Физические основы использования
Магнитного поля в биологии и медицине.
Изучение аппаратов для низкочастотной
магнитотерапии “Полюс – 1” и “Магнитер”
Цель: 1. Познакомиться с физическими основами воздействия на биологические объекты постоянного и низкочастотного магнитного поля.
Познакомиться с назначением и изучить устройство аппаратов для низкочастотной магнитотерапии “Полюс–1” и ”Магнитер”.
3. Исследовать распределение в пространстве магнитного поля индукторов при работе аппаратов.
Литература
1. [1], §§ 16.1, 16.3, 17.1.
2. [2], §§ 40, 42.
3. Физический энциклопедический словарь. М., “Советская энциклопедия”, 1984.
4. Medizinische Physik (Physik fur Mediziner, Pharmazeuten und Biologen). Springer – Verlag Wien New York 1992.
Вопросы входного контроля
1.Определение магнитного поля.
2.Условие возникновения магнитного поля и его основные характеристики (перечислить).
3.Напряженность магнитного поля, единицы её измерения. Закон Био–Савара–Лапласа.
4.Магнитная индукция как силовая характеристика магнитного поля, единицы измерения.
5.Связь между индукцией и напряженностью магнитного поля. Магнитная проницаемость.
6.Графическое изображение магнитных полей. Магнитный поток, его связь с вектором индукции магнитного поля.
7.Контур с током как “пробное тело“ при исследовании магнитного поля. Момент силы, действующей на контур с током в магнитном поле.
8.Магнитный момент контура с током, его направление и единицы измерения. Связь индукции магнитного поля с магнитным моментом контура с током.
9.Магнитные моменты элементарных частиц. Атомный и ядерный магнетон Бора.
10.Сила Ампера, определение направления её действия.
11.Сила Лоренца, определение направления её действия. Траектория движения заряженной частицы в однородном магнитном поле.
12.Чем обусловлены магнитные свойства тел? Магнитные моменты атомов и молекул как геометрическая сумма магнитных моментов электронов (орбитальных и спиновых).
13.Намагниченность вещества.
14.Определение магнетиков. Краткая характеристика свойств парамагнетиков, диамагнетиков и ферромагнетиков.
15.Закон электромагнитной индукции.
Введение
Использование магнитов в лечебных целях насчитывает многовековую историю. Из глубокой древности известны попытки использования врачами магнитов, так как магниту приписывали чудодейственное влияние на здоровье человека. В дошедших до нас документах средних веков описываются случаи остановки кровотечений, удаления ядов из организма, лечения нервных заболеваний с помощью магнитов. В середине XIX века, с появлением сильных электромагнитов, интерес к магнитотерапии возобновился на качественно новом уровне. С тех пор проделано огромное количество опытов по изучению воздействия магнитного поля на отдельные органы, ткани и на живые организмы в целом. Здесь большой интерес у биологов вызывает изучение влияния слабого магнитного поля на поведение животных и растений. Было обнаружено, что в помещениях, экранированных от геомагнитного поля (ГМП) (обычно используются железные клетки) изменяется скорость роста некоторых растений и прорастания семян, образуются новые формы микроорганизмов, нарушается пространственная ориентация насекомых. Отсутствие ГМП вызывает необратимые изменения в организме высших животных.
Исследования последних десятилетий подтвердили перспективность применения магнитного поля в терапии. С этой целью медицинская промышленность для лечения постоянным или низкочастотным магнитным полем, выпускает аппараты «Полюс – 1», «Магнитер» и некоторые другие. Налажен промышленный выпуск специальных постоянных магнитов и магнитофорных аппликаторов, изготовленных из смеси полимерных веществ (каучук, смолы) и намагниченных порошкообразных ферромагнитных носителей. Индукция магнитного поля таких устройств составляет порядка 15 
40мТл что значительно выше индукции магнитного поля Земли 0.07мТл. Исследования показали, что они обладают обезболивающим и противовоспалительным действием, способствуют улучшению местного кровообращения.
Магнитотерапия – лечебный метод, заключающийся в воздействии на живую биологическую ткань, орган или организм в целом постоянным или низкочастотным магнитным полем, средняя величина индукции которого значительно превосходит величину индукции магнитного поля Земли.
