Усков Евгений Дмитриевич

Аспирант; ФГАОУ ВПО “Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина”; 620002, Свердловская область, Екатеринбург, Мира 19.

Руководитель группы стратегического планирования; Федеральное государственное учреждение здравоохранения “Центральная медико-санитарная часть №31” Федерального медико-биологического агентства; 624130, Свердловская область, Новоуральск, Автозаводская 23.

Волобуев Пётр Владимирович

Профессор, д.ф.-м.н.; ФГАОУ ВПО “Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина”; 620002, Свердловская область, Екатеринбург, Мира 19.

Волобуев Андрей Петрович

К.б.н., врач-онколог; Муниципальное учреждение “Центральная городская больница №20”; 620010, Свердловская область, Екатеринбург, Дагестанская 3.

Разработка магнитотерапевтического устройства

Постановка задачи

Большинство магнитотерапевтических устройств, используемых в клинической практике [1], в настоящее время реализуют адекватное воздействие, характеризующееся невысокими интенсивностями магнитных полей [2]. Воздействие высокоинтенсивных полей приводит к неадекватным последствиям [3]. Возможность неадекватного избирательного воздействия импульсного инфранизкочастотного (ИИНЧ) магнитного поля (МП) на клетки злокачественных опухолей обусловлена их отличием от клеток здоровых тканей. Оно предполагает целевой выбор параметров магнитного поля и генерирующего устройства. Авторский вариант магнитотерапевтического устройства представляет собой систему, представленную на рис.1, он удовлетворяет следующим требованиям:

1. Амплитуда индукции магнитного поля в рабочей зоне составляет ~ 100 мТл, её значение регулируемо;

2. Воздействие осуществляется знакопеременными импульсами по форме близкими к прямоугольным с крутым передним фронтом;

3. Несущая частота импульсов регулируема в диапазоне ~ (1-10) Гц;

4. Модуляция индукции магнитного поля в диапазоне частот (50-100) Гц с амплитудой (3-10) мТл;

5. При каждой заданной частоте следования импульсов предусмотрена регулировка скважности – соотношения продолжительностей импульса и паузы в пределах периода;

6. Температурный режим обеспечивается оптимизацией мощности, выделяемой генератором ИИНЧ МП с учётом системы теплоотвода.

Рис.1 – Структурная схема магнитотерапевтического устройства: ПК – персональный компьютер; ЭКП – электронная карта пациента; БД – база данных по режимам и времени экспозиции; ПУ – программа управления; ПР МП – программа расчёта картины магнитного поля; ФПС – Фурье-преобразование сигнала; ПЛУ – плата управления; ППУ – программа платы управления; СУ – силовая установка; ГМП – генератор магнитного поля (система пары соосных катушек Гельмгольца); ИС – измерительная система

Оптимизация генератора ИИНЧ МП

Оптимальные условия воздействия обусловлены конкурирующими требованиями: обеспечением заданной амплитуды магнитной индукции при несущей частоте в герцовом диапазоне и недопустимости перегрева объекта воздействия.

Требуемая индукция магнитного поля определяется индуктивностью катушек, и значением тока в их обмотках. Временная структура генерируемого магнитного поля в существенной мере отличается от структуры напряжения питания, представленного прямоугольными импульсами. Она определяется параметрами электрического контура, его сопротивлением – R и индуктивностью – L, которые в совокупности определяют инерционность системы. Изменение магнитного поля импульса выражается соотношением , где – время релаксации. Из-за инерционности устройства, обусловленной его индуктивностью, ограничивается частотный диапазон воздействия МП. С другой стороны, обеспечение требуемой амплитуды магнитного поля за счёт увеличения тока приводит к интенсификации тепловыделения. Таким образом, оптимизация условий воздействия определяется сочетанием параметров, таких как: значение индукции магнитного поля, её однородность в пределах рабочей зоны, время релаксации, выделяемая мощность, применительно к отдельно взятой катушке. Для оптимизированных условий воздействия значение амплитуды индукции МП вблизи торца катушки ~ 100 мТл; время релаксации фронтов импульса ~ 0,1 с; максимальная потребляемая мощность на две катушки ~ 2 кВт.

