Электромагнитный урологический стимулятор

Рисунок 4.12 а) – Схема стимулятора

Аппарат работает следующим образом.

С выхода генератора Г прямоугольные импульсы частотой 20 кГц поступают на вход делителя частоты Д1 на 4000 и на вход делителя частоты Д2 на 8. С выхода Д1 импульсы экспоненциальной формы частотой 5 Гц поступают на первый вход усилителя-сумматора. Выхода Д2 прямоугольные импульсы с частотой 2500 Гцпромодулированные частотой 5 Гц, поступают через фильтр Ф на излучатель И, представляющий собой незамкнутый магнитопровод с закрепленной на нем катушкой. Форма тока через катушку благодаря экспоненциальной форме импульсов частотой 5 Гц и наличию фильтра близка к синусоидальной.

Аппарат обеспечивает формирование в зоне терапии магнитного поля частотой 2500 Гц, промодулированного импульсами f=5 Гц, при величине магнитной индукции 1-5 мТл. Время проведения процедур 1-4 мин.

Аппарат состоит из цилиндрического пластмассового корпуса с установленными в нем аккумулятором, схемой, излучающей головкой. На боковой поверхности расположен регулятор величины магнитной индукции, совмещенной с функцией включения аппарата, регулятор установки времени процедуры, световая индикация излучения, гнездо для подключения зарядного устройства.

4.6.3 Магнитотерапевтические аппараты общего воздействия

Аппараты общего воздействия являются наиболее сложными и дорогими устройствами, поэтому освоенных промышленностью и сертифицированных Минздравом РФ совсем немного. К ним в настоящее время можно отнести аппараты класса «Аврора-МК», аппараты типов «Магнитотурботрон 2М» и «Магнитор-АМП» и комплекс «Биомагнит-4». МТА «Аврора МК-01» предназначен для общего воздействия на пациента сложным динамическим магнитным полем с очень большим набором возможных конфигураций МП от «бегущих» до случайно пере­мещающихся, которые программируются заранее и, в принципе, подбираются для каждого пациента индивидуально. Пациент располагается на специальной кушетке, где в форме гибких плоскостей укреплены сис­темы индукторов: отдельно для всех конечностей, головы и туловища человека. Затем каждая из частей охватывается гибкими плоскостями, образуя замкнутый объем наподобие скафандра, внутри которого нахо­дится пациент. В дальнейшем аппараты класса «Аврора-МК» будут рас­смотрены подробно, как наиболее отвечающие задаче комплексной магнитотерапии. Здесь же ограничимся приведением в табл. 4.2 основных технических характеристик для сравнения с другими аппаратами.

Таблица 4.2 Магнитотерапевтическая аппаратура общего воздействия, выпускаемая серийно

МТА «Магнитор-АМП» предназначен для воздействия вращающим­ся МП в диапазоне 50...160 Гц с программируемой автоматической цик­лично-периодической регулировкой интенсивности МП от 0 до 7,4 мТл и с модуляцией напряженности по произвольному закону на все тело пациента. Индуктор представляет собой объемный электромагнит, вы­полненный в виде статора 3-х фазной 2-х полюсной электрической ма­шины переменного тока, в котором размещается пациент (рис. 4.13).

Рисунок 4.13 – Структурная схема МТА «Магнитор-АМП»

4.7 Анализ задачи общего воздействия динамическим магнитным полем на человека и формирование требований на технические средства комплексной магнитотерапии

Воздействию магнитных полей на организм человека посвящено большое число работ и, хотя физика воздействия до сих пор проявлена слабо, имеется значительный ряд исследований по установлению функ­циональных связей состояния организма человека с параметрами маг­нитных полей. На повестке дня стоит вопрос формирования динами­ческих магнитных полей, имеющих определенную функциональную на­правленность прежде всего для лечения различных заболеваний. Причем формирование магнитных полей в локальной области уже не отвечает многим требованиям медицины. Требуется формирование динамических магнитных полей вокруг всего организма человека вначале как физио­терапевтической процедуры, а в дальнейшем и как фактора среды оби­тания .