Наблюдаемый повышенный интерес к исследованию механизмов влияния магнитного поля на биологические объекты связан в основном с тем, что:
- во-первых, необходимо подвести научную базу под преимущественно эмпирические терапевтические методы, получившие распространение в клинике;
- во-вторых, много проблем возникает в связи с развитием новой науки – космической биологии, поскольку длительные полеты в космосе связаны с отрывом человека от ГМП;
- в-третьих, существуют проекты противорадиационной магнитной защиты экипажей космических кораблей, в результате чего люди в кабине корабля длительное время будут находиться под действием сильного магнитного поля.
Краткая теория
возможных механизмов биомагнитных эффектов
Что касается механизма первичного действия магнитного поля на биологические объекты, то его, на сегодняшний день, несмотря на определенные успехи, нельзя считать окончательно выясненным. В данном пособии речь пойдет как о фактах хорошо изученных, так и о некоторых гипотезах, находящихся в стадии научного исследования и позволяющих существенно продвинуть исследования в этой сложной области знания.
Проводимые лабораторные исследования с животными и клинические наблюдения над людьми показали, что при воздействии постоянного магнитного поля (ПМП) магнитобиологические эффекты в основном сводятся к следующему:
- расширение сосудов (особенно это выражено в легких, печени и селезенке);
- увеличение числа лейкоцитов и повышение резистентности эритроцитов;
- изменение электрической активности головного мозга;
- изменение ориентационной способности в пространстве и двигательной активности у животных (у рыб при индукции 15мТл, а у птиц уже при 1мТл). При индукции в 400мТл мыши впадают в оцепенение.
Объяснения таких реакций живых организмов дали ученые, изучавшие биомагнитные явления: Я. И. Дорфман и А. С. Пресман. По их мнению, при действии магнитного поля на живые организмы могут происходить в основном следующие физические и физико-химические процессы:
1. Изменение протекания биохимических реакций при парамагнитном и диамагнитном намагничивании вследствие действия внешнего магнитного поля на биологически активные молекулы и воду.
2. Магнитогидродинамические торможения циркуляции биологических жидкостей.
3. Деформация нервных волокон и нарушение проводимости нервных импульсов (биотоков) в сильном ПМП.
Рассмотрим эти механизмы подробнее.
1. На основании теоретических представлений мы знаем, что магнитные свойства любых тел обусловлены состоянием электронных оболочек атомов и молекул (орбитальный и спиновый магнитные моменты электронов), магнитным моментом обладает и ядро атома. Поэтому нет в природе веществ, состояние которых не изменялось бы при помещении их в магнитное поле. Находясь в магнитном поле, они в той или иной степени, в соответствии с их микроскопическими свойствами, сами становятся источниками магнитного поля – намагничиваются. В этом смысле все вещества принято называть магнетиками. Магнетики подразделяются на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики (живая биологическая ткань ферромагнитными свойствами не обладает). 
Появление намагниченности, кроме ориентирующего действия на атом или молекулу, способно привести к изменению энергетического состояния валентных электронов и, следовательно, сказаться на возможности протекания некоторых химических реакций. Однако, как показывают расчёты, по сравнению с тепловым движением, энергия магнитного поля, даже очень сильного, мала и не может существенно изменить потенциальный барьер, который приходится преодолевать реагентам в ходе химической реакции. 
[Км1] [Км2] Воздействие магнитного поля напряженностью 
(8*105А/м) на атомы с нескомпенсированным магнитным моментом (диамагнетики, парамагнетики) оценивается как отношение магнитной энергии к тепловой - 
т.е. энергия теплового движения 
примерно в 100 раз больше, чем магнитного поля.
Поэтому влияние магнитного поля может быть заметным (магнетохимический эффект), если в реакции участвуют вещества с ненулевыми магнитными моментами – атомные группы, обладающие неспаренными спинами (
, 
и др.). При этом на валентные электроны магнитных реагентов может влиять не только внешнее, но и сверхтонкое магнитное поле ядер атомов.
