поля, оси которых взаимно перпендикулярны, а рабочая область находится вне внутреннего пространства обмоток излучателей. Формирование двух магнитных полей в таком трехкоординатном излучателе осуществляют индукторами-электромагнитами, длины которых превышают диаметр их обмоток, а формирование третьего магнитного поля - намотанной по их окружности круглой катушкой, диаметр которой превышает ее длину. Оси индукторов-электромагнитов устанавливают параллельно относительно плоскости круга катушки. Такая система позволяет управлять поворотом суммарного вектора магнитной индукции поля в трехмерном пространстве и как следствие формировать сложное пространственно-временное поле. Однако данная система ориентирована на формирование локального воздействия на малую часть тела человека.
Вышеперечисленные способы характеризуются тем, что магнитное поле в них может воздействовать только на локальные участки, в том числе на отдельные биологически активные точки биообъекта, но не позволяет комплексно воздействовать на целую систему организма (например, кровеносную) или весь организм.
Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия [3, 4], основанный на принципе формирования общей магнитотерапевтической среды путем подачи электрических сигналов в n индукторов, расположенных вокруг всего пациента. В данном способе используются одинаковые излучающие элементы, образованные как секции индукторов в виде ремней для различных частей тела пациента и размещенные на общем основании кушетки параллельно друг другу. При этом каждый из индукторов позволяет обеспечить только два направления вектора магнитной индукции поля. Наряду с этим, данное устройство исключает организацию специализированного локального воздействия на очаг заболевания.
Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия, реализованный в устройстве [5] и заключающийся в подаче на N индукторов, расположенных на пациенте, от единого блока формирования импульсных последовательностей электрических сигналов регулируемой частоты, скважности и амплитуды в течение заданного промежутка времени. Однако единый блок формирования электрических сигналов ставит в зависимость количество линий соединения и сложность организации самого блока от требуемого числа индукторов, а известно [6], что чем выше пространственно-временная неоднородность магнитного поля, тем выше его биологическая активность.
Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия на основе кольцевого магнитопровода из 2m сегментов, реализованный в устройстве [7]. На магнитопроводе размещена m-фазная обмотка, подключенная к управляемому источнику питания. Управляемый источник питания включает генераторы сигналов и систему управления, выходами подключенную к входам генераторов, а каждая фазная обмотка состоит из двух соединенных последовательно катушек, размещенных на диаметрально расположенных сегментах каждого индуктора и подключенных к выходу соответствующего генератора сигналов. При этом система управления осуществляет программирование амплитуды, частоты и сдвига фаз каждого генератора сигналов. Однако данная система позволяет получить поля разной конфигурации только вдоль оси лечебной камеры и имеет малое количество индукторов, что уменьшает пространственно-временную неоднородность магнитного поля по сравнению с системами с большим количеством индукторов.
Наиболее близкими являются способ и устройство формирования магнитотерапевтического воздействия [8] и [5], которые предполагают использование n одинаковых индукторов-электромагнитов, расположенных по всему пациенту для формирования общей магнитотерапевтической среды. При этом на индукторы в форме двоичных импульсных последовательностей регулируемой частоты и скважности в течение заданного промежутка времени подаются электрические сигналы. В способе и устройстве также реализуется возможность управления параметрами формируемого магнитного поля в зависимости от индивидуальных и осознанных ощущений пациента. Существенным недостатком данных способа и устройства является возможность создания каждым индуктором только двух направлений вектора магнитной индукции поля, а также отсутствие возможности независимо управлять каждым индуктором. В результате отсутствуют возможности создать локальные узкоспециализированные воздействия, и также невозможность организовать комбинации методик, сочетающих в себе общее воздействие на организм и области специализированного локального воздействия.
Техническим результатом предлагаемого изобретения как способа является расширение функциональных возможностей и повышение эффективности формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия.