Методологическое, математическое, физиологическое и, наконец, техническое решение этой задачи для формирования магнитных полей явилось бы прецедентом решения аналогичных задач для других видов полей и, в конечном итоге, привело бы к решению глобальной задачи формирования нужной структуры физических полей вокруг человека, наличие которых помогло бы ему справиться с болезнями. Для развития рассматриваемого направления с целью повышения эффективности лечения, расширения класса заболеваний, охватываемых системами магнитотерапии, требуется решение следующих вопросов:

— разработка единичного универсального излучателя магнитного
поля, методики его расчета и оптимизации параметров в соот­ветствии с заданными критериями;

— разработка способов формирования оптимальной конфигурации
поля в целом, соответствующей заданной методике лечения;

— конструирование эффективных технических средств для создания заданных полей вокруг человека;

— исследование механизмов воздействия динамических магнитных полей (ДМП) на организм человека и его важнейшие функции;

— разработка эффективных каналов обратной связи и отыскание их
параметров с целью автоматизированного управления характерис­тиками ДМП в ходе воздействия на основе измерения реакцией пациента.

В настоящем разделе сконцентрировано внимание на формировании динамических магнитных полей вокруг всего человека. Под динамичес­ким магнитным полем будем понимать поле, изменяющееся во времени и в пространстве заданного объема (в данном случае внутри и вокруг человека) и имеющее ячеистую структуру, дискретность которой опре­деляется элементами объекта восприятия (например, органы, сосуды, ткани и т.п.), что позволяет обеспечить достаточную независимость уп­равления векторами магнитного поля в соседних ячейках структуры.

Реализация этой идеи распадается на две задачи. Первая из них связана с техническим решением формирования в заданной локальной области пространства ничтожно малого объема (физическая точка, далее — просто точка) вектора магнитной индукции, локализацией вы­деленных точек, формированием объемных матриц векторов магнитного поля, локализацией точек с учетом формы тела человека и его органов, обеспечивающей необходимое распределение магнитного поля как внут­ри тела человека, так и на поверхности. Эта задача обусловливает раз­работку и создание источников магнитного поля, определение их числа, размеров, пространственного расположения, взаимодействия и конфи­гурации. Внешним проявлением решения данной задачи является вид объема, в котором размешается человек. Это может быть магнитная комната, магнитный бокс, магнитная камера, магнитная кушетка, маг­нитный ложемент, магнитный скафандр и др. При этом конструкция объема размещения источников излучения играет не последнюю роль в эффективности воздействия, а тем более в системах, обеспечивающих формирование заданной конфигурации динамического магнитного поля в заданной области пространства.

Вторая задача связана с системой электронного формирования и управления электрическими токами и напряжениями с целью получения заданной динамики (перемещения во времени и пространстве) векторов магнитной индукции в каждой ячейке заданного объема. Рассмотрим эти задачи раздельно.

4.7.1 Формирование метрики векторов магнитного поля

Многомерный вектор динамического магнитного поля D — {Иm, Im} составлен из многомерного вектора пространственного расположения индукторов И_m = {И₁,И₂,...И_s} и многомерного вектора токов, протека­ющих через индукторы,I_т = {I₁,I₂,...I_п}, где s — число индукторов, n — число каналов аппарата. В свою очередь последний составлен из векто­ров канальных токов I_i = {I,Р,Т,t}, где I — интенсивность, Р — поляр­ность, Т — время подключения, t — текущее время.

Таким образом поставленная задача может быть формализована в следующих этапах:

—синтез пространственного расположения излучателей магнитного поля и формирование параметров одиночного базового излуча­теля;

—синтез канала формирования тока, изменяющегося во времени по заданному закону в определенном диапазоне интенсивностей и спектра, отражающему закон изменения магнитного поля во времени;

—синтез многомерности каналов, имеющей заданную корреляци­онную зависимость, отражающей заданную функциональную связь между локалиями и формирующей закон изменения поля в пространстве.

Наложим некоторые ограничения на решаемую задачу синтеза с учетом биологических свойств объекта восприятия и технической реа­лизуемости системы.

1. Изменения магнитного поля во времени и в пространстве должны иметь периодический или квазипериодический характер, хотя и со сложным периодом формирования. Это связано с периодичностью основных биоритмов объекта (пульс, a-ритм, B-ритм) и периодичнос­тью основной среды обитания (день, ночь и т.п.).

2. Изменения во времени и в пространстве должны учитывать периодич­ность биоритмов объекта либо с целью синхронизации с ними, либо наоборот, с целью десинхронизации.

3. Скорость изменения магнитного поля во времени и в пространстве должна быть одного порядка с основными скоростями функциониро­вания организма объекта на макро-уровне (скорость кровотока, рас­пространение ощущений, сокращение мышц и т.п.) и перекрывать их на достаточные значения в обе стороны.

