EA007975B1

EA007975B1 - Устройство и способ для лечения магнитными полями

Info

Publication number: EA007975B1
Application number: EA200301313A
Authority: EA
Inventors: Аксель Мунтерманн
Original assignee: Аксель Мунтерманн
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2007-02-27
Also published as: EA200301313A1; KR20040012887A; EP1390102B1; AU2009213096B2; NO20035326D0; AU2007254585B2; AU2009213096A2; CN1512902A; US7857747B2; CZ305309B6; JP2005503190A; PL364052A1; IL159026A; HRP20030994A2; DE20109058U1; WO2002096514A1; AU2009213096A1; KR100780911B1; CZ20033231A3; AU2007254585A1

Abstract

Изобретение относится к устройству для лечения магнитными полями и позволяет получить удобное для транспортировки и хранения устройство для лечения магнитными полями, которое к тому же удобно для больных и, кроме того, экономично для изготовления. Устройство содержит первое устройство для создания первого магнитного поля, второе устройство для создания второго магнитного поля и опору, в частности, коврик с верхней и нижней сторонами, причем коврик выполнен для прикладывания к частям тела больного, подлежащим лечению.

Description

Область изобретения

Изобретение относится к устройству и способу для лечения магнитными полями, в целом, и воздействию спинов и(или) магнитных моментов в подлежащей лечению ткани в частности.

Предпосылки изобретения

Способы неинвазивной терапии находят все более широкое применение в медицине. В частности, следует отметить устройства и способы лечения с помощью внешних магнитных полей, которые имеют отношение к настоящему изобретению. Даже несмотря на то, что точный механизм действия указанных способов лечения до сих пор детально не известен, их терапевтический успех подтвержден научно и общепризнан. Исследования известных результатов лечения магнитными полями можно найти, например, в Опйара01зсйе Ртах1з, 8/2000 (Ортопедическая практика), том 36, стр. 510-515, и в Ετίΐζ Ьесйпет, Е1ек1то511ти1а1юи ииО МадиеКеЮ 1йетар1е. ЛттепОипд. ЕтдеЬшззе ииО Оиа1йа1551сйегиид, 1989 (Лечение электростимуляцией и магнитными полями. Применение, результаты и подтверждение качества).

В частности, в результате исследований было установлено, что лечение больных магнитными полями в некоторых случаях приводит к существенным симптоматическим улучшениям без значимых отрицательных побочных эффектов, которые можно подтвердить. Еще одно значительное преимущество лечения магнитными полями заключается в том, что оно позволяет избежать хирургических операций, связанных с болью, рисками и расходами для больного.

Так, например, в ЕР 0661079 А1 раскрыт прибор для лечения магнитными полями, который имеет большое число генераторов магнитного поля.

Аналогичным образом, в ЕР 0392626 А2 описан прибор для лечения магнитными полями. Этот прибор содержит большое число катушек, устроенных таким образом, что магнитные поля, создаваемые этими катушками, насколько это возможно не накладываются, для обеспечения относительно однородного поля.

Оба прибора по ЕР 0661079 А1 и ЕР 0392626 А2 относятся к устройствам, с помощью которых предпринята попытка добиться успешного лечения непосредственным воздействием магнитного поля.

Далее, в ИЕ 4026173 раскрыто устройство, с помощью которого создают импульсные и модулированные магнитные поля для лечения больных. В этом случае ткань тела подвергают воздействию магнитного поля, которое создают наложением постоянного и переменного магнитных полей.

Импульсные магнитные поля обычно создают пропускания через катышку импульсного электрического тока. Следует, однако, отметить, что для создания импульсных магнитных полей с помощью катушек затрачивается большое количество энергии. Кроме того, такие поля отличаются высокой инерционностью из-за индуктивности катушек, которая противодействует изменению поля.

Лечебный эффект магнитотерапии заключается, 1п1ег айа (среди прочего - лат.), в лечении остепороза (разрежения кости) и последствий ушибов. В этом отношении представляется вероятным, что прикладываемые магнитные поля способствуют процессам переноса и(или) метаболизма, которые оказывают положительный терапевтический эффект. До сих пор считалось, что положительный терапевтический эффект обусловлен обменом энергией между полями и клеточными составляющими (протонами, ионами и т.п.). В этом случае передачу энергии объясняют поглощением энергии при возбуждении ионноциклотронных резонансов (ИЦР) в биологическом теле, и, следовательно, добиваются условий, при которых возникают ИЦР. Следовательно, принцип действия известных устройств основан на создании условий для возникновения ИЦР.

Следует, однако, отметить, что в некоторых случаях такое объяснение оказывается спорным, поскольку циклотронные резонансы обычно возникают лишь в случае свободных частиц, например, в вакууме или в случае электронов в зоне проводимости полупроводника. Кроме того, с помощью простого расчета можно показать, что орбита циклотрона существенно превышает средний диаметр человеческого тела. Это означает, что объяснение явления передачи энергии за счет циклотронного резонанса может быть спорным, особенно для твердой ткани.

Кроме того, предполагается, что действие магнитотерапии основано на происходящих в теле пьезоэлектрических процессах. Это объяснение основано на предположении, что вокруг каждого сустава тела существует электрическое поле, и в здоровом состоянии при каждом движении возникает пьезоэлектрическое напряжение, поскольку хрящи обладают пьезоэлектрическими характеристиками. В нездоровом состоянии указанные пьезоэлектрические напряжения можно имитировать с помощью внешнего электрического тока. В этом отношении см. также Сйпзйап Тйш1е, Иаз дтоЬе Висй Оет Мадие1оЕе101йетар1е, Είπζ 1997 (Большая книга о терапии магнитными полями).

В заявке АО 99/66986 этого же заявителя раскрыто еще одно устройство для лечения биологического тела магнитными полями, которое создает спиновый резонанс в теле, подлежащем лечению. Следует, однако, отметить, что устройство, описанное в заявке АО 99/66986, позволяет осуществить специфическое воспроизводимое лечение магнитными полями во всех биологических материалах независимо от наличия каких-либо ионных составляющих. Указанное устройство позволяет получить положительные терапевтические результаты благодаря созданию спиновых резонансов и последовательностей спиновых резонансов. Следует, однако, отметить, что в этом случае для передачи энергии используется, в частности, и ядерный магнитный резонанс.