Технический результат достигается тем, что для формирования магнитотерапевтического воздействия размещают по всему телу пациента в два слоя, над и под ним, идентичные модули в виде формирователей электромагнитного поля, подают на них электрические сигналы в форме двоичных последовательностей регулируемой частоты и скважности в течение заданного промежутка времени через соответствующие устройства управления от управляющей ЭВМ, причем каждый формирователь электромагнитного поля включает трехкомпонентный индуктор, который совместно с мостовыми токовыми драйверами, локальным устройством управления в виде микроконтроллера, и подключенными к нему схемами датчика измерения температуры и датчиков уровня токов и напряженности магнитного поля, формирует ячейку-модуль, входящую в состав одной из двенадцати матриц ячеек-модулей, снабженную персональным адресом, а управляющая ЭВМ выделяет из идентичных ячеек-модулей ведущую ячейку-модуль для формирования сигнала синхронизации, через которую передаются сигналы управления ведомым ячейкам-модулям, при этом формируют три набора сигналов, каждый из которых включает сигнал широтно-импульсной модуляции и сигнал полярности для обеспечения индивидуального воздействия магнитным полем от ведомых ячеек-модулей. Кроме того, в персональный адрес ячейки-модуля включают информацию о ее пространственном расположении, а ячейка-модуль снабжается схемами датчика измерения температуры и датчиков уровня токов и напряженности магнитного поля, при этом информация о перегреве или замыкании используется локальным устройством управления для коррекции формируемого на ячейке-модуле магнитного поля и передачи информации на ЭВМ для сравнения с заданными параметрами и коррекции.
Техническим результатом предлагаемого изобретения как устройства является расширение функциональных возможностей и повышение эффективности формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия.
Технический результат достигается тем, что устройство для формирования магнитотерапевтического воздействия содержит идентичные модули, включающие формирователи электромагнитного поля, подключенные через соответствующие устройства управления, выполненные с возможностью подачи на модули электрических сигналов в форме двоичных последовательностей регулируемой частоты и скважности в течение заданного промежутка времени, к управляющей ЭВМ. Каждый формирователь электромагнитного поля включает трехкомпонентный индуктор, подключенный через мостовые токовые драйверы к локальному устройству управления, при этом формирователь электромагнитного поля, мостовые токовые драйверы, локальное устройство управления в виде микроконтроллера, и подключенные к нему схемы датчика измерения температуры и датчиков уровня токов и напряженности магнитного поля формируют ячейку-модуль, входящую в состав одной из двенадцати матриц ячеек-модулей, при этом ячейки-модули подключены к шине управляющей ЭВМ через линию запроса прерывания и линию синхронизации и снабжены персональным адресом, а управляющая ЭВМ выполнена с возможностью формирования из идентичных ячеек-модулей ведущей ячейки-модуля, для формирования сигнала синхронизации, через которую передаются данные ведомым ячейкам-модулям. Кроме того, двенадцать матриц ячеек-модулей включают два одинаковых набора из шести матриц ячеек-модулей: для воздействия на голову пациента, для воздействия на туловище пациента и четыре матрицы для воздействия на каждую руку и ногу, а выход каждого из трех мостовых токовых драйвера ячейки-модуля подключен через соответствующий токоизмерительный резистор к одному из входов АЦП, интегрированного в микроконтроллер.
На фиг.1 представлена система, формирующая магнитотерапевтическое воздействие и реализующая данный способ. На фиг.2 представлен способ пространственного размещения ячеек-модулей. На фиг.3 представлено устройство одной из идентичных ячеек-модулей системы, формирующей магнитотерапевтическое воздействие по предлагаемому способу. На фиг.4, на примере группы из трех излучателей, представлен принцип суперпозиции создаваемых ими магнитных полей.
В состав системы, управляемой ЭВМ 1, входят: 2 - ведущая ячейка-модуль и 3.l, … 3.i, … 3.m - ведомые ячейки-модули, вся совокупность которых образует магнитотерапевтическую решетку 4.
Предлагаемая система 4 управляется ЭВМ 1 по стандартному интерфейсу 9 путем взаимодействия с одной из ячеек-модулей 2 системы, выделенной ЭВМ в качестве ведущей. Ячейка-модуль 2 также соединена по специализированному внутреннему интерфейсу 8 со всеми остальными ячейками-модулями системы, являющимися ведомыми 3.l, … 3.i, … 3.m. Специализированный интерфейс 8 содержит шину 5, линию синхронизации 6 и общую для всех ячеек-модулей линию запроса прерывания 7 (фиг.1).