4. Дискретность структуры динамического поля во времени, в простран­стве и по уровню должны быть одного порядка и функционально свя­заны с обобщенной дискретностью макроэлементов объекта воздей­ствия (органов человека).

5. Метрика динамического поля в пространстве должна быть согласова­на с метрикой макроэлементов и процессов в человеке. Рассмотрим задачу формирования динамического процесса во вре­мени в одной точке пространства. Процесс квантования по уровню и дискретизации по времени.

Рисунок 4.14 – Диаграмма формирования полей, дисентируясь на следующие кратных по уровню и во времени рассуждения.

Формирование ячеистой структуры магнитного поля на одной конечности человека длиной L ограничено, кроме всего прочего, способностью в концентрации поля. Так как значение индукции магнитного поля в однородной среде убывает пропор­ционально квадрату расстояния, то по длине конечности в качестве размера локальной ячейки примем область, на границах которой поле убывает в два раза. Если принять, что магнитная индукция в центре ячейки В_ц = Bi, а на границе В_г — Вi/2, можно определить ее размер D, исходя из размера ячейки R_я и размера Riобласти формирования одно­родного поля:

(4.4)

Из последнего соотношения определим размер эффективного дей­ствия ячейки:

(4.5)

Тогда размер ячейки составит Техническая реализуемость диктует размеры источника излучения в пределах D_я = 3...5 см. Тогда размер одной элементарной ячейки магнитного поля D = 2,41-D_я, = 2,41(3...5) может быть определен в пределах D = 7...12 см.

Следовательно, на длине конечности L—1 м должно быть сформи­ровано от 8 до 14 ячеек, а по длине всего тела человека 16...30 ячеек. Таким образом, порядок размерностей ячеек и процессов определился в пределах 8...30, т.е. значения m и n (рис. 4.14) также должны находиться в пределах 8...30. При этом необходимо учесть, что определяющим фак­тором в расчете размеров явилась физическая реализуемость источников магнитного поля на современном уровне развития техники.

4.7.2. Анализ метрики поля

Выше проанализирована пространственная метрика ячеистой струк­туры динамического магнитного поля, создаваемого вокруг человека. Причем диаметр D_я одной ячейки магнитного поля должен находиться в пределах 7...12 см.

На следующем этапе анализа следует выяснить необходимое коли­чество ячеек для формирования замкнутого магнитного поля вокруг человека. Обозначим общую площадь поверхности тела человека S_n и рассчитаем необходимое число ячеек в соответствии с выражением:

(4.6)

Если принять общую площадь поверхности тела человека в среднем равную S_n = 40000 см² (с запасом на комфортное расположение паци­ента), то общее число ячеек определится в пределах N = 400... 1000.

Обратимся теперь к вопросу формирования конфигурации объема магнитного поля вокруг человека. Очевидно, что пространственная структура макрополя, окружающая все тело пациента в целом, имеет немаловажное значение для достижения высокоэффективного лечения. Можно предложить множество моделей конфигурации ячеистой струк­туры излучателей:

—в форме плоскости, на которой располагается человек;

—в форме двух плоскостей, между которыми располагается человек;

—в форме цилиндра, внутри которого располагается человек;

—по форме тела человека и др.

Конфигурации перечислены в порядке усложнения конструкции. Здра­вый смысл подсказывает, что, по-видимому, наиболее эффективной будет конструкция, учитывающая форму тела человека. Однако реализация ее в виде гибкого эластичного костюма (напоминающего гидрокостюм) вряд ли окажется целесообразной, прежде всего из-за массы конструкции (по­рядка 100 кг). Поэтому безусловно требуется некоторый жесткий каркас, воспринимающий всю нагрузку. В этом плане сформировались следующие направления конструирования МТА общего воздействия.

В первом из них для всех конечностей, головы и туловища человека формируются цилиндры жесткой конструкции, в которые необходимо поместить пациента для проведения сеанса магнитотерапии, что не так просто для больного человека.

Во втором для каждой конечности, головы и туловища создается некая упруго сгибающаяся в цилиндр плоскость, которая держит свою форму за счет упругих сил. Исходно на эти плоскости ложится пациент, а затем уже на частях его тела формируются цилиндры.

В третьем изготавливаются две жесткие полусферы по форме тела человека (скорлупы), в которых размещены индукторы. В нижнюю ук­ладывается пациент и закрывается верхней.