- 1 007975

В других областях техники методы ядерного магнитного резонанса (т.н. методы ЯМР) известны уже давно. Они применяются, в частности, для медицинской диагностики и, в целом, для высокоточных магнитных измерений. Что касается последнего применения, то необходимо указать такой источник известности, как, например, Уйдина ΞοίοηΙίΓίο В\У101 Ρ1ονίη§ \Уа1сг ΝΜΚ. Тс51ашс1сг. Описание этого прибора можно найти на сайте \у\у\у.8т\у.сот/та8пеЦс-теа5игетеп15/У81/Б\У101.1Пт1.

Следует также отметить, что известные медицинские устройства обычно имеют громоздкие системы катушек, с помощью которых создают и изменяют магнитные поля. Однако эти катушечные системы имеют высокую индуктивность, которая обуславливает большие постоянные времени переключения и большое энергопотребление. Большое время переключения приводит также к низкой эффективности в отношении динамических процессов в теле.

Далее, катушечные системы обычно имеют отверстия, в которые можно было поместить части тела, например руки или ноги. Как следствие, известные устройства имеют относительно большие размеры и их недостатком является то, что их сложно хранить и транспортировать. Кроме того, в некоторых случаях они неудобны для больного. Далее, наиболее известные устройства потребляют большое количество энергии, которая требуется для создания катушечными системами сильных магнитных полей.

Кроме того, имеется еще целый ряд неразрешенных вопросов относительно физикофизиологического действия этих устройств, а также процессов, которые они инициируют в теле. Ранее, без какого-либо четкого представления о том, как они действуют, оптимальную конструкцию или оптимальные параметры их работы можно было определить лишь с большим трудом.

Таким образом, одной из задач настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства и усовершенствованного способа для лечения магнитными полями.

Еще одной из задач настоящего изобретения является получение устройства и способа, с помощью которых электромагнитные процессы, возникающие при движении тела, в частности, естественное поведение магнитных моментов в теле при перемещении в магнитном поле Земли, можно искусственно моделировать или имитировать.

Еще одной из задач настоящего изобретения является получение устройства и способа, которые обеспечивают малые постоянные времени переключения и потребляют мало энергии.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является получение устройства для лечения магнитными полями, которое можно легко перевозить и хранить, которое удобно для пациента и, в частности, изготовление которого не требует больших затрат.

Решение задач настоящего изобретения обеспечивается поразительно просто - всего лишь благодаря объекту, заявленному в пунктах 1, 16 и 37 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения.

Изобретение основано на совершенно неожиданно обнаруженном явлении, которое заключается в том, что положительные терапевтические эффекты от лечения магнитными полями могут быть обусловлены имитацией движения, которая создается с помощью сигналов спинового резонанса.

Магнитные моменты, например электронные и ядерные спиновые моменты, в теле человека, животного или ином биологическом теле можно точно выстроить по отношению к магнитному полю Земли и тем самым создать макроскопическую намагниченность. Любое движение тела вызывает небольшое изменение направления этой намагниченности. При условии, что направление этой намагниченности не параллельно направлению магнитного поля Земли, намагничивание прецессирует в магнитном поле Земли с частотой примерно 2000 Гц и наводит в окружающей среде переменное напряжение той же частоты. Это наведенное напряжение, значение которого составляет милливольты, можно измерить с помощью внешней катушки. Следует, однако, отметить, что из-за коротких расстояний напряжение, наводимое в теле, значительно выше. Нервная система человека фиксирует это напряжение и, таким образом, идентифицирует движение. Затем активизируется обмен веществ (метаболизм), поскольку для работы мышц требуется энергия.

Недомогание, слабость; истощение приводят к ограничению двигательной активности больного и обмена веществ. Предлагаемые устройство и способ обеспечивают заданное вращение спинов и заданный вектор макроскопической намагниченности тканей, создаваемый спинами. Что касается спиновых резонансов, вызываемых в теле естественным путем магнитным полем Земли, организм заставляют поверить, что произошло движение, которого на самом деле не было. С этой целью предлагаемое устройство создает соответствующие магнитные поля, которые изменяют выстраивание спинов и(или) намагниченность таким образом, что имитируется движение части тела, помещенной в зону лечения. В этом контексте настоящее изобретение можно применять, ш1ег айа, для успешного лечения остепороза.

Первый вариант осуществления настоящего изобретения отличается тем, что предлагаемое устройство для лечения магнитными полями содержит первое и второе устройства для создания первого и второго магнитных полей соответственно и подставку, в частности, коврик для подлежащих лечению частей тела больного или для всего тела, на котором части тела или все тело будут находиться и(или) на которые они будут опираться. В этом случае подставка, например коврик, имеет верхнюю и нижнюю стороны, между которыми предпочтительно размещены первое и второе устройства для создания первого и

- 2 007975 второго магнитных полей соответственно. Такое решение позволяет получить очень компактную, в частности, очень плоскую конфигурацию.

В дополнение к коврику, в котором помещены устройства для создания первого и второго магнитных полей, в качестве подставки можно использовать также процедурный стол, или кушетку, или процедурный табурет. Кроме того, возможны системы, которые можно накладывать на больного или ткань. Например, подставка может содержать приспособление с несколькими крыльями, которые могут быть расположены вокруг части тела, в частности, головы больного или прислонены к голове больного. Это устройство может, например, содержать два или более крыльев, размеры которых таковы, что их можно расположить на обоих ушах или вокруг челюсти больного. В частности, при такой форме подставки первое и второе устройства для создания первого и второго магнитных полей соответственно можно встроить в два или более крыла или во все крылья.

Далее, подставка может быть выполнена также в форме лап, которые можно размещать вокруг, например, ног или рук.

В некоторых случаях подходящей может оказаться подставка с покрывалом. При лечении животных, например, т!ег айа, лошадей, покрывало можно набросить на животное.

Из приведенных выше примеров ясно, что для формы и устройства подставки нет никаких ограничений, и их можно соответствующим образом подбирать для конкретного случая применения.

