Магнитные поля в природе и в медицине
Понятие о биомагнетизме
Понятие о магнитобиологии
Биологическое действие постоянного магнитного поля
Магнитобиология занимается изучением воздействия магнитного поля на биообъекты.
Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Так, например, имеются сведения:
• о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле;
• об угнетении роста бактерий в магнитном поле;
• о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле;
• об ориентации растений в магнитном поле;
• о влиянии магнитного поля на нервную систему и изменении характеристик крови;
• об эффективности процессов регенерации при действии низкочастотного магнитного поля.
Первичными процессами во всех случаях являются физические или физико-химические процессы. Такими процессами могут быть: ориентация молекул; изменение концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле; силовое воздействие (сила Лоренца) на ионы и др.
Биомагнетизм занимается проблемами, которые связаны с магнитными свойствами и магнитными полями, создаваемыми биологическими объектами.
Магнитное поле человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно очень мало: индукция магнитного поля составляет для сердца – 10–11, для мозга 10–13 Тл. (ср. с магнитным полем Земли – 10–5 Тл). Для измерения магнитного поля тела человека используют специальный магнитометр (сокращенное его название СКВИД), который регистрирует сверхмалые магнитные поля до 10–18 Тл. Метод основан на измерении не самого магнитного поля тела, а его изменения в пространстве.
Биотоки, возникающие в организме в результате сердечной деятельности, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей можно измерить. Так, например, на основании регистрации магнитной составляющей электромагнитного поля сердца создан бесконтактный диагностический метод – магнитокардиография (МКГ). Магнитокардиограмма внешне похожа на электрокардиограмму (ЭКГ), и ее элементы имеют те же обозначения. Метод МКГ используют, например, для раздельной записи магнитокардиограмм сердца матери и сердца плода. При исследованиях мозга используется магнитоэнцефалография (МЭГ), основанная на регистрации характеристик магнитных полей, обусловленных биоэлектрической активностью мозга.
Так же, как и СЭП, постоянное или почти постоянное магнитное поле является одним из глобальных физических факторов, под действием которых находятся все земные биологические объекты. Происхождение магнитного поля Земли (ГМП) во многом неясно, но характеристики его хорошо известны. Средняя величина магнитной индукции ГМП равна 0,7·10–4 Тл,. однако в некоторых районах существуют магнитные аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии величина магнитной индукции в связи с залежами магнитных руд достигает 2·10–4 Тл. Магнитное поле, обусловленное процессами, происходящими в недрах Земли, почти постоянно и испытывает лишь медленные вековые колебания. Однако существуют другие причины, порождающие ГМП, к которым относятся электрические токи в ионосфере. Особенно сильные изменения ГМП, называемые магнитными бурями, связаны с солнечной активностью, меняющейся циклически. Наиболее известен 11-летний цикл, максимум которого связан с выбросом Солнцем заряженных частиц во время мощных хромосферных вспышек. Наблюдают также 27-дневную повторяемость магнитных бурь, связанную с 27-дневным периодом вращения Солнца вокруг своей оси, а также ряд других циклов ГМП.
Как и гравитационное поле, геомагнитное поле – всепроникающий физический фактор, и можно предположить, что оно должно оказывать влияние на биосферу. На существование такого влияния впервые обратил внимание советский ученый А.Л. Чижевский в 20-х годах. Он заметил, что многие биологические процессы имеют повторяемость, совпадающую с циклами солнечной активности. Дальнейшие многолетние исследования подтвердили существование синхронности между циклами солнечной активности и численностью популяций животных и насекомых, повторяемостью эпидемий и эпизоотии, массовыми миграциями животных вне сезонов, изменениями клеточного состава крови животных и человека, рождаемостью, смертностью и даже травматизмом на производстве и числом автомобильных катастроф. Интересно, что многие совершенно различные процессы в местах, удаленных друг от друга на тысячи километров, происходят синфазно. Синхронность и синфазность самых различных проявлений жизнедеятельности в биосфере не может быть случайной, и универсальность обнаруженных связей, охватывающих как молекулярные группы, так и целые организмы и даже огромные популяции, свидетельствуют о том, что ответственным за эти связи может быть магнитное поле Земли, хотя, быть может, и опосредованно через другие физические факторы (изменение степени ионизации атмосферы, температуры и пр.). Так, было обнаружено, что в помещениях, экранированных от ГМП железными клетками, изменяется скорость роста некоторых растений и прорастания семян, образуются новые формы микроорганизмов, нарушается пространственная ориентация насекомых. Например, термиты спят, ориентировав свое тело поперек силовых линий магнитного поля. Отсутствие ГМП влияет и на высших животных, у которых длительное пребывание в условиях экранирования приводит к необратимым изменениям в организме.
