Аппарат магнитоиндукционной терапии и излучатель магнитного поля для него

007347 Область техники Изобретение относится к медицинскому оборудованию, в частности аппаратуре для импульсной магнитной стимуляции различных органов и систем человека. Сведения о предшествующем уровне техники Стимуляция импульсным магнитным полем центральной и периферической нервных систем, различных внутренних органов состоит, прежде всего, в оптимизации процесса создания индуцированного электрического поля в заданном месте, по величине достаточного для активации тех или иных процессов. Процесс оптимизации воздействия включает в себя, как следствие, определение формы и длительности импульса магнитного поля, частоты следования импульсов и распределения магнитного поля вблизи излучателя. Эти вопросы магнитной стимуляции исследованы в ряде работ Alexander et al.(1992),85, 17-21 [5] и в некоторых из них предложен ряд решений Cadwell et.al. Method and ApparatusPatent US:5766124 [15]; Epstein et al. Transcranial Brain Stimulation. Patent US:6132361 [16]. Анализ приведенных работ показал всю неоднозначность и противоречивость решений вышеуказанных проблем магнитной стимуляции. Один из основных вопросов магнитной стимуляции - это оптимизация распределения магнитного поля вблизи излучателя, в том числе ориентация вектора магнитной индукции по отношению к облучаемой поверхности. При рассмотрении этого вопроса можно выделить два основных типа воздействия,таких как двухполюсное и однополюсное. В случае двухполюсного облучения, направление вектора магнитной индукции ВII будет параллельно поверхности воздействия. В этом случае циркуляция вектора напряженности электрического поля Е нормальна облучаемой поверхности:rot Е = - dB/dt Индуцированное циркулярное электрическое поле приводит к возникновению электрического тока,величина которого зависит от суммарногоудельного сопротивления внутренних слоев и кожного покрова= п + в где п - удельное сопротивление кожного покрова, в - удельное сопротивление внутренних слоев. Поскольку удельное сопротивление кожи существенно выше сопротивления внутренних слоев пв то величина индуцированного тока в случае двухполюсного облучения будет минимальна. Этого недостатка лишен метод однополюсного облучения, при котором направление вектора магнитной индукции B нормально облучаемой поверхности. Последнее определяет направление циркуляции вектора напряженности электрического поля параллельно поверхности непосредственно в мягких тканях, характеризующихся низким удельным сопротивлением. В результате величина индуцированного тока при однополюсном воздействии существенно выше, чем при двухполюсном облучении. Как следует из сказанного, эффективность однополюсного метода воздействия импульсным магнитным полем будет существенно выше, чем при двухполюсном облучении. В связи с этим магнитная стимуляция при двухполюсной схеме облучения, приведенной в [11] и в ряде других работ, представляется менее эффективной в сравнении с однополюсной. Более высокая эффективность однополюсного метода воздействия импульсным магнитным полем определяет конструктивные параметры источника импульсного магнитного поля. Важным для магнитной стимуляции является оптимизация импульса магнитного поля - его формы,амплитуды и длительности. В [12] показаны наиболее часто встречающиеся формы импульсов магнитного поля и схемы для их получения. Импульс магнитного поля, по форме близкий к треугольному, возникает при разряде конденсаторной батареи С при замыкании ключа S на индуктивность L. Фронт нарастания импульса магнитно-1 007347 го поля, в данном случае tr =100 мкс, определяется параметрами схемы - индуктивностью L, емкостью С и сопротивлением R. После разряда конденсатора С при уменьшении тока в индуктивности и уменьшении поля энергия последнего выделяется в виде тепла на сопротивлении R. Подобная схема весьма неэффективна, так как вся подводимая энергия для создания магнитного поля впоследствии трансформируется в тепловую энергию. Импульс магнитного поля, по форме близкий к половине синусоиды, образуется при разряде конденсатора С 1 на индуктивность L при замыкании ключа S1 и последующем сбросе энергии магнитного поля на конденсатор С 2 при замыкания ключа S2. При этом суммарная длительность импульса магнитного поля для выбранных параметров схемы, как это видно из чертежа, составляет tи = 350 мкс при симметричных временах нарастания и спада импульса. Важным отличием рассмотренных выше схем является различие в формах индуцированного импульса напряжения электрического поля. В первом случае в силу существенного различия времен нарастания и спада импульса индуцированный импульс практически однополярный. В отличие от этого, во втором случае форма индуцированного сигнала близка к синусоидальной. Как следует из анализа работ по магнитной стимуляции, обе