Ядра атомов в ткани больного определяют частоту спинового резонанса или имеют эту частоту в магнитных полях. В этом случае частота резонанса связана с величиной магнитной индукции. Например, к атомам водорода применимо следующее уравнение:

Р (кГц) = 4,225 х В (Гс), где Р - частота ядерного магнитного резонанса в килогерцах, и В - магнитная индукция в гауссах. Например, для магнитного поля с магнитной индукцией 4 Гс частота ядерного магнитного резонанса равна 16,9 кГц.

В предпочтительном варианте осуществления второе устройство предназначено для создания переменного магнитного поля. В этом случае устройства для создания первого и второго магнитных полей в совокупности образуют классическое устройство для ядерного магнитного резонанса. Здесь второе магнитное поле предпочтительно осциллирует с частотой спинового резонанса, которая определяется, главным образом, природой частиц, элементов или химических соединений в теле и напряженностью первого магнитного поля. Создаваемый спиновый резонанс предпочтительно имеет частоту в пределах между 1 кГц и 1 МГц, особенно предпочтительно между 2 и 200 кГц и в наиболее предпочтительном варианте осуществления равна примерно 100 кГц.

Наиболее предпочтительным является один из вариантов осуществления, в котором первое и второе устройства размещены в плоскости, параллельной коврику. В этом случае первое и(или) второе устройства можно предпочтительно полностью встроить в коврик между его верхней и нижней поверхностями. Это позволяет получить особенно простой и практичный вариант осуществления, при котором больной, проходящий лечение, может просто лежать на коврике. Кроме того, размещение в одной плоскости обеспечивает плоскую геометрию, при которой в зоне лечения могут, тем не менее, создаваться взаимно ортогональные магнитные поля.

Устройство можно особенно легко хранить и переносить, если в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления коврик можно разделить на две или более частей и сложить один или несколько раз. В этом случае предпочтительно, чтобы первое и второе устройства были встроены в одну и ту же часть коврика. В предпочтительном варианте осуществления коврик имеет толщину примерно 3-10 см, ширину 70 см и длину 210 см так, что если его сложить, например, втрое, он будет иметь размеры 9-30 х 70 х 70 см.

Второе устройство предпочтительно содержит тороидальную катушку, в плоскости которой проходят обмотки, и ось катушки, которая проходит под прямым углом к плоскости катушки. Специалисту ясно, что магнитное поле в направлении оси катушки создается, в основном, в центре катушки. В осевом направлении катушка или второе устройство имеют размеры менее 50 см, предпочтительно менее 20 см, особенно предпочтительно менее 10 см и наиболее предпочтительнее примерно 2-6 см. Катушка или второе устройство имеет круглую, овальную или удлиненную форму с закругленными краями в плоскости катушки. В частности, размер катушки в осевом направлении предпочтительно меньше ее размера в плане как минимум в два раза и особенно предпочтительно как минимум в пять раз. Такая форма катушки позволяет, в частности, полностью разместить ее в плоском коврике и одновременно обеспечивает создание высокоэффективного магнитного поля, что обычно невозможно для устройств с крупными катушками.

Первое устройство предпочтительно содержит по крайней мере одну, две, три или особенно предпочтительно четыре катушки, причем каждую из трех катушек предпочтительно выполняют в комбинации с постоянным магнитом, изготовленным, например, из ферритового материала. Такое решение обеспечивает создание сильного постоянного основного магнитного поля в ферритовом материале с дополнительным создаваемым катушками магнитным полем, изменяющимся во времени и накладывающимся на основное поле.

- 3 007975

Таким образом, появляется возможность работать с относительно маленькими катушками и низким потреблением энергии и в то же время с эффективным магнитным полем.

В одном предпочтительном варианте осуществления первое и второе устройства для создания первого и второго магнитных полей соответственно размещают в плоскости, проходящей параллельно плоскости поверхности коврика и плоскости катушки второго устройства. Если первое устройство имеет две или более катушек и(или) постоянные магниты, второе устройство предпочтительно размещают по центру между ними.

В частности, поле для лечения имеет по крайней мере одно наложение первого и второго магнитных полей. В зоне лечения над поверхностью коврика, в частности, где находится больной, магнитные силовые линии, создаваемые первым устройством, проходят, в основном, параллельно поверхности коврика или, по крайней мере, под острым углом к ней от 0 до 30° или от 0 до 45° и(или) под прямым или, по крайней мере, тупым углом от 45 или 60° до 120 или 135° к магнитным силовым линиям второго устройства. Второе магнитное поле предпочтительно проходит под углом от 30-150°, особенно предпочтительно под углом 60-120° и наиболее предпочтительно практически под прямым углом к поверхности коврика.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения область лечения можно так менять во времени, чтобы выстраивание спинов или макроскопической намагниченности, создаваемой ими, можно было изменять путем изменения области лечения во времени с таким расчетом, чтобы имитировалось движение части тела, помещенной в зону лечения, в магнитном поле Земли.

В первом магнитном поле предпочтительно происходит практически параллельное наложение или параллельное наложение в других направлениях предпочтительно постоянного третьего магнитного поля, которое предпочтительно создают постоянными магнитами или ферритами, и четвертого магнитного поля, которое предпочтительно изменяют во времени и предпочтительно создают дополнительными катушками, связанными с постоянными магнитами. В этом случае индукция третьего магнитного поля предпочтительно равна 0,5-500 Гс, предпочтительно, 10-50 Гс и особенно предпочтительно 23-24 Гс. Четвертое магнитное поле, которое может называться и полем модуляции, осциллирует периодически и предпочтительно регулярно в пределах предпочтительно между -10 и +10 Гс, предпочтительно между -1 и +1 Гс и особенно предпочтительно между -0,5 и +0,5 Гс, причем последний диапазон приблизительно соответствует напряженности магнитного поля Земли. Специалисту очевидно, что третье магнитное поле представляет собой постоянное основное поле, а четвертое магнитное поле - амплитудную модуляцию третьего магнитного поля.