Еще в глубокой древности врачи пытались использовать магниты в терапевтических целях. Во многих документах средних веков описаны случаи остановки кровотечений, удаления ядов из организма, лечения нервных заболеваний с помощью магнитов. Интерес к магнитотерапии возобновился в лишь в середине XIX в., чему способствовало появление сильных электромагнитов. Однако в начале XX в. в связи с появлением таких активных физиотерапевтических методов, как рентгенотерапия, УВЧ, ультрафиолетовое облучение, о магнитотерапии снова забыли до недавнего времени.
Исследования последних десятилетий показали перспективность некоторых терапевтических применений магнитного поля. С 1976 г. медицинская промышленность выпускает аппарат «Полюс-1», предназначенный для магнитотерапии постоянным и низкочастотным магнитным полем. Промышленность выпускает также магнитофорные аппликаторы (греч. форос – несущий), изготовленные из смеси полимерных веществ (каучук, смолы) и намагниченных порошкообразных ферромагнитных наполнителей. Из этой смеси литьем или штамповкой получают листы необходимой формы с магнитной индукцией на поверхности (150–400)·10–4 Тл. Аппликаторы эластичны, их можно накладывать на любой участок тела и они удобны в гигиеническом отношении. Магнитофорные аппликаторы оказывают некоторое обезболивающее, противовоспалительное действие и способствуют улучшению кровообращения.
Последние годы характеризуются повышенным интересом к биологическому действию магнитного поля. Во-первых, необходимо подвести научную базу под эмпирические методы, получившие распространение в клинике. Во-вторых, много проблем в этом направлении ставит новая отрасль науки – космическая биология, поскольку длительные полеты в космосе связаны с отрывом человека от естественного ГМП, а кроме того, существуют проекты противорадиационной магнитной защиты экипажа космических кораблей, в результате чего люди в кабине корабля будут находиться длительное время в сильном магнитном поле. Лабораторные исследования, проводившиеся в разных странах с животными, и клинические наблюдения над людьми показали, что магнитобиологические эффекты в основном сводятся ж следующему.
1. Наибольшее воздействие ПМП оказывает на сосудистую систему. Происходит расширение сосудов, причем наиболее выражено в легких, печени, селезенке.
2. Увеличивается число лейкоцитов и поднимается резистентность эритроцитов.
3. Энцефалограммы показывают изменение электрической активности мозга.
4. Изменяется двигательная активность животных. У рыб при индукции не менее 150·10–4 Тл, а у птиц даже при индукции всего до 10·10–4 Тл. При индукции 4000·10–4 Тл мыши полностью прекращают движение и впадают в оцепенение.
Приведенные сведения, так же как и многие другие, не обладают систематичностью, и, очевидно, будущие исследования прольют больший свет на действие ПМП. Что касается первичных механизмов биомагнитных эффектов, то их на сегодняшний день нельзя считать выясненными, хотя на этот счет существует немало гипотез.
По мнению советских ученых Я. И. Дорфмана и А. С. Пресмана, под влиянием ПМП в живых объектах могут происходить следующие физические явления:
1. Магнитогидродинамические торможения циркуляции крови. Сущность явления в том, что в биологических жидкостях, представляющих собой растворы электролитов, при движении в ПМП возникают индукционные токи, которые по закону Ленца тормозят движение проводника. Считалось, что этот эффект лежит в основе действия японских магнитных браслетов, однако расчеты показывают, что для торможения кровотока у человека на 0,1% нужно поле не менее 2000·10–4 Тл, что гораздо больше, чем дают эти браслеты.