формы импульса магнитного поля имеют примерно одинаковое использование. Одним из важных вопросов эффективности воздействия является длительность импульса магнитного поля - длительность фронта нарастания и спада. В [12], длительность импульса магнитного поля составляет величину tи =350 мкс. В отличие от этого, в одной из последних работ [13] рекомендуемая длительность импульса магнитного поля, по форме близкого к треугольному, составляет tи = 0,4 с. Примерно такая же длительность импульса магнитного поля полусинусоидальной формы принята в [14]. Как показали исследования влияния длительности импульса магнитного поля на процесс стимуляции центральной и периферической нервных систем эффективность последнего возрастает с ростом длительности импульса. В этой связи в отдельных устройствах магнитной стимуляции для повышения эффективности принимается параллельное включение нескольких разрядных цепочек [15]. При разработке аппаратов магнитной стимуляции величина длительности импульса магнитного поля определяет потребляемую энергию. При длительности импульса tи=350 мкс [12], величине импульсного тока Iи =3000 А, напряжении на конденсаторе U = 1500 В при разряде на катушку индуктивности без сердечника величина энергии для создания импульса магнитного поля составит Е = UIиtи = 1,5 кДж Подобная накопительная высокоэнергетическая установка имеет большой вес и высокие стоимостные показатели при относительно невысокой ее надежности. Наиболее близким аналогом заявляемого аппарата и способа являются аппарат и способ, описанные в [9]. Данный аппарат магнитоиндукционной терапии содержит колебательный контур, включающий в себя конденсатор и однополярный излучатель униполярных импульсов магнитного поля, имеющий обмотку, блок питания, накопительный конденсатор, включенный параллельно конденсатору контура, а также первый и второй управляемые ключи и первый и второй диоды. Способ магнитоиндукционной терапии заключается в воздействии описанным аппаратом путем размещения торца обмотки излучателя на необходимом участке головы пациента и формирования униполярных импульсов магнитного поля. При реализации данного способа излучатель размещают в сосуде Дьюара для придания его обмотке свойств сверхпроводимости. Сложность такой конструкции не вызывает сомнений. Некоторое улучшение этих показателей удается достичь при изготовлении источников магнитного поля используя высокоиндуктивные магнитные материалы, например ванадиевый пермендюр [16]. Однако, в этом случае, скорость нарастания магнитного поля в силу потерь на вихревые токи не может быть высокой и составляет величину 20-30 Т/с. При разряде конденсаторной системы на катушку без магнитного сердечника эта величина существенно выше и составляет 2000-3000 Т/с. Собственно, скорость нарастания магнитной индукции и определяет эффективность магнитной стимуляции - величину индуцируемого потенциала электрического поля. Естественно, что повышение скорости нарастания магнитной индукции позволит для достижения тех же значений индуцированного напряжения снизить максимально достижимую индукцию магнитного поля, а следовательно, и потребляемую энергию. Указанные значения скорости нарастания магнитной индукции для катушек с магнитным сердечником, так и без него являются практически предельно достижимыми, поскольку увеличение значения магнитного поля требует существенного увеличения емкостной системы - параметров L, С, R разрядного контура и, как следствие, снижение скорости нарастания магнитной индукции. Все это в конечном итоге приводит к тому, что, несмотря на всю перспективность метода магнитной стимуляции, аппараты для магнитной стимуляции в силу их высокой стоимости, громоздкости и низкой надежности нашли весьма ограниченное применение. Наиболее близкий аналог излучателя униполярных импульсов магнитного поля описан в [10] и имеет хотя бы две спиральные обмотки, торец одной из которых предназначен для размещения на теле пациента. Сущность изобретения Решение проблемы широкого применения методов магнитной стимуляции и создание относительно недорого высоконадежного аппарата магнитной стимуляции лежит, прежде всего, в увеличении скорости нарастания магнитной индукции до значений B/t = 105 Т/с. Последнее позволит существенно снизить потребляемую мощность аппаратов магнитной стимуляции, увеличить частоту повторения импульсов вплоть до 1-2 кГц при длительности эффективного импульса воздействия до tи = 1 с и больше, т.