График осциллирования четвертого магнитного поля предпочтительно имеет треугольную или пилообразную форму волн, симметричную относительно 0 Гс, т.е. первое магнитное поле осциллирует относительно величины третьего или постоянного основного поля. Как следствие, первое магнитное поле предпочтительно является амплитудно-модулированным с треугольной формой волн. Математическое условие резонанса в этом случае точно выполняется в точке, в которой четвертое магнитное поле исчезает. Напряженность третьего магнитного поля в этом случае, по крайней мере, в 4, 10 или 20 раз превышает максимальную напряженность четвертого магнитного поля.

Если теперь второе магнитное поле как переменное поле с частотой, соответствующей частоте спинового резонанса частиц в ткани в третьем магнитном поле, ввести практически под прямым углом в третье магнитное поле, то это соответствует устройству для создания так называемого быстрого адиабатического процесса.

Второе или переменное магнитное поле предпочтительно имеет разные напряженности в моменты времени, соответствующие фазам нарастания и спадания волн первого магнитного поля. Второе магнитное поле особенно предпочтительно вводить в момент, соответствующий фазе спадания первого магнитного поля, и наоборот отключать во время прохождения фазы нарастания. Как следствие, в течение времени включения второго магнитного поля спины или макроскопическая намагниченность отклоняется адиабатически в сторону от направления основного магнитного поля и снова претерпевают релаксацию в течение времени выключения второго магнитного поля.

Следовательно, частоту четвертого магнитного поля или амплитудной модуляции первого магнитного поля предпочтительно привести в соответствие со временем релаксации спиновой решетки частиц в ткани. Это приведет к тому, что предпочтительная продолжительность периода модуляции первого магнитного поля будет равна 1 мс - 10 с, предпочтительно 10 мс - 1 с и особенно предпочтительно примерно 200 мс.

Как альтернатива устройству для быстрого адиабатического процесса, второе или переменное магнитное поле может быть наложено коротким импульсом, например, так называемым импульсом 90° или импульсом 180°.

Более подробно изобретение будет объяснено в приведенном ниже описании на примерах предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на приложенные чертежи.

Краткое описание графического материала

На приложенных фигурах:

Фиг. 1а представляет первый вариант осуществления настоящего изобретения с размерами в мм.

- 4 007975

Фиг. 1Ь представляет разрез фиг. 1а по линии А-А с размерами в мм.

Фиг. 2 представляет график изменения во времени магнитного поля В(1) и результирующей макроскопической намагниченности М(1).

Фиг. 3 иллюстрирует выстраивание макроскопической намагниченности М в постоянном магнитном поле В₀.

Фиг. 4 представляет график изменения во времени магнитного поля В(1) и составляющих результирующей намагниченности Μ_ζ(ΐ) и М_ху(1) при наложении импульса 90°.

Фиг. 5 представляет осциллограмму сигнала ядерного магнитного резонанса с фазочувствительным детектированием с использованием источника опорного напряжения частотой 100 кГц.

Фиг. 6 показывает временной график сигнала ядерного магнитного резонанса при В₀ = 23,4 Гс. Фиг. 7 показывает временной график сигнала ядерного магнитного резонанса при В₀ = 23,2 Гс. Фиг. 8 показывает временной график сигнала ядерного магнитного резонанса при В₀ = 23,8 Гс. Фиг. 9 представляет график зависимости магнитной индукции от частоты.

Фиг. 10а представляет схематическую иллюстрацию пространственного выстраивания магнитных полей для быстрого адиабатического процесса в момент времени Т₀.

Фиг. 10Ь - то же, что фиг. 10а, но для момента времени Т₁ вместо Т₀.

Фиг. 10с - то же, что фиг. 10а, но для момента времени Т₂ вместо Т₀.

Фиг. 11 представляет схематическое представление изменения первого и второго магнитного полей во времени.

Фиг. 12 представляет блок-схему предлагаемого устройства с управляющей электроникой.

Фиг. 13а представляет второй вариант осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13Ь представляет разрез фиг. 13а по линии А-А.

Фиг. 14 представляет блок-схему цепи для управления катушкой во втором варианте осуществления.

Подробное описание изобретения

Ядерный магнитный резонанс позволяет изменять направление намагниченности в теле, находящемся без движения, поскольку наведенное напряжение ядерного магнитного резонанса имитирует процесс собственного движения тела. Таким образом, предлагаемые устройство и способ можно использовать в терапии для имитации или ускорения обмена веществ.

На фиг. 1а и 1Ь показан первый вариант осуществления настоящего изобретения. Размеры на этих фигурах приведены только для примера. Устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит коврик 10, разделенный на три части, который можно складывать. Показана только центральная часть 12, проходящая в плоскости чертежа. Второе устройство расположено под прямым углом к плоскости чертежа, выполнено в виде плоской тороидальной катушки 14 и заделано в часть 12 коврика 10 для создания второго магнитного поля в подушке 16 из мягкого материала, например из пенного материала. Тороидальная или передающая катушка 14 проходит в плоскости чертежа с шириной приблизительно В = 350 мм и высотой приблизительно Н = 550 мм с головными концами 14а, 14Ь полукруглой формы каждый. Толщина катушки в направлении под прямым углом к плоскости чертежа равна приблизительно Ь = 52 мм. Сечение катушки имеет толщину Ь и ширину сечения приблизительно ОВ = 75 мм. Толщина коврика равна приблизительно И = 132мм, а тороидальная катушка расположена по центру коврика таким образом, что подушка 16, которая также имеет толщину около 40 мм, находится между верхней и нижней поверхностями коврика. Слева и справа от катушки размещено по два устройства 22, 24, 26, 28 для создания первого магнитного поля. Эти устройства содержат постоянные магниты 32, 34, 36, 38 и вспомогательные катушки 42, 44, 46, 48, которые охватывают постоянные магниты в плоскости коврика. Каждое из устройств 22, 24, 26, 28 имеет высоту приблизительно 200 мм, ширину приблизительно 100 мм и толщину Ь в направлении под прямым углом к плоскости чертежа приблизительно 52 мм. Каждое из устройств 22, 24, 26, 28 размещены в одной плоскости с тороидальной катушкой 14 на расстоянии приблизительно на 50 мм от нее, при этом устройства 22 и 24, а также 26 и 28 попарно прилегают друг к другу в вертикальной плоскости чертежа.