Пространственно ячейки-модули размещают по всему телу пациента в два слоя, над и под ним и собирают из ячеек-модулей 12 матриц так, что в слое над и слое под пациентом образуют одинаковые наборы из 6 матриц для каждого из слоев. Таким образом, магнитотерапевтическая решетка 4 системы включает: 2 матрицы размером  для воздействия на голову пациента, 2 матрицы размером 2N×М для воздействия на туловище пациента, и по 2 матрицы размером N×М для воздействия на каждую руку и ногу или содержит  идентичных ячеек-модулей (фиг.2).
В состав каждой ячейки-модуля входят: 10, 11 - средства интеграции в систему; 12 - локальное устройство управления в виде микроконтроллера; 13, 14, 15 - мостовые токовые драйверы; 21 - формирователь электромагнитного поля в виде трехкомпонентного индуктора; 16 - схема датчика измерения температуры; 17 - схема измерения напряженности магнитного поля в виде трехкомпонентного датчика Холла и 18, 19, 20 - датчики уровня токов в виде токоизмерительных резисторов (фиг.3).
1
2
3
В предлагаемых ячейках-модулях 2,3.l, …, 3.m локальное устройство управления 12 соединено с набором мостовых токовых драйверов 13, 14, 15, к каждому из которых подключена соответствующая обмотка L, L, L трехкомпонентного индуктора - формирователя электромагнитного магнитного поля 21 и датчики измерения уровня тока на основе резисторов 18, 19, 20.
При этом к локальному устройству управления 12 подключены схема измерения температуры 16, схема измерения напряженности магнитного поля 17, средства для интеграции в систему 10 магнитотерапевтической решетки 4 и средства интеграции 11 для взаимодействия с управляющей ЭВМ 1.
Суть способа формирования магнитотерапевтического воздействия заключается в следующем. По всему телу пациента размещают в два слоя, над и под ним, идентичные ячейки-модули в виде формирователей электромагнитного поля, каждый из которых включает: трехкомпонентный индуктор, мостовой токовый драйвер, локальное устройство управления - микроконтроллер и схемы с датчиками для измерения температуры, уровня токов и напряженности магнитного поля.
Из всех ячеек-модулей формируют двенадцать матриц и с помощью управляющей ЭВМ по присвоенным персональным адресам выделяют ведущую ячейку-модуль, которая вырабатывает сигнал синхронизации. Подают от управляющей ЭВМ через ведущую ячейку-модуль электрические сигналы ведомым ячейкам-модулям в форме двоичных последовательностей регулируемой частоты и скважности в течение заданного промежутка времени. Все информационные параметры магнитного поля задаются в виде трех наборов сигналов, состоящих из сигналов широтно-импульсной модуляции и сигналов полярности, которые распределяются управляющей ЭВМ между всеми ячейками-модулями в соответствии с их пространственным расположением и представляют собой их индивидуальные данные магнитотерапевтического воздействия.
Контроль правильности функционирования ячеек-модулей и их допустимых значений параметров обеспечивается локальным устройством управления и датчиками для измерения температуры, уровня токов и напряженности магнитного поля. При этом информация о перегреве или замыкании индукторов используется локальным устройством управления для коррекции формируемого в ячейке-модуле магнитного поля и передачи информации на ЭВМ для сравнения с заданными параметрами и общей коррекции магнитотерапевтического воздействия.
Каждый формирователь электромагнитного поля содержит три индуктора-электромагнита один, из которых выполнен в форме кольцевой обмотки, а два других расположены внутри и в плоскости первого и ориентированны взаимно ортогонально.
Si
i,x
i,y
i,z
S1
1,x
1,y
1,z
На примере из трех таких индукторов рассмотрим формируемое ими магнитное поле (фиг.4). Сигналы данных для всех трех индукторов-электромагнитов формируются независимо. В результате, суммарная составляющая поля в заданной точке пространства, создаваемая только i-ым индуктором B (i=1…k, где k - число индукторов в системе) равна геометрической сумме векторов магнитной индукции B, B, B, создаваемых каждым из трех индукторов-электромагнитов. Например, для индуктора 3.2 на фиг.4 в точке A, не учитывая магнитное поле, формируемое другими трехкомпонентными индукторами системы, имеет место B, определяемая как геометрическая сумма В, В, В от каждой из трех обмоток индуктора 3.2.