Пространственное распределение магнитного поля в рабочей зоне генератора ИИНЧ МП обусловлено суперпозицией полей эквивалентных витков [4]. Так как магнитное поле системы катушек осесимметрично, то компоненты магнитной индукции находятся из следующих выражений

,	(1)
,	(2)

где – координаты эквивалентного витка; – координаты точки наблюдения; и – полные эллиптические интегралы соответственно первого и второго рода.

,.

,

.

Температурный режим оценивался методом функции Грина трёхмерной задачи температуропроводности с учётом равномерного тепловыделения для отдельной катушки (катушку считали изготовленной из монолитного материала с эффективными физическими характеристиками).

,

(3)

где – коэффициент температуропроводности, , и – удельная теплоёмкость, плотность и теплопроводность материала катушки; – функция объёмного тепловыделения, – объём катушки. Краевые условия задачи соответствуют конвективному теплообмену с внешней средой. Коэффициенты теплоотдачи оценивались с использованием критериальных соотношений и по измерению времени релаксации температурного режима на модельных экспериментах.

Апробация способа воздействия

Материалом для проведения исследований по апробации предложенного способа воздействия были выбраны спонтанные злокачественные опухоли молочных желёз представительной выборки беспородных собак.

При гистостереометрических сравнительных исследованиях гистологических препаратов удалённых злокачественных опухолей контрольной и рабочей групп можно сделать следующие выводы:

1. Предложенные режимы локального воздействия достоверно приводят к лечебному патоморфозу II – III степени выраженности в спонтанных злокачественных опухолях у подопытных животных;

2. Установлены избирательность и морфологическая необратимость последствий воздействия ИИНЧ МП в заданных параметрах на опухолевые ткани по сравнению с аналогичными здоровыми.

3. В то же время, при гистологических исследованиях тканей здоровых молочных желёз, дистрофические изменения составляют менее 10%, некрозы не обнаружены.

Возможные альтернативные устройства

Проведённая апробация показала эффективность использования МТУ в лечении онкопатологий [5,6]. Однако сконструированное устройство имеет ограничения допустимых режимов воздействия:

1. Максимально возможная частота следования импульсов для биполярного режима составляет 1,5 Гц; что ограничивает использование более высоких частот.

2. Нагревание индукторов не позволяет их использовать непрерывно (для случая естественной конвекции), чтобы не допустить перегрева биообъекта. После сеанса работы индуктора предусмотрено его периодическое отключение.

Возможным решением обеих проблем является использование устройства на постоянных магнитах [7]. Разогрева объектов в лечебной зоне не происходит из-за отсутствия в предлагаемой полезной модели катушек индуктивности. Постоянные П-образные магниты в предлагаемой установке являются съёмными и взаимозаменяемыми. Крепление магнитов на стержне позволяет достаточно быстро заменять магниты, менять их ориентацию, заменять один вариант расположения магнитов на другой, что позволяет регулировать размеры рабочей лечебной зоны и длительность воздействия импульсов (возможные частоты следования импульсов (1÷15) Гц).

Список литературы

1. Соловьева Г.Р. Магнитотерапевтическая аппаратура. – М.: Медицина, 1991, 174 с.

2. Рыбаков Ю.Л. Магнитные поля в экспериментальной и клинической онкологии // Медицинская физика. – 2002. – Т.16, Вып.4. – С.66-84

3. Каплан М.А., Никитина Р.Г., Климанов М.Е. и соавт. Перспективы применения высокоинтенсивных импульсных магнитных полей в лечении злокачественных новообразований // Российский онкологический журнал. – 1998. – Вып.5. – С.34-37.

4. Бухгольц Г. Расчёт электрических и магнитных полей: пер. с нем. – М.: Издательство иностранной литературы, 1961, 712 с.

5. Патент 2376043 С1 (РФ), МПК A61N 2/04. Способ подавления функций и разрушения клеток злокачественных опухолей / Донник И.М., Волобуев А.П., Усков Е.Д. – Опубл. 20.12.2009, Бюл № 35.

6. Волобуев А.П., Усков Е.Д., Казанцева Н.В. Возможности использования инфранизкочастотного электромагнитного поля в лечении онкопатологии // Уральский Медицинский Журнал. – 2010. – Вып.12. – С.42-44.

7. Патент 101929 РФ, МПК A61 N 2/12. Магнитотерапевтическая установка / А.П. Волобуев, П.В. Волобуев, С.Ф. Конев, Е.Д. Усков, Б.В. Шульгин – Опубл. 10.02.2011, Бюл. № 4.