Устройство для магнитотерапии

 

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для лечения заболеваний пациентов методами магнитотерапии путем интегрального воздействия векторно-управляемым магнитным однородным магнитным полем. Векторно-управляемое магнитное поле с произвольным вращением вектора суммарной напряженности и произвольной конфигурацией создается устройством, содержащим три ортогональных контура, три усилителя мощности, три фазовых модулятора, три амплитудных модулятора, три генератора сигналов управляемой формы и частоты, а также устройством управления. Устройство позволяет генерировать множество вариантов конфигурации магнитных полей, что позволяет подобрать оптимальное в лечебных целях магнитное поле для конкретного пациента, а также изменять его конфигурацию при адаптации организма пациента к конкретному полю. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике и предназначено для интегрального воздействия на пациента в лечебных целях однородным магнитным векторно-управляемым магнитным полем произвольной конфигурации.

Известно устройство для магнитотерапии (патент на изобретение № 2135228, зарегистрирован 27 августа 1999 г.), содержащее магнитометр, три образцовых резистора, три взаимно-ортогональных контура на кольцах Гельмгольца, три АЦП, три управляемых источника тока, три ЦАП, устройство управления, сумматор, устройство сравнения кодов, коммутатор, генератор случайных чисел.

Данное устройство обладает следующими недостатками:

1. Не позволяет генерировать в рабочем объеме устройства, образованного совокупностью трех пар колец Гельмгольца, магнитное поле, вектор суммарной напряженности которого описывал бы в трехмерном пространстве заданную траекторию.

2. Не позволяет генерировать в рабочем объеме устройства, образованного совокупностью трех пар колец Гельмгольца, магнитное поле, модуль вектора суммарной напряженности которого изменялся бы в соответствии с заданным законом управления.

3. Не позволяет генерировать в рабочем объеме устройства, образованного совокупностью трех пар колец Гельмгольца, магнитное поле, вектор суммарной напряженности которого изменял бы скорость вращения в пространстве рабочего объема в соответствии с заданным законом управления.

4. Устройство предназначено только для стабилизации вариаций магнитного поля Земли в рабочем объеме и их воспроизведения. Данное устройство по патенту на изобретение № 2135228, зарегистрировано 27 августа 1999 г., является ближайшим и принимается за прототип.

Технический результат заключается в создании нового устройства, обеспечивающего интегральное воздействие на весь организм человека в лечебных целях магнитным полем, вектор суммарной напряженности которого изменяет в трехмерном пространстве свою траекторию, модуль и частоту вращения в соответствии с заданным законом управления. Такое устройство может генерировать множество вариантов конфигурации магнитных полей, что позволяет подобрать оптимальное в лечебных целях магнитное поле для конкретного пациента, а также изменять его конфигурацию при адаптации организма пациента к конкретному полю.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее рабочий объем, источник управляемого магнитного поля, включающий три пары взаимно-ортогональных колец Гельмгольца, три источника тока и устройство управления, при этом обмотки каждой пары колец Гельмгольца связаны с соответствующим источником тока, причем каждый из источников тока включает последовательно объединенные генератор управляемой формы и частоты, амплитудный модулятор, фазовый модулятор и усилитель мощности, выход является выходом источника тока, при этом устройство управления выполнено с возможностью задания формы, частоты, а также законов амплитудной и фазовой модуляции токов, формирующих составляющие магнитного поля по координатам X, Y, Z, и соответствующими выходами подключено к управляющим входам генераторов сигналов управляемой формы и частоты, амплитудных и фазовых модуляторов.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства. Устройство содержит рабочий объем, образованный системой из 3-х пар ортогональных колец Гельмгольца, обмотки которых подключены к выходам усилителей мощности (2, 3, 4), входы усилителей мощности подключены к выходам фазовых модуляторов (5, 6, 7), входы фазовых модуляторов соединены с выходами амплитудных модуляторов (8, 9, 10), входы амплитудных модуляторов подсоединены к выходам генераторов управляемой формы и частоты (11, 12, 13).

Управляющие входы фазовых модуляторов (5, 6, 7), амплитудных модуляторов (8, 9, 10), генераторов управляемой формы и частоты (11, 12, 13) соединены с устройством управления (14), функции которого выполняет ЭВМ.

В предложенной модели для магнитотерапии применяются блоки, выполненные на известных стандартных устройствах аналоговой и цифровой техники.