S∑
Si
∑
1
2
3
Для формирования магнитотерапевтического воздействия используется множество трехкомпонентных индукторов, размещенных над и под пациентом и имеющих определенное пространственное положение. Суммарный вектор магнитной индукции поля B в любой заданной точке рабочего пространства системы, будет равен геометрической сумме векторов магнитной индукции полей B, создаваемых каждым ее отдельным индуктором. Например, для системы из трех индукторов 3.1, 3.2, 3.3 в точке C, результирующий вектор B находится как геометрическая сумма результирующих векторов в данной точке B, B, B от каждого из индукторов 3.1, 3.2, 3.3.
В отличие от известных способов [3, 4, 9], векторно-управляемое поле такой системы может быть концентрированно направлено на очаг заболевания. В отличие от [2] воздействовать такой системой можно не только локально, но и комплексно или на весь организм или на одну из его систем. У предложенной матричной структуры объединения формирователей электромагнитного поля имеется также возможность создавать комбинацию общего воздействия в сочетании со специализированными локальными областями воздействия - этого не позволяет реализовать ни одна из имеющихся похожих систем.
Устройство работает следующим образом. Все ячейки-модули 2, 3.l, …, 3.m магнитотерапевтической решетки 4 являются взаимозаменяемыми и настраиваются для работы в соответствии с присвоенным персональным адресом. Управляющая ЭВМ 1 до этапа выполнения лечебной методики формирует индивидуальные данные магнитотерапевтического воздействия для каждой ячейки-модуля и передает их с указанием персонального адреса по стандартному интерфейсу 9 ведущей ячейке-модулю 2. Данные, предназначенные для нее, ячейка-модуль 2 оставляет у себя, а данные, предназначенные ведомым ячейкам-модулям 3.l, …, 3.m отправляет по шине 5. После распределения индивидуальных данных управляющая ЭВМ 7 запускает этап выполнения лечебной методики, на котором ведущая ячейка-модуль 2 формирует синхросигналы в линию 6, обеспечивая возможность синхронной работы всем ячейкам-модулям системы; обрабатывает запросы прерываний от ведомых ячеек-модулей 3.l, …, 3.m, которые они выставляются на линию 7; собирает текущую информацию о состоянии ячеек-модулей по шине 5 и передает ее управляющей ЭВМ 7, от которой, в свою очередь, принимает новую информацию о коррекции магнитотерапевтического воздействия и отправляет ее ведомым ячейкам-модулям 3.l, …, 3.m. В результате имеет место автоматизированная система ячеек-модулей с трехкомпонентными индукторами, образованными в матрицы и способными хранить распределенные индивидуальные данные магнитотерапевтического воздействия с возможностью их синхронного воспроизведения в виде организованного и структурированного магнитного поля. При этом система реализует канал обратной связи с ЭВМ, предназначенный для передачи информации о текущем состоянии ячеек-модулей и вырабатываемых параметров воздействия с возможностью оперативной коррекции данных.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Ячейка-модуль функционирует следующим образом. В соответствии с записанными в локальное устройство управления 12 данными, им формируется индивидуальные три набора сигналов. Каждый из этих наборов включает: сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и сигнал полярности, которые поступают по разным линиям связи на мостовые токовые драйверы 13, 14, 15. Сигналы обеспечивают протекание заданного уровня токов I, I, I в двух направлениях через каждую из обмоток L, L, L трехкомпонентного индуктора магнитного поля 21, которые подключены к одной из диагоналей соответствующего мостового токового драйвера. Причем ток, протекающий через каждую обмотку L, L, L трехкомпонентного индуктора предварительно сглаживается фильтром для исключения высокочастотного сигнала модуляции и поступает на нижнюю ветвь мостового токового драйвера относительно его напряжения питания, а далее на соответствующий токоизмерительный резистор 18, 19, 20 (фиг.3). При этом возникающие падения напряжения U, U, U на токоизмерительных резисторах 18, 19, 20 подаются на встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) локального устройства управления 12, что позволяет контролировать реальные значения токов, протекающих через каждую обмотку, а также регистрировать токи короткого замыкания витков обмоток. Микроконтроллер 12 одновременно контролирует и обрабатывает информацию, поступающую с датчика температуры 16 и датчика напряженности магнитного поля (Холла) 17. В случае перегрева или замыкания обмоток через индуктор 21 прекращается пропускание токов, и локальное устройство управления 12 фиксирует неисправность, а также сигнализирует об этом управляющую ЭВМ 1. Информация с датчика Холла 17 используется локальным устройством управления 12 для контроля адекватности и коррекции параметров формируемого магнитотерапевтического воздействия. Ведущая ячейка-модуль взаимодействует с одной стороны с управляющей ЭВМ 1 по стандартному интерфейсу 9 посредством средств интеграции в систему 11, а с другой стороны с помощью шины данных 5 через средство интеграции 10, линии запроса прерывания 7 и линии синхронизации 6 со всеми остальными ведомыми ячейками-модулями магнитотерапевтической решетки 4. При этом линия запроса прерывания 7 предназначена для быстрого информирования управляющей ЭВМ 1 о неисправности ведущей ячейки-модуля 2, микроконтроллер 72 которой может остановить работу всех ячеек-модулей системы командой по шине данных 5.