е. частоте модуляции порядка 30 серий импульсов в минуту. Поставленная задача в аппарате магнитоиндукционной терапии, содержащем колебательный контур, включающий в себя конденсатор и однополярный излучатель униполярных импульсов магнитного поля, имеющий обмотку, блок питания, накопительный конденсатор, включенный параллельно конденсатору контура, а также первый и второй управляемые ключи и первый и второй диоды, решена тем, что указанный излучатель снабжен сердечником, который выполнен из магнитно-мягкого композиционного материала. Положительный вывод конденсатора контура соединен с первым выводом обмотки излучателя через первый ключ и со вторым выводом излучателя - через первый диод, а отрицательный вывод конденсатора контура соединен с указанным вторым выводом излучателя через второй ключ, с указанным первым выводом излучателя - через второй диод, причем указанные первый и второй диоды включены в запирающем направлении. Указанные управляемые ключи выполнены в виде высокочастотных транзисторов с низким выходным сопротивлением, причем управляющие электроды транзисторов являются входами устройства для подачи управляющих сигналов. Указанные транзисторы являются IJBT - транзисторами. Положительные выводы накопительного конденсатора и конденсатора контура связаны через высокочастотный дроссель, а отрицательные - непосредственно. Аппарат снабжен первым и вторым регулирующими элементами, включенными последовательно с соответствующим диодом. В способе магнитоиндукционной терапии, заключающийся в воздействии аппаратом магнитоиндукционной терапии, содержащем колебательный контур, включающий в себя конденсатор и однополярный излучатель униполярных импульсов магнитного поля, имеющий обмотку, блок питания, накопительный конденсатор, включенный параллельно конденсатору контура, а также первый и второй управляемые ключи и первый и второй диоды, путем размещения торца обмотки излучателя на необходимом участке тела пациента и формирования униполярных импульсов магнитного поля, поставленная задача решена тем, что указанный излучатель выполняют с сердечником, который изготовлен из магнитномягкого композиционного материала. Импульсы магнитного поля формируют близкими к треугольным. Длительность спада импульсов магнитного поля регулируют от 510-5 до 10-3 с. Формируют пачки импульсов магнитного поля. Пачки импульсов магнитного поля формируют с частотой импульсов в пачке от 100 до 1000 Гц. Частоту пачек импульсов магнитного поля формируют в пределах от 20 до 60 пачек в минуту. В излучателе униполярных импульсов магнитного поля, имеющем хотя бы две спиральные обмотки, торец одной из которых предназначен для размещения на теле пациента, поставленная задача решена тем, что он снабжен сердечником из магнитно-мягкого композиционного материала. Сердечник излучателя выполнен в виде полого цилиндра, внешнюю поверхность которого охватывает одна из указанных спиральных обмоток, а другую спиральную обмотку, включенную встречно, охватывает внутренняя поверхность сердечника. Высота h и внешний диаметр de сердечника выбраны из соотношения h/4deh, причем внешний диаметр сердечника de превышает внутренний его диаметр di на 10-30 мм. Краткая характеристика чертежей Фиг. 1 - обобщенная блок-схема заявляемого аппарата; фиг. 2 - блок-схема универсального аппарата с двумя излучателями; фиг. 3 - временные диаграммы магнитного поля, вырабатываемого заявляемым устройством; фиг. 4 - временная диаграмма индуцированного потенциального импульса; фиг. 5 - схематическое изображение заявляемого источника магнитных импульсов в продольном разрезе; фиг. 6 - временные диаграммы импульсов магнитного поля, вырабатываемых заявляемым источником (а), источником магнитного поля без магнитного материала (b) [12] и источником магнитного поля с сердечником на ванадиевом пермендюре (с) [13]. Подробное изложение изобретения и предпочтительные примеры Обобщенная блок-схема заявляемого аппарата магнитоиндукционной терапии приведена на фиг. 1. Заявляемый аппарат содержит колебательный контур, включающий в себя конденсатор 1 и однополяр-3 007347 ный излучатель 2 униполярных импульсов магнитного поля, блок 3 питания, накопительный конденсатор 4. Положительный вывод конденсатора 1 контура соединен с первым выводом излучателя 2 через первый ключ 5 и со вторым выводом излучателя 2 - через первый диод 6. Отрицательный вывод конденсатора 1 контура соединен с указанным вторым выводом излучателя 2 через второй ключ 7 и с указанным первым выводом излучателя 2 - через второй диод 8. Первый 6 и второй 8 диоды включены в запирающем направлении. Положительные выводы конденсаторов 1 и 4 связаны через высокочастотный дроссель 9. Управляющие электроды этих транзисторов являются входами устройства для подачи управляющих сигналов. В данном конкретном примере они соединены и на ключи 5 и 7 подаются одинаковые управляющие сигналы. Последовательно с диодами 6 и 8 включены первый 10 и второй 11 регулирующие элементы. Заявляемый способ реализуют следующим образом. Излучатель 2 магнитного поля размещают на участке тела пациента, обусловленном заболеванием. Это может быть голова, конечность или другая часть тела. От блока 3 питания подается напряжение на конденсатор 