Принцип формирования векторно-управляемого поля с заданной траекторией вращения суммарного вектора в трехмерном пространстве может быть пояснен следующим образом.

Источником магнитного поля является система, состоящая из трех пар взаимно-ортогональных колец Гельмгольца с независимым управлением напряженностями по составляющим х, у, z. Суммарное магнитное поле, образуемое этими составляющими в рабочем объеме, может изменяться в пространстве и времени по любому заданному закону.

На фиг.2 условно показана трехмерная система создания управляемого магнитного поля, где L1, L1¹ - пара колец Гельмгольца, создающая магнитное поле по координате х, L2, L2¹, L3, L3¹ - пары колец, создающие магнитное поле по координатам z и у, a i₁, i₂, i₃ - токи в соответствующих катушках рассматриваемой системы. Так как системы пар колец взаимно ортогональны в местах пересечения, то и соответствующие им магнитные поля взаимно перпендикулярны друг к другу. Последнее условие позволяет производить взаимно независимое управление каждой составляющей по соответствующей координате. Результирующую напряженность Н внутри такой системы (рабочем объеме) можно определить векторной суммой:

H=i·H_x+j·H_y+k·H_z,

где i, j, k - единичные векторы по х, у, z,

Н_х, Н_у, H_z - напряженности магнитных полей, создаваемых токами i₁, i₂, i₃, протекающими по обмоткам объемной контурной системы колец Гельмгольца (фиг.3).

Величина и направление вектора суммарной напряженности поля Н зависят от величины и направления составляющих Н_х, Н_у, H_z, которые в свою очередь определяются величинами и направлением токов i₁, i₂, i₃ (фиг.2).

Рассмотрим пример получения вращающегося магнитного поля, для чего будем использовать две пары колец L1, L1¹, L3, L3¹ (фиг.2), к обмоткам которых подключены источники токов, изменяющихся в соответствии с:

i₁=i₀₁ cos(ωt-ϕ₁),

i₃=i₀₃ cos(ωt-ϕ₃).

Допустим, что колебания этих токов когерентны, т.е. разность начальных фаз

Δϕ=ϕ₃-ϕ₁=const.

В соответствии с этими условиями по координатам х и y получим когерентные колебания напряженностей магнитного поля в рабочем объеме контурной системы.

где Н_ох, H_oy - амплитудные значения напряженностей магнитного поля по соответствующим координатам. Значения Н_ох, Н_оу зависят от радиуса колец Гельмгольца R, числа витков N и силы протекающих токов i_ox, i_oy. Решая совместно уравнения (1) и (2), получаем:

Выражение (3) является обобщенным уравнением эллипса и определяет траекторию движения суммарного вектора напряженности магнитного поля Н_ху в плоскости хy.

При значении ϕ_y=ϕ_x=0 уравнение (3) трансформируется в уравнение прямой:

Если ϕ_y-ϕ_x=π/2, то уравнение (3) преобразуется в уравнение эллипса, отнесенного к координатам х и y:

Для полного использования трехмерной системы колец Гельмгольца необходимо по катушкам L2, L2¹ пропустить ток i₂, изменяющийся в соответствии с выражением

i₂=i₀₂·cos(ωt-ϕ_z).

Поставим условие когерентности колебаний токов во всех катушках трехмерной системы.

Ток i₂ создает в катушках L2, L2¹ поле напряженностью:

Решая совместно уравнения (2) и (6), получаем:

При ϕ_z-ϕ_y=π/2 уравнение (7) принимает вид:

Из уравнений (5) и (6) получаем:

где b=H_0y,

Уравнение (9) является уравнением эллипсоида вращения. В рассматриваемом случае (9) характеризует поверхность, по которой проходит траектория движения конца суммарного вектора напряженности поля в трехмерном пространстве.

При условии а²=b²=с²=А (9) принимает вид уравнения сферы:

Форма эллипсоида (9) и его геометрические размеры зависят от Н_ох, Н_оу, H_oz и их соотношения. Отсюда следует вывод, что, изменяя токи i₁, i₂, i₃ в катушках трехмерной системы, можно изменять форму эллипсоида, его размеры.

Частота колебаний токов в катушках не влияет на параметры эллипсоида, если она одинакова для всех составляющих Н_х, Н_у, H_z. В случае различных частот (ω_x ≠ ω_y ≠ ω_z) получается более сложная поверхность, по которой перемещается конец вектора Н.