Импульсный метод с сигналом ядерного магнитного резонанса 90°.

Как уже отмечалось, в первом варианте осуществления настоящего изобретения используется импульсный способ, подробно описанный ниже.

Молекулы и комплексы макромолекул нашего тела преимущественно содержат атомы водорода, например, в воде (Н₂О) или в органических молекулах (например, СН₂ или СН₃). Ядрами или ионами водорода являются протоны. Протоны имеют магнитный момент и спин (если отличный от нуля), которые связаны между собой гиромагнитным отношением γ. Для протонов γ = 2,67522-10⁹ Т^-1с^-1. Устойчивое магнитное поле В₀, например магнитное поле Земли, создает макроскопическую намагниченность М(1), экспоненциальную во времени с постоянной времени Τι:

М(1) = М0(1-е^-4/Т·), где

М0 = /В .

- 5 007975 где Τι - время релаксации спиновой решетки и М₀ - асимптотическое значение намагниченности. Временной график намагниченности Μ(ί), которая создается импульсным наложением магнитного поля В₀, значение которого после скачкообразного нарастания остается неизменным, показан на фиг. 2. Для протонов или водорода в ткани человека

Т!=10-10^-3с

Величину спинового эха предпочтительно измеряют до лечения для того, чтобы определить время релаксации спиновой решетки.

Вектор макроскопической намагниченности М асимптотически выстроен параллельно вектору прикладываемого магнитного поля В₀, как показано на фиг. 3. На фиг. 3 показана также прямоугольная система координат ΧΥΖ, которая используется для ориентации при последующем анализе.

Микроскопически и согласно теории квантовой механики все спины протонов совершают прецессионное движение относительно В₀ с частотой £₀. Эту частоту называют ларморовой частотой или частотой Лармора. Ларморову частоту определяют по формуле:

£₀ = ω₀/2π.

В магнитном поле Земли, т.е. при В₀ = 0,5 Гс = 5· 10^-5 Т, £₀ = уВ₀/2п = (2,67522· 10⁹·5·10^-5)/2π = 2128,872 Гц.

Таким образом, в магнитном поле Земли ларморова частота для протонов равна приблизительно 2 кГц. Кроме того, ларморова частота очень незначительно зависит от химических связей.

На фиг. 5 приведена осциллограмма, полученная при экспериментальном измерении ларморовой частоты путем измерения спинового эха с использованием 500 мл воды при частоте 100 кГц и спектрометра 23,5 Гс. Подают импульсы 90 и 180° и детектируют спиновое эхо. На фиг. 6-8 показаны спиновые эхо для первого магнитного поля при В₀ = 23,2 Гс (фиг. 7), В₀ = 23,4 Гс (фиг. 6) и В₀ = 23,8 Гс (фиг. 8) в увеличенном масштабе времени. Первое магнитное поле В создается параллельным наложением постоянного магнитного поля В0 от четырех постоянных магнитов, выполненных в виде ферритовых магнитов 32, 34, 36, 38, и переменного во времени магнитного поля ЛВ₀, создаваемого четырьмя вспомогательными катушками 42, 44, 46, 48.

На фиг. 9 показаны три точки измерения в соответствии с фиг. 6-8 в виде графика зависимости между магнитным полем в гауссах и относительной частотой в герцах. Прямая линия - это линейная интерполяция через точки измерения. Относительная частота - это отклонение частоты от резонансной частоты £₀, значение которой определяется основным полем В₀ = 23,5 Гс.

Предлагаемое устройство содержит плоскую или передающую катушку 14, предназначенную для создания второго магнитного поля в виде переменного магнитного поля В! с частотой £₀ примерно 100 кГц. Эта частота приблизительно соответствует ларморовой частоте протонов при средней величине магнитного поля В₀ = 23,5 Гс.

С этой целью передающую катушку предпочтительно соединяют очень простым способом с конденсатором для формирования резонансного контура. Резонансная частота резонансного контура £_ъс£ьс=1/2пДЬ0, где Ь - индуктивность передающей катушки 14, а С - емкость конденсатора.

При расположении участков тела больного или биологических тканей в первом магнитном поле с начальной индукцией В₀ = 23,5 Гс, макроскопическая намагниченность М ткани - это векторная сумма ядерных спинов, параллельных В0, если вектор В0 в этом варианте осуществления параллелен оси Ζ (см. фиг. 3).

Для того чтобы отклонить вектор намагниченности М от направления вектора В0, используют метод ядерного магнитного резонанса. Ядерный магнитный резонанс изменяет направление намагниченности, даже если тело неподвижно. Наведенное напряжение создает эффект, имитирующий движение тела. После этого ядерный магнитный резонанс можно использовать для лечения путем стимулирования обмена веществ.

Для отклонения направления намагниченности на 90° используют так называемый радиочастотный импульс 90°. Временной график магнитного поля и составляющих магнитного поля Μ_ζ (ΐ) и М_ху(1) схематически показан на фиг. 4. Передающая катушка, ось которой проходит параллельно оси Χ, создает вращающее радиочастотное поле В1 или поле, которое линейно осциллирует в направлении Χ. Макроскопическая намагниченность М вращается с частотой Г относительно оси Х со стороны положительного направления Ζ в сторону плоскости Χ-Υ. В этом случае £ι = ωι/2π, где ω = γΒ1.

Угол α, на который отклоняется М, равен α = ωιΐ.

Для отклонения на 90°, т.е. α = π/2, расчетная длительность импульса 90° равна ΐ₉₀

Ϊ90 = (π/2) (1/γΒ1).

- 6 007975

После наложения импульса 90° макроскопическая намагниченность М имеет направление Υ. Она вращается с частотой ω₀ относительно оси Ζ и наводит напряжение в радиочастотной катушке, которое можно измерить как сигнал ядерного магнитного резонанса. Этот сигнал экспоненциально затухает с постоянной времени Т₂* и М_ху = М₀ е^_4/Т2*.