По мнению академика С. В. Вонсовского, магнитное поле в данном случае, играет роль “курка”, включающего определенные биохимические механизмы (может измениться структура жидкокристаллических субстратов, к которым относятся и биологические мембраны, что влечет за собой изменение их проницаемости и соответственно обменных процессов). В этой связи следует отметить также, что в организме человека и животных имеется значительное количество железа (у взрослого человека до 4-5 г.), которое присутствует в организме в виде сложных органических соединений. И лишь незначительная часть его находится в виде солей. Оно входит в состав мышечного белка (миоглобина), содержится в гемоглобине, в дыхательных ферментах. Его недостаток отрицательно сказывается на общем самочувствии человека. Железосодержащие соединения можно подразделить на две основные группы:
· соединения содержащие гем (железопорфирин);
· соединения, не содержащие его.
Основным гемсодержащим белком является гемоглобин. Этот железосодержащий белок, в который входит до 75% общего количества железа в организме, находится в эритроцитах. Исследования показывают, что в зависимости от физико-химического состояния эритроцита он может находиться в диамагнитном или парамагнитном (если эритроцит необратимо присоединяет к себе кислород) состояниях. Ввиду малости размеров магнитный момент эритроцитов мал и составляет 
. Поэтому на эритроциты может оказать влияние только достаточно сильное магнитное поле, более 
(~105 А/м).
Для сравнения – лучшие магнетометры способны почувствовать поле (
).
Магнитные браслеты дают поле порядка 
(104÷105А/м).
К группе железосодержащих соединений, не имеющих гема, относится ферритин – белок, составляющий около 15% общего количества белка в организме.
Не обошли своим вниманием исследователи и воду, которая является основным веществом организма. Существует много попыток объяснения действия на неё магнитного поля.
Ещё в 30-х годах обнаружено, что при воздействии на воду магнитного поля с индукцией более 
изменяются её некоторые физико-химические свойства (поверхностное натяжение, диэлектрическая проницаемость, кислотность). Это связывают не только с действием магнитного поля на молекулу воды, но и с тем, что вода даже, дистилированная, кроме 
может содержать примеси. Сама по себе молекула воды обладает слабыми магнитными свойствами – диамагнитна. К слабомагнитным примесям также относятся ионы (
и др.) и соли (
). Примесями с сильными магнитными свойствами являются некоторые радикалы и присутствующие в виде коллоидных частиц окислы железа (
).
Действие магнитного поля в этом случае, может быть объяснено термодинамической неравновесностью воды, потому что из пересыщенного раствора может выпадать в осадок избыточное количество растворенных в ней солей.
2. Магнитогидродинамические торможения циркуляции биологических жидкостей (в основном это можно отнести к крови) заключаются в том, что эти жидкости представляют собой растворы электролитов. Движение заряженных частиц в ПМП подобно движению проводника и, поэтому, сопровождается возникновением индукционных токов, которые согласно закона Ленца тормозят его движение (потока частиц). Расчеты показывают, чтобы уменьшить скорость кровотока у человека на 0,1% нужно иметь поле не менее 0,2Тл, что гораздо больше, чем дают японские магнитные браслеты. Если постоянное МП оказывает силовое действие только на движущиеся заряженные частицы, то низкочастотное переменное МП может вызвать обратный эффект: в покоящемся растворе электролита - привести к возникновению перемещения заряженных частиц, например, во внутриклеточной среде. Эти явления могут сопровождаться изменением скорости биохимических процессов и, следовательно, проницаемости биологических мембран.
3. При прохождении электрических импульсов (импульсов возбуждения) по нервным волокнам, находящихся в сильном магнитном поле, на них действует сила Ампера, под влиянием которой проводник (волокно) смещается и изгибается (механическое воздействие). Смещение проводника в магнитном поле сопровождается появлением в нём, согласно закона Ленца ЭДС индукции. А так как она имеет встречное направление, то тормозит распространение импульса возбуждения и искажает его форму. Этим эффектом можно объяснить, как изменение двигательной активности некоторых млекопитающих в сильном магнитном поле, так и способность ориентироваться в пространстве животных и насекомых при помощи магнитного поля земли (механическое воздействие максимально если угол между направлением тока и линиями магнитной индукции составляет 
).