2. При прохождении электрических импульсов по нервным волокнам, находящимся в ПМП, на них действует сила Ампера, под влиянием которой волокно смещается и изгибается. При смещении в нем появляется ток самоиндукции, тормозящий по закону Ленца распространение импульса по волокну и тем самым искажающий форму импульса.
3. Все молекулы обладают магнитным моментом; у некоторых молекул магнитные моменты довольно значительны, что относится и к некоторым биологическим макромолекулам. В магнитном поле на них действует механический момент, ориентирующий молекулу в определенном направлении. Изменение ориентации биологически активных молекул в растворах может отражаться на кинетике биохимических реакций и на проницаемости биомембран.
Все эти механизмы действия ПМП вполне возможны, на когда качественные предположения заменяются расчетами, получается, что все эти эффекты пренебрежимо малы. Поэтому чисто физически объяснить действие ПМП на живой организм очень трудно. Существуют гипотезы об изменениях в биохимических макромолекулах в магнитном поле. Например, возможен разрыв валентных связей в парамагнитных молекулах, что может изменить направление и скорости ферментативных реакций. Кроме того, среди биологически важных соединений имеются белковые комплексы с железом (железопорфириновые комплексы дыхательных ферментов, хромопротеиды, т. е. железосодержащие белки). Возможно, что ПМП оказывает влияние на характер связи иона железа с молекулой белка, изменяя тем самым свойства комплекса. Эта гипотеза как будто подтверждается некоторыми опытами. По мнению академика С. В. Вонсовского, магнитное поле играет роль «курка», включающего определенные биологические механизмы. Например, оно может изменять структуру жидкокристаллических субстратов, к которым относятся биомембраны, что влечет за собой изменение их проницаемости и соответственно обменных процессов.
Существуют попытки объяснения биологического действия магнитного поля его влиянием на воду, входящую в состав живых организмов. Еще в 30-х годах было обнаружено, что процессы кристаллизации, растворения и осаждения некоторых веществ протекают по-иному, если растворы находятся в магнитном поле. Это явление получило практическое применение – «омагниченная» вода не создает накипи (т. е. осаждения солей кальция, магния и др.) на стенках котлов и труб и удлиняет срок их эксплуатации. Некоторые физико-химические свойства воды в магнитном поле также изменяются. Так, при индукции 1000·10–4 Тл несколько меняются поверхностное натяжение,, диэлектрическая проницаемость воды, кислотность. Следует, однако, помнить, что, когда речь идет о воздействии магнитного поля на воду, то под «водой» следует понимать жидкость, в которой, помимо молекул Н2О, присутствуют в большей или меньшей степени растворенные в ней различные вещества, и именно воздействием на эти вещества (на их растворимость, гидратацию и прочее) может оказывать влияние магнитное поле.
Широко рекламируемое иногда в печати использование «омагниченной» воды для повышения урожайности, в лечебных целях обычно не выдерживает серьезной проверки.
Сильные магниты применяют в медицине для удаления мелких ферромагнитных тел (металлические опилки и пр.) из глаз и из открытых ран, для чего промышленность выпускает магниты с наконечниками специальной формы. В последние годы широкое применение нашли магнитные зонды. Успехи, достигнутые в технологии магнитных материалов, позволили использовать для изготовления зондов такие сплавы, которые при малых габаритах имеют очень большую подъемную силу и обеспечивают практически полное удаление из желудка железных предметов. В настоящее время отечественная промышленность выпускает зонд А. В. Коробова и А. С. Белановского ЗМУ-1 (рис. 57). Головка зонда представляет собой отлитый из высокоэрцитивного сплава цилиндрический магнит с двумя усеченными конусами на концах, что позволяет резко увеличить индукцию магнитного поля в этих местах (до 250 мТл у поверхности зонда) и соответственно подъемную силу (до 120 Н). Однако предметы притягиваются к магнитам только в том случае, если они находятся от них достаточно близко, так как магнитное поле магнитов очень быстро убывает с расстоянием.