Для однородного магнитного поля В: Т₂* = Т₂, где Т₂ - время спин-спиновой релаксации. Для менее однородного магнитного поля В: Т₂* < Т₂. Для жидкостей: Τι = Т₂.

Типичные значения Т₂:

водопроводная вода: Т₂ = 3 с; дистиллированная вода: Т₂ = 30 с - 3 мин; ткань человеческого тела: Т₂ = 10 мс - 1 с; ткань руки: Т₂ = 100 мс - 1 с.

Быстрый адиабатический процесс ядерного магнитного резонанса

Альтернативно, удельное вращение намагниченности достигается быстрым адиабатическим процессом, описание которого приводится ниже со ссылками на фиг. 10а-10с. Оно достигается за счет изменения первого магнитного поля В или изменения частоты переменного поля В_ь при которых намагниченность М может отклоняться от 0 до 180° относительно оси Ζ.

В системе координат (X', Υ', Ζ), которая вращается с частотой ω₀ относительно оси Ζ, определены следующие магнитные поля:

^ЛВ0 = ^{В -} Щ где В0 = ω0/γ; В1 и В_к.

В этом случае Βι - это переменное или радиочастотное поле, создаваемое передающей катушкой 14, которое в момент времени 1 = ί₀ проходит параллельно оси X' в системе координат X', Υ', Ζ. В_к - это магнитное или лечебное поле, являющееся результатом наложения полей В и В1.

На фиг. 10а показано выстраивание векторов магнитного поля в пространстве в момент времени ίο. На этой фигуре показан вектор четвертого магнитного поля ЛВ₀, создаваемого вспомогательными катушками 42, 44, 46, 48 и проходящего параллельно оси Ζ. В этом случае вектор ЛВ₀ является положительным или отрицательным избытком магнитного поля В выше или ниже резонансного третьего магнитного поля В₀ соответственно, создаваемого ферритовыми магнитами 32, 34, 36, 38, направлен в положительном направлении Ζ и на фиг. 10а-10с не показан.

Если вначале действует только магнитное поле В(1) = В₀, то макроскопическая намагниченность ткани выстраивается в направлении оси Ζ, и отдельные спины прецессируют с угловой частотой ω0 относительно оси Ζ. Это означает, что спины вначале неподвижны относительно вращающейся системы координат X', Υ', Ζ.

Третье магнитное поле В и переменное поле В₁, которые, накладываясь, создают результирующее магнитное поле В_к, теперь усилились до момента времени ί = ί₀. Вектор переменного поля В₁(1₀) обращен в направлении оси X'.

Переменное поле В! осциллирует линейно с частотой ω₀ по существу под прямым углом к оси Ζ. Альтернативно, поле В1 может также вращаться с частотой ω₀ относительно оси Ζ. Это эквивалентно проекции на плоскость X' - Ζ. Поскольку и ядерные спины вращаются относительно оси Ζ с той же с частотой ω₀, они всегда синфазны с переменным полем В₁.

Исходя из классической интерпретации, на намагниченность М или спины в этом устройстве всегда действует результирующая сила Е, причем эта сила Е вращает намагниченность М или спины в плоскости X' - Ζ в сторону от оси Ζ. При этом вращении спины по существу прецессируют по фазе. За счет этого вращения четвертое магнитное поле или поле модуляции ЛВ0 уменьшается до нуля и затем снова непрерывно увеличивается в отрицательном направлении оси Ζ, и, таким образом, следует за изменением направления намагниченности. Это позволяет вращать намагниченность в отрицательном направлении оси Ζ, т.е. отклонять вектор намагниченности ядер на 180°.

На фиг. 10Ь показано выстраивание намагниченности М и разных магнитных полей в момент времени ίι, который наступает позже момента времени ίο. Вектор намагниченности М уже в значительной степени отклонен от оси Ζ.

Точно также на фиг. 10с показан момент времени ί₂, который наступает еще позже, чем ί₁.

Для того, чтобы добиться максимального желательного эффекта имитации движения направление намагниченности М необходимо отклонять как можно чаще. С этой целью вспомогательную катушку, которая создает магнитное поле ЛВ0, перемещают по траектории треугольной, пилообразной или синусоидальной формы между ЛВ₀ ^тах и -ЛВ0^тах, т.е. симметрично относительно нуля. В верхней части фиг. 11 схематически показана наиболее предпочтительная модуляция с треугольной формой волны первого магнитного поля В(1). Показаны также моменты времени ί0, ί₁ и ί₂ с фиг. 10а-10с. Во время спадания магнитного поля В(1) включаются передающая катушка и переменное поле В₁, чтобы отклонить направление намагниченности от положительной оси Ζ, а когда поле нарастает, передающая катушка отключается. Как следствие, в этом приведенном для примера варианте осуществления переменное поле В₂(1) является

- 7 007975 амплитудно-модулированным с прямоугольной формой волны. В пределах объема настоящего изобретения возможны, однако, и другие формы модуляции для первого и(или) второго магнитного поля, например синусоидальная амплитудная модуляция. Блоки 50, показанные внизу фиг. 11, схематически представляют время включения переменного поля В₁. Во время отключения переменного поля В₁ происходит релаксация спинов, и намагниченность снова уменьшается. Таким образом, период модуляции первого и второго магнитного поля приводится в соответствие со временем релаксации спиновой решетки ткани или, по крайней мере, соответствует порядку его величины. Период изменения во времени первого магнитного поля предпочтительно равен 0,1-10-кратному, в частности, 3-5-кратному времени релаксации спиновой решетки.

Для того чтобы обеспечить более быстрое вращение, можно предусмотреть более быстрый спад поля модуляции АВ₀, чем скорость его нарастания, и этот вариант тоже входит в пределы объема настоящего изобретения.

Адиабатический процесс показан выше на примере модуляции первого магнитного поля В(1). Процесс можно аналогично осуществить и постоянным первым магнитным полем В = В₀ и соответствующим изменением частоты (так называемым качанием частоты) переменного поля В₁.