1 до момента его полного заряда. При одновременной подаче импульсного сигнала на управляющие электроды транзисторов - ключей 5 и 7 в излучателе 2 создают импульс магнитного поля, показанный на фиг. 3. При снижении величины магнитного поля после закрытия указанных транзисторов, формируют спад указанного импульса магнитного поля. Посредством первого 10 и второго 11 регулирующих элементов длительность спада указанного импульса магнитного поля может быть установлена от 510-5 до 10-3 с. Индуцированное напряжение обратного знака в излучателе 2 инвертируют посредством диодов 6 и 8 и возвращают энергию в конденсатор 1 контура. Одновременно с этим происходит восполнение активных потерь в контуре подпиткой энергии через дроссель 9 с накопительного конденсатора 4. Таким образом, за время спада импульса магнитного поля напряжение на конденсаторе 1 восстанавливается до его номинального значения. Второй импульс магнитного поля может формироваться практически после окончания первого разрядного импульса. На управляющие электрода указанных транзисторов - ключей 5 и 7 подают последовательности импульсных сигналов заданной частоты и в заданном количестве и формируют описанным образом пачки импульсов магнитного поля с частотой от 10 до 1000 Гц в пачке, а частоту пачек импульсов магнитного поля формируют в пределах от 20 до 60 пачек в минуту. Каждый из описанных импульсов магнитного поля индуцирует в тканях тела пациента потенциальный импульс электрического поля, показанный на фиг. 4. Очевидно, что форма этого импульса, а, следовательно, и особенности воздействия на пациента зависят от формируемого импульса магнитного поля. При очень коротком спаде импульса магнитного поля (линия (а) на фиг. 4) указанный потенциальный импульс будет двухполярным (линия (а) на фиг. 4), а при увеличенном времени спада импульса магнитного поля, потенциальный импульс становится однополярным (линии (в) на фиг. 3 и 4 соответственно). Блок-схема универсального аппарата с двумя излучателями (соответственно 15 и 16) на композиционном магнитно-мягком материале двух типов с диаметрами колец излучателя de = 100 и 40 мм показана на фиг. 2. Особенностью предложенной схемы аппарата является тот факт, что энергии заряженных конденсаторов 17 и 18 контуров гораздо больше энергии магнитного импульса Еи 100C17U2/2 или Еи 40 С 18U2/2 В связи с этим, при открывании транзисторных ключей, например 19 и 20, и разряде конденсатора 17 на излучатель магнитного поля 15, напряжение на конденсаторе 17 уменьшается не более чем на 20%. После закрытия транзисторных ключей 19 и 20 напряжение на излучателе инвертируется и после открытия диодов 21 и 22 энергия магнитного импульса возвращается в конденсатор 17. Одновременно с этим происходит восполнение активных потерь в контуре подпиткой энергии через высокочастотный дроссель 23 с накопительных конденсаторов 24 и 25. Собственно за время спада импульса магнитного поля напряжение на конденсаторе 17 восстанавливается до его номинального значения. В связи со сказанным,второй импульс магнитного поля может формироваться практически после окончания первого разрядного импульса. Работа второго контура (излучатель магнитного поля 16, конденсатор 18, транзисторные ключи 19' и 20', диоды 21' и 22' и высокочастотный дроссель 23') происходит аналогично первому, но со смещением на длительность разрядного импульса в первом контуре. Заявляемый излучатель магнитного поля представлен на фиг. 5. Для обеспечения циркуляции индуцированного электрического тока внутри тела человека в плоскости, параллельной поверхности, излучатель 2 магнитного поля имеет две спиральные обмотки 12 и 13 и сердечник 14 из магнитно-мягкого композиционного материала. Сердечник 14 выполнен в виде полого цилиндра, внешнюю поверхность которого охватывает одна из указанных спиральных обмоток - обмотка 12, а другая спиральная обмотка 13 включена встречно и ее охватывает внутренняя поверхность сердечника 14.-4 007347 Для повышения индукции магнитного поля в импульсе до Вm = 2 Тесла на поверхности излучателя и увеличения глубины проникновения магнитного поля, высоту h сердечника 14 выбирают из соотношения h/4de h, где de - внешний диаметр сердечника. Внешний диаметра de сердечника превышает внутренний диаметр di на от 10 до 30 мм. Магнитно-мягкий композиционный материал на основе железа, где каждая частица железа покрыта тонким слоем магнитного диэлектрика, например SMC-500 фирмы Hoganas AB (Швеция), в отличие от металлических магнетиков, не имеет потерь на вихревые токи. Как следствие, частотная характеристика магнитной проницаемости в сравнении с металлическим магнитным материалом смещается в сторону высоких частот. Полевые зависимости магнитной индукции для металлического магнитного материала и композиционного существенно различаются в начальной части кривых. При