Второй и третий подходы являются наиболее приемлемыми для кон­струирования средства, обеспечивающего целесообразную модель кон­фигурации магнитного поля, учитывающую форму тела человека.

Таким образом, задача, связанная с техническим решением направ­ленного формирования в заданной физической точке пространства век­тора магнитной индукции, в конечном итоге наиболее целесообразно решается путем генерации магнитного поля в конфигурации тела чело­века с помощью конструкции, собираемой из излучающих плоскостей ячеистой структуры с числом ячеек в пределах 400... 1000.

4.7.3. Анализ метрики управления

Перейдем к решению второй задачи, связанной с системой элек­тронного формирования и управления электрическими токами и напря­жениями с целью получения заданной динамики (перемещения во вре­мени и пространстве) векторов магнитной индукции в каждой ячейке заданного объема.

Прежде всего обратим внимание на то, что излучатели магнитного поля исходно имеют вид плоскостей, из которых формируется затем объем по форме тела человека. Следовательно, управление ячеистой структурой на плоскости в общем виде наиболее целесообразно пред­ставить матричной организацией NxM (рис. 4.15). Так как по нашим расчетам число ячеек находится в пределах 400... 1000, то в случае ис­пользования квадратной матрицы ее размерность в среднем равна 2020. Данная размерность достаточно ве­лика для реализации, хотя и выполнима. Проанализируем возможности ее уменьшения. Прежде всего обратимся к определенной симметричности тела чело­века и достаточному едино­образию функционирова­ния его частей. При этом выделим 6 макрочастей тела человека: 2 ноги, 2 руки, голова и туловище.

Рисунок 4.15 – Ячеистая структура плоскости, создающее магнитное поле

Четыре из выделенных частей (ноги и руки действительно обладают единооб­разием функционирования, чего однако никак нельзя сказать относи­тельно остальных частей. Тогда, принимая во внимание, что суммарная площадь поверхности ног и рук составляет около 2/3 общей площади поверхности тела человека, то независимой становится площадь, равная

(4.7)

или, в нашем случае, независимое управление достаточно организовать в числе ячеек в пределах 200...500, при этом размерность квадратной матрицы снижается в среднем до 16x16. Однако и эта размерность до­статочна велика, поэтому для дальнейшего упрощения можно всю пло­щадь разбить на шесть единообразных матриц, работающих параллельно. Тогда независимое управление достаточно организовать в числе ячеек 60...160 и свести к размерности матрицы управления 8x8, что особенно удобно при использовании микропроцессорных средств управления.

Важной подзадачей электронного управления является формирова­ние заданной величины и направления тока в одной ячейке матрицы излучения независимо от других ячеек. Выделим ячейку и управляющие элементы, представленные на рис. 4.16. Вектор индукции магнитного поля В(Т) — {Y,X,U_y)U_x} представляет собой функцию векторов управле­ния ключами Ку (строка матрицы), Кx (столбец матрицы) и векторов напряжений U_y и U_x, Выделим множество, при котором В(I) отлично от нуля. Это множество соответствует следующим условиям: Yi&Xj-— I, Uy ф U_x. При этом вектор индукции магнитного поля пропорционален В(I) = (U_y — U_x)/Q_я, где Q_я — общее сопротивление индуктора, распо­ложенного в ячейке. Упростим вектор управления с четырех- до трех­мерного. Это оказывается возможным, если, например, сделать управ­ляющее напряжение U_x = 0. Но тогда становится необходимой двухполярная реализация вектора Uy . Необходимо отметить, что если векторы управления Y,X задать в булевском представлении, то вектор U_y оказы­вается в представлениях бесконечнозначной логики. Сведем управление ячейкой исключительно к булевым представлениям. Это оказывается возможным, если применить широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) или цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) при управлении вектором индукции. Тогда структуру управления ячейкой можно представить в виде, показанном на рис. 4.17, где Z — код управления ЦАП или ШИМ. При этом вектор магнитного поля оказывается пропорционален В(I) — Z(Y&X), что реализовать достаточно просто в цифровой форме, причем наиболее просто реализуется ШИМ. Таким образом, управление ячей­ками матрицы удалось свести к трехмерному управлению булевыми пере­менными.

Рисунок 4.16 – Схема ячейки матрицы излучения

Рисунок 4.17 – Схема управления матрицы излучения