Ведущая ячейка-модуль, наделенная особенными функциями, выполняет задачи: распределения индивидуальных данных магнитотерапевтического воздействия, поступающих от управляющей ЭВМ 7 и сбора информации для ЭВМ 7 от всех ячеек-модулей системы о температуре трехкомпонентных индукторов, об их уровне токов через каждую из трех обмоток и о величине напряженности магнитного поля индукторов. При этом ведущая ячейка-модуль формирует сигнал синхронизации в линию 6, воспринимаемый ведомыми ячейками-модулями и обеспечивающий синхронность распределения индивидуальных данных магнитотерапевтического воздействия между всеми ячейками-модулями и воспроизведения ими заданных параметров магнитного поля в рабочем пространстве магнитотерапевтической решетки 4.
Конструкция из двенадцати матриц ячеек-модулей предлагаемого устройства, включающая два одинаковых набора из шести матриц ячеек-модулей, размещенных непосредственно над и под головой, туловищем, руками и ногами пациента с одной стороны позволяет воздействовать магнитным полем на весь его организм. С другой стороны данная конструкция исключает избыточность ячеек-модулей, поле которых не направленно на пациента. Такая избыточность возникает, если магнитотерапевтическая решетка 4 выполнена всего из двух матриц, расположенных в нижнем и верхнем слоях. Достоинством конструкции устройства также является возможность предварительного пространственного распределения индивидуальных данных магнитотерапевтического воздействия между всеми ячейками-модулями системы, что позволяет создавать локальные области со специальным или вихревым магнитным полем и воздействовать отдельно, концентрировано на проблемные участки тела пациента.
Таким образом, предложенный способ и устройство для его осуществления позволяют формировать сложно распределенные в пространстве и изменяющиеся во времени, по амплитуде и направлению магнитные поля, а также создавать локальные, общие и комбинированные воздействия, что увеличивает разнообразие лечебных методик, и, как следствие, позволяет достигнуть лучших результатов. Унификация ячейки-модуля магнитотерапевтической решетки позволит существенно упростить изготовление, настройку, обслуживание и ремонт данной системы и повысить ее уровень автоматизации управления.
Литература
1. Патент РФ №2247583, кл. A61N 2/02, 2003 г.
2. Патент РФ №2322273, кл. A61N 2/00, 2006 г.
3. Патент РФ №2003361, кл. A61N 2/02, 1993 г.
4. Патент РФ №2188677, кл. A61N 2/00, 2000 г.
5. Патент РФ №2195974, кл. A61N 2/00, 2000 г.
6. Белькевич В.И., Берлин Ю.В., Бувин Г.М. Аппарат для лечения бегущим импульсным магнитным полем // Электронная промышленность, 1985, №1. - С.61.
7. Патент РФ №2241502, кл. A61N 2/02, 2003 г.
8. Патент РФ №2153369, кл. A61N 2/04, 1999 г.
9. Патент РФ №2056868, кл. A61N 2/00, 1996 г.