Постоянная магнитоте-рапия – лечебное использование постоянного магнитного поля. В настоящее время с лечебной целью используют устройства разных типов.
1. Магнитоэласты, изготовленные из смеси полимерного вещества с порошкообразным ферромагнитным наполнителем (имеет множество локальных магнитных полюсов). Наборы эластичных магнитов в корсете создают основу всевозможных радикулитных поясов, рис. Магнитная индукция 8-16 мТл.
2. Магниты кольцевые, пластинчатые, дисковые. Магнитная индукция 60-130 мТл.
3. Микромагниты – намагниченные иглы, шарики, клипсы (для магнитопунктуры). Магнитная индукция – 60-100 мТл.
4. Пластинчатые магниты используют в виде браслетов, носимых на запястье пациента. Магнитная индукция 20–70 мТл.
Импульсная магнито-терапия – лечебное применение импульсов магнитного поля низкой частоты. Используются импульсные магнитные поля с частотами 0,125-1000 имп/с, магнитная индукция которых не превышает 100 мТл. Действующим фактором в данном методе являются вихревые электрические поля, индуцируемые в тканях импульсным магнитным полем высокой амплитуды. За счет быстрого нарастания вектора магнитной индукции (скорость которого достигает 104 мТл/с) возникающие вихревые электрические поля вызывают круговые движения зарядов. Высокая эффективность данного метода обусловлена максимальной пороговой чувствительностью организма к импульсным магнитным полям, составляющей 0,1 Тл, в то время как для постоянных магнитных полей она равна 8 мТл, а для переменных – 3 мТл.
Применяются различные способы расположения индукторов. Например, при воздействии на конечности, их помещают внутрь блока соленоидов, рис.
Высокочастотная магнитотерапия – лечебное применение магнитной составляющей электромагнитного поля высокой частоты. Для формирования переменного магнитного ноля в данном случае используют индукторы-соленоиды. В результате явления электромагнитной индукции (как и в случае импульсного магнитного поля) в проводящих тканях образуются вихревые токи Фуко, нагревающие объект.
Оценим тепловой эффект при действии переменного магнитного поля. По закону электромагнитной индукции в контуре при изменении магнитного потока возникает ЭДС, равная E = –S(dB/dt), где S – площадь контура, В – магнитная индукция, пронизывающая поверхность (предполагается, что вектор индукции перпендикулярен поверхности). На основании закона Ома и Джоуля-Ленца q = kw 2В 2/r.
Тепловая мощность q, выделяемая в единице объема ткани под воздействием переменного магнитного поля, прямо пропорциональна квадрату магнитной индукции В, квадрату частоты и обратно пропорциональна удельному электросопротивлению р.
При высокочастотной магнитотерапии больше теплоты выделяется в тканях с меньшим удельным сопротивлением. Поэтому сильнее нагреваются ткани, богатые сосудами, например мышцы. В меньшей степени нагреваются такие ткани, как жир.
Нагревание области тела при действии высокочастотного магнитного поля осуществляется на частотах 10-15 МГц. Воздействие на биологический объект осуществляется с использованием кабельных индукторов, которые располагаются в трех положениях:
Рис. Способы наложения индуктора кабеля при различных методиках высокочастотной магнитотерапии
а) плоская продольная петля (чаще на спине);
б) плоская круглая спираль (на туловище);
в) цилиндрическая спираль (на конечностях).
В результате выделения тепла происходит равномерный локальный нагрев облучаемой ткани на 2-4 градуса на глубину 8-12 см, а также повышение температуры тела пациента на 0,3-0,9 градуса. Для этого вида магнитотерапии используется старое название – индуктотермия – наведение тепла.
В процессе высокочастотной магнитотерапии проявляется и нетепловой эффект: вихревые токи вызывают изменение характера взаимодействия собственных магнитных полей заряженных частиц в ткани, но подробно этот механизм здесь на разбирается.
В заключение следует отметить, что, хотя магнитное поле применяют в медицинской клинической практике, механизм его действия еще во многом неясен.