Уравнение (9) получено для трех синусоидальных токов, протекающих по взаимно-ортогональным катушкам трехмерной системы. Допустим, что сдвиг фаз колебаний по координате y относительно х равен Δϕ_xy=π/2, по z относительно у - Δϕ_yz=π/2.

В этом случае конец вектора Н_ху=Н_х+Н_y будет перемещаться по эллипсу в плоскости (х, y), а конец вектора H_yz=Н_y+H_z - по линии эллипса в плоскости (yz).

Результирующий вектор Н=Н_хy+H_yz своим концом будет перемещаться по поверхности эллипсоида вращения. В трехмерной прямоугольной системе координат (xyz) кроме плоскости (xy), (yz) существует третья плоскость (zx). Полная характеристика объемного состояния поля может быть представлена в проекциях на эти три плоскости.

Для этого найдем траекторию движения третьего вектора H_zx=H_z + Н_х в плоскости (zx). Три вектора Н_хy, H_yz, H_zx определяют состояние поля в каждой из трех плоскостей. Чтобы определить траекторию движения конца вектора H_zx, найдем разность фаз между колебаниями токов по координатам z и х при условии, что

Δϕ_xy=π/2, Δϕ_yz=π/2.

Фиксированные значения Δϕ_xy и Δϕ_yz не позволяют брать произвольное значение фазы. Это достаточно очевидно и может быть сформулировано в виде леммы: если три колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях (по осям х, у, z) сдвинуты по фазе на Δϕ_xy, Δϕ_yz, Δϕ_zx (колебания когерентны), то одно из значений сдвигов фаз всегда равно сумме двух других, например:

Из условия (11) следует, что если Δϕ_yz=Δϕ_xy=π/2, то Δϕ_zx=π.

Это означает, что конец вектора H_zx описывает в плоскости (zx) геометрическую фигуру, отличающуюся от эллипса. Докажем это, для чего получим уравнение траектории движения конца вектора H_zx в плоскости (zx), используя уравнения (1) и (6):

Из уравнения (11) и условия Δϕ_yz=Δϕ_xy=π/2 получим:

Из уравнения (12) и соотношения (13) находим, что

Полученное выражение является уравнением прямой. Это означает, что в плоскости (zx) траектория конца вектора H_zx при условии Δϕ_yz=Δϕ_xy=π/2 не является эллипсом, в отличие от траекторий движения по плоскостям (ху) и (yz). Таким образом, при идентичных колебательных процессах по координатным осям (х, у, z) имеет место асимметрия конфигурации поля в плоскостях (zx), (yz), (xz) в случае реализации эллипсоида вращения.

Устройство в режиме магнитотерапевтического сеанса работает следующим образом. Пациент размещается внутри рабочего объема, образованного совокупностью колец Гельмгольца, сидя в немагнитном кресле или лежа на кушетке, изготовленной из немагнитных материалов. Такое требование обусловлено тем, что кресло или кушетка, изготовленные из других материалов, будут искажать картину генерируемого магнитного поля. После размещения пациента устройство управления задает относительный сдвиг фаз токов, формирующих составляющие магнитного поля по координатам X, Y, Z, закон амплитудной модуляции сигнала несущей частоты (синусоидальный, косинусоидальный, линейный и др.), форму несущей частоты (синусоидальную, косинусоидальную, линейную, прямоугольную, пилообразную и др.) и частоту следования этих сигналов.

В зависимости от этих параметров и формируется магнитное поле заданной конфигурации и закона изменения, которое и воздействует на пациента в лечебных целях.

Конфигурация поля, его пространственные и временные характеристики подбираются индивидуально для каждого пациента.

Формула изобретения

Устройство для магнитотерапии, содержащее рабочий объем, источник управляемого магнитного поля, включающий три пары взаимоортогональных колец Гельмгольца, три источника тока и устройство управления, при этом обмотки каждой пары колец Гельмгольца связаны с соответствующими источниками тока, отличающееся тем, что каждый из источников тока включает последовательно соединенные генератор сигналов управляемой формы и частоты, амплитудный модулятор, фазовый модулятор и усилитель мощности, выход которого является выходом источника тока, при этом устройство управления выполнено с возможностью задания формы и частоты, а также законов амплитудной и фазовой модуляции токов, формирующих составляющие магнитного поля по координатам X, Y, Z, и соответствующими выходами подключено к управляющим входам генератора сигналов управляемой формы и частоты, амплитудных и фазовых модуляторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3