Кроме того, приемная катушка, ось которой параллельна оси Υ, обнаруживает наведенный сигнал ядерного магнитного резонанса и чувствительна к его фазе. Интеграл этого сигнала во времени пропорционален общему эффекту ядерного магнитного резонанса и, таким образом, максимизирован.

Одно из преимуществ адиабатического процесса заключается в том, что первое магнитное поле В может иметь неоднородность приблизительно до 10%. Это означает, что в данном контексте этот способ на несколько порядков величины менее чувствителен, чем известные способы, например, метод спинового эха. Кроме того, предлагаемые устройство и способ нечувствительны к углу между первым и вторым магнитными полями.

На фиг. 12 показан схематичный пример выполнения предлагаемого устройства. Оно содержит усилители 52 и 54, предназначенные для возбуждения передающей катушки 14 и вспомогательных катушек 42, 44, 46, 48. Управляющее устройство или логическая схема управления 56 связана с передающей катушкой 14 и вспомогательными катушками 42, 44, 46, 48, а также с двумя усилителями 52 и 54 и управляет модуляцией первого и второго магнитных полей.

На фиг. 13а и 13Ь показан второй вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг. 13 а представлен общий вид второго варианта осуществления, а на фиг. 13Ь показан разрез фиг. 13а по линии А-А. Коврик 10 имеет плоскую тороидальную катушку 15, во внутренней части 151 которой имеются еще две плоские тороидальные катушки 17 и 19. Точно таким же образом, как и вариант осуществления, описанный со ссылками на фиг. 1а и 1Ь, этот вариант осуществления также пригоден, например, для импульсного метода с сигналом ядерного магнитного резонанса 90° и быстрого адиабатического процесса ядерного магнитного резонанса.

Тороидальная катушка 15 создает квазистатическое магнитное поле В(1) = В₀ + АВ₀(1). Для обеспечения широкого диапазона лечения величина АВ₀(1) предпочтительно в два раза меньше В₀.

Плоские тороидальные катушки 17 и 19 включены противоположно, т.е. к одной стороне коврика 10 обращены северный полюс одной катушки и южный полюс другой. Таким образом эти катушки создают магнитное поле В1, которое в зонах 21 и 23 выше и ниже коврика 10, соответственно, направлено под прямым углом к магнитному полю В, создаваемому тороидальной катушкой 15. Когда больной лежит на коврике, ткань его тела находится в пределах зоны 21. Таким образом, зона 21 является зоной лечения для подлежащей лечению ткани.

Временным графиком магнитного поля В(1) и магнитного поля В1 в этом случае управляют, как это описано со ссылками на другие варианты осуществления.

В отличие от первого варианта осуществления настоящего изобретения, магнитное поле В в зоне лечения проходит приблизительно под прямым углом к поверхности коврика или под прямым углом к магнитному полю В(1), создаваемому катушками 22, 24, 26, 28. Далее, для второго варианта осуществления постоянные магниты не требуются. Постоянную составляющую В0 магнитного поля можно фактически получить с помощью тороидальной катушки 15 таким же образом, как и магнитное поле АВ₀, изменяющееся во времени.

На фиг. 14 в виде блок-схемы показано устройство управления катушками 15, 17 и 19 для создания квазистатического магнитного поля В(1), а также переменного поля В₄(1) с временным графиком, показанным, например, на фиг. 11. Подобно схеме управления, приведенной на фиг. 12, данное устройство управления имеет логическую схему 56. Логическая схема 56 подключена к усилителю 58, предназначенному для возбуждения тороидальных катушек 17 и 19, создающих переменное поле В₁. В этом случае усилитель 58 создает ток постоянной величины для варианта осуществления без использования постоянных магнитов, который, в свою очередь, создает постоянное магнитное поле В0 в катушке 15, и, кроме того, ток, подаваемый в нее, изменяется во времени и создает переменную составляющую АВ₀ магнитного поля.

- 8 007975

Таким образом, исходя из вышеизложенного, предлагается устройство для терапии магнитными полями и способ терапии магнитными полями, в которых для стимуляции обмена веществ используется сигнал ядерного магнитного резонанса как датчика движения. В данном случае сигнал имитирует движение части тела. Одним из преимущественных признаков в этом случае является то, что предлагаемая терапия с использованием ядерного магнитного резонанса по всей вероятности не оказывает отрицательных воздействий на организм.

Предлагаемое устройство для терапии с использованием ядерного магнитного резонанса позволяет быстро отклоняться вектор намагниченности и потребляет мало энергии. Вращение происходит, в частности, за время от 1 мкс до 30 с.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для лечения магнитными полями, содержащее первое средство для создания первого магнитного поля, второе средство для создания второго магнитного поля, при этом первое и второе средства обеспечивают возможность создания ядерного магнитного резонанса, а также плоскую подставку или коврик, приводимые в контакт с участком тела пациента, подлежащим лечению, отличающееся тем, что первое и второе средства расположены в плоскости внутри подставки или коврика.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второе средство обеспечивает создание переменного поля.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в зоне лечения над верхней поверхностью подставки или коврика вектор магнитной индукции первого магнитного поля направлен под острым углом, а вектор магнитной индукции второго магнитного поля направлен под тупым углом к верхней поверхности.
4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что второе магнитное поле осциллирует, по меньшей мере, время от времени, с частотой, соответствующей частоте спинового резонанса ткани части тела пациента в первом магнитном поле.
5. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что второе средство содержит катушку.
6. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что второе средство содержит тороидальную катушку, ось которой проходит практически под прямым углом к поверхности подставки или коврика.
7. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первое средство содержит две или четыре катушки, между которыми расположено второе средство.
8. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что подставка или коврик содержат наполнение, в которое встроены первое и/или второе средства.
9. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что подставка или коврик содержат мягкую оболочку с отверстием, которое можно закрывать, предназначенное для того, чтобы размещать в нем и/или извлекать из него первое и/или второе средства.
10. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что подставка или коврик разделены на две, три или большее число частей таким образом, что подставку или коврик можно складывать между этими частями.
11. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первое средство создает переменное во времени магнитное поле.
12. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первое средство содержит по меньшей мере один постоянный магнит и по меньшей мере одну катушку.
13. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что модуль и/или направление вектора напряженности первого магнитного поля изменяют.
14. Устройство по одному из пп.1-13, отличающееся тем, что подставка представляет собой процедурный стол, кушетку или процедурный табурет, снабженные крыльями, и/или лапами, и/или покрывалом, которые можно расположить вокруг части тела, в частности, головы больного.
15. Система для терапевтического лечения магнитными полями по меньшей мере одной части тела пациента, содержащая устройство по любому из пп.1-14 и устройство управления первым и/или вторым средствами, создающими первое и второе магнитные поля, таким образом, чтобы имитировать перемещение части тела, находящейся в зоне лечения, в магнитном поле Земли.
16. Система по п.15, отличающаяся тем, что выстраивание макроскопической намагниченности, которая создается спинами, осуществляют путем изменения первого и второго магнитных полей во времени.