значениях напряженности намагничивающего поля выше 10 кА/м поведение кривых намагничивания практически идентично. Для композиционного магнитно-мягкого материала характерно практически линейное изменение магнитной индукции с полем. Основные параметры магнитно-мягкого композиционного материала следующие: Среднее значение магнитной проницаемости -= 200 Значение магнитной индукции насыщения - Bm = 2,2 Тл Значение индуктивности L излучателя 2 магнитного поля в последнем случае практически сохраняет свое значение, как и для излучателя без магнитного сердечника за счет уменьшения числа витков:L = 0n2V = 2010-6 Гн Величина емкости конденсатора 1 контура снижается в сравнении с предыдущими случаями до С = 10 мкФ. В результате длительность фронта нарастания магнитной индукции определится: Соответственно, скорость нарастания магнитной индукции составит величинуB/t= 105 Т/с ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Аппарат магнитоиндукционной терапии, содержащий колебательный контур, включающий в себя конденсатор и излучатель униполярных импульсов магнитного поля, имеющий обмотку, блок питания, накопительный конденсатор, включенный параллельно конденсатору контура, а также первый и второй управляемые ключи и первый и второй диоды, отличающийся тем, что указанный излучатель снабжен сердечником, который выполнен из магнитно-мягкого композиционного материала, обеспечивающего скорость нарастания магнитной индукции не менее 105 Т/с. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что положительный вывод конденсатора контура соединен с первым выводом обмотки излучателя через первый ключ и со вторым выводом излучателя - через первый диод, а отрицательный вывод конденсатора контура соединен с указанным вторым выводом излучателя через второй ключ, с указанным первым выводом излучателя - через второй диод, причем указанные первый и второй диоды включены в запирающем направлении. 3. Аппарат по пп.1, 2, отличающийся тем, что указанные управляемые ключи выполнены в виде высокочастотных транзисторов с низким выходным сопротивлением, причем управляющие электроды транзисторов являются входами устройства для подачи управляющих сигналов. 4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что указанные транзисторы являются IJBT - транзисторами. 5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что положительные выводы накопительного конденсатора и конденсатора контура связаны через высокочастотный дроссель, а отрицательные выводы - непосредственно. 6. Аппарат по пп.1-5, отличающийся тем, что он снабжен первым и вторым регулирующими элементами, включенными последовательно с соответствующим диодом. 7. Способ магнитоиндукционной терапии, заключающийся в воздействии аппаратом магнитоиндукционной терапии, содержащем колебательный контур, включающий в себя конденсатор и однополярный излучатель униполярных импульсов магнитного поля, имеющий обмотку, блок питания, накопительный конденсатор, включенный параллельно конденсатору контура, а также первый и второй управляемые ключи и первый и второй диоды, путем размещения торца обмотки излучателя на необходимом участке тела пациента и формирования униполярных импульсов магнитного поля, отличающийся тем,что указанный излучатель выполняют с сердечником, который изготовлен из магнитно-мягкого композиционного материала, обеспечивающего скорость нарастания магнитной индукции не менее 105 Т/с. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что формируют импульсы магнитного поля с формой, близкой к треугольной. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что регулируют длительность спада импульсов магнитного поля от 510-5 до 10-3 с. 10. Способ по пп.7-9, отличающийся тем, что формируют пачки импульсов магнитного поля. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что импульсы магнитного поля в пачке формируют с частотой от 10 до 1000 Гц.-5 007347 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что частоту пачек импульсов магнитного поля формируют в пределах от 20 до 60 пачек в минуту. 13. Излучатель униполярных импульсов магнитного поля, имеющий хотя бы две спиральные обмотки, торец одной из которых предназначен для размещения на теле пациента, отличающийся тем, что он снабжен сердечником из магнитно-мягкого композиционного материала, обеспечивающего скорость нарастания магнитной индукции не менее 105 Т/с. 14. Излучатель по п.13, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра,внешнюю поверхность которого охватывает одна из указанных спиральных обмоток, а другая спиральная обмотка, включенная встречно, охватывает внутренняя поверхность сердечника. 15. Излучатель по п.14, отличающийся тем, что высота h и внешний диаметр de сердечника выбраны из соотношения h/4deh, причем внешний диаметр сердечника de превышает внутренний его диаметр di на 10-30 мм.