- 9 007975
17. Система по п.15 или 16, отличающаяся тем, что устройство управления обеспечивает возможность адиабатического изменения направления намагниченности ткани.
18. Система по одному из пп.15-17, отличающаяся тем, что вектор индукции второго магнитного поля направлен под прямым углом к вектору индукции первого магнитного поля.
19. Система по одному из пп.15-18, отличающаяся тем, что второе магнитное поле переменное.
20. Система по одному из пп.15-19, отличающаяся тем, что первое магнитное поле имеет в зоне лечения индукцию 0,5-500 Гс, в частности, 10-50 Гс и, в частности, в пределах 23-24 Гс.
21. Система по одному из пп.15-20, отличающаяся тем, что второе магнитное поле имеет в зоне лечения частоту 1 кГц-1 МГц, в частности, 2 кГц-200 кГц и, в частности, приблизительно 100 кГц.
22. Система по одному из пп.15-21, отличающаяся тем, что второе магнитное поле является амплитудно-модулированным.
23. Система по одному из пп.15-22, содержащая средство для изменения модуля и/или направления вектора напряженности первого магнитного поля во времени.
24. Система по одному из пп.15-23, отличающаяся тем, что первое магнитное поле является амплитудно-модулированным и, в частности, длительность периода амплитудной модуляции соответствует времени релаксации спиновой решетки ткани, подлежащей лечению.
25. Система по п.24, отличающаяся тем, что первое магнитное поле принимает величину между минимальной и максимальной индукции магнитного поля, при которой частота второго магнитного поля соответствует частоте спинового резонанса.
26. Система по п.24 или 25, отличающаяся тем, что длительность периода изменения первого магнитного поля равна 1 мс-10 с, в частности, 10 мс-1 с и, в частности, приблизительно 200 мс.
27. Система по одному из пп.24-26, отличающаяся тем, что второе магнитное поле включается, когда первое магнитное поле спадает, и отключается, когда первое магнитное поле нарастает, или наоборот.
28. Система по одному из пп.15-27, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит третье средство, представляющее собой постоянный магнит и четвертое средство для создания четвертого магнитного поля, изменяющегося во времени.
29. Система по п.28, отличающаяся тем, что постоянный магнит представляет собой ферритовый магнит, а четвертое средство содержит катушку.
30. Система по п.28 или 29, отличающаяся тем, что третье и четвертое магнитные поля в зоне лечения имеют практически параллельные или антипараллельные вектора магнитной индукции.
31. Система по одному из пп.28-30, отличающаяся тем, что третье магнитное поле имеет в зоне лечения индукцию 0,5-500 Гс, в частности, 10-50 Гс и, в частности, приблизительно 23 Гс.
32. Система по одному из пп.28-31, отличающаяся тем, что четвертое магнитное поле может изменяться в зоне лечения от 0 до ± 5 Гс, в частности, от 0 до ± 2 Гс и, в частности, от 0 до ± 0,5 Гс.
33. Система по одному из пп.15-32, содержащая средство для изменения частоты второго магнитного поля, в частности, между 1 кГц и 1 МГц, в частности, между 2 и 200 кГц и, в частности, между 90 и 110 кГц.
34. Система по п.33, отличающаяся тем, что направление макроскопической намагниченности изменяется изменением частоты второго магнитного поля.
35. Система по одному из пп.15-34, отличающаяся тем, что первое магнитное поле является, по существу, постоянным.
36. Способ терапевтического лечения магнитными полями в зоне лечения, отличающийся тем, что по меньшей мере одну часть тела пациента помещают в устройство по одному из предыдущих пп.1-14 или в систему по одному из пп.15-35.
37. Способ по п.36, отличающийся тем, что спины создают макроскопическую намагниченность, выстраивание которой изменяют путем изменения поля лечения во времени.
38. Способ по п.36 или 37, отличающийся тем, что выстраивание намагниченности ткани изменяют адиабатически.
39. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вектор индукции второго магнитного поля направлен практически под прямым углом к вектору индукции первого магнитного поля.
40. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что второе магнитное поле переменное.
41. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первое магнитное поле имеет в зоне лечения индукцию 0,5-500 Гс, в частности, 10-50 Гс и, в частности, в пределах 23-24 Гс.
42. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что частота второго магнитного поля в зоне лечения изменяется между 1 кГц и 1 МГц, в частности, между 2 и 200 кГц и, в частности, между 90 и 110 кГц.
43. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что второе магнитное поле является амплитудно-модулированным.

- 10 007975
44. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что модуль и/или направление вектора напряженности первого магнитного поля изменяется во времени.
45. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первое магнитное поле является амплиту дно-модулированным и, в частности, длительность периода амплитудной модуляции соответствует времени релаксации спиновой решетки ткани, подлежащей лечению.
46. Способ по п.45, отличающийся тем, что первое магнитное поле принимает величину между минимальной и максимальной индукцией магнитного поля, при которой частота второго магнитного поля соответствует частоте спинового резонанса.
47. Способ по п.45 или 46, отличающийся тем, что длительность периода изменения первого магнитного поля равна 1 мс-10 с, в частности, 10 мс-1 с и, в частности, приблизительно 200 мс.
48. Способ по одному из пп.44-46, отличающийся тем, что второе магнитное поле включается, когда первое магнитное поле спадает, и отключается, когда первое магнитное поле нарастает, или наоборот.