Pola magnetyczne.doc

Fizykoterapia- T. Mika

Pola magnetyczne

     Próby wykorzystania pola magnetycznego do celów leczniczych trwają od wieków. Ten rodzaj postępowania leczniczego nazwano magnetoterapią, przez którą rozumie się wykorzystanie leczniczego wpływu magnesów oraz urządzeń wytwarzających pola magnetyczne o różnej charakterystyce fizycznej.

Pola magnetyczne, podobnie jak elektromagnetyczne, są wszechobecne na naszej planecie, zarówno w przyrodzie ożywionej, jak i nieożywionej.

Znaczenie pól magnetycznych dla organizmów żywych określił lapidar­nie słynny fizyk niemiecki Werner Heisenberg, który stwierdził, że „energia magnetyczna jest elementarną energią, od której zależy życie organizmu".

Mimo powszechnego i trwającego od wieków zainteresowania biologicz­nym wpływem pól magnetycznych, wiedza w tym zakresie jest niewielka. Przyczyną takiego stanu rzeczy są bardzo złożone mechanizmy działania pól magnetycznych na ustroje żywe. Ich reakcje mogą być badane przy użyciu skomplikowanej, a w wielu sytuacjach — ze względu na stan wiedzy - jeszcze niedostępnej aparatury.

Uzyskane wyniki muszą być z kolei rozpatrywane zarówno w katego­riach biologicznych, jak i fizycznych, co również nastręcza trudności w ich interpretacji. Niemniej jednak można stwierdzić, że w ostatnich latach obserwuje się duże zainteresowanie terapeutycznymi zastosowaniami pól magnetycznych, w szczególności pól małej częstotliwości.

Charakterystyka fizyczna pola magnetycznego

Polem magnetycznym nazywa się postać materii charakteryzującą się bardzo ważną właściwością polegającą na tym, że na poruszającą się cząstkę działa ono z siłą zależną od iloczynu ładunku cząstki i jej prędko­ści.

Pole magnetyczne jest wytwarzane przez poruszające się w sposób uporządkowany ładunki elektryczne, przez poruszające się naładowane ciała, a także przez prądy przesunięcia w dielektryku. Istnieje ono wokół dowolnego przewodnika z prądem, niezależnie od materiału przewodnika oraz rodzaju jego przewodnictwa.

Zjawiska i właściwości materii, związane z oddziaływaniem pola mag­netycznego, nazywa się magnetyzmem. Jest on uwarunkowany istnieniem momentów magnetycznych danego ciała, którą to nazwą określa się wielkości wektorowe, charakteryzujące jego oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym.

W magnetyzmie atomowym wyróżnić można własny moment mag­netyczny elektronów, zwany również momentem spinowym, oraz moment magnetyczny wytwarzany przez ruch orbitalny elektronów w powłokach elektronowych atomu.

Moment magnetyczny atomu lub cząsteczki jest sumą momentów magnetycznych wytworzonych przez wszystkie jego lub jej elektrony. Dodać należy, że istnieje również magnetyzm jądrowy, uwarunkowany własnymi momentami magnetycznymi wchodzących w skład jądra nuk­leonów (protonów i neutronów).

Podobnie jak inne pola fizyczne, pole magnetyczne wykazuje również charakter wektorowy, tzn. w każdym jego punkcie ma ono określony kierunek.

Podstawową cechą opisującą pole magnetyczne jest indukcja magnetycz­na. Z reguly Ampere'a wynika, że indukcja magnetyczna równa jest sile, z jaką pole magnetyczne działa na jednostkę długości przewodnika umieszczonego prostopadle do kierunku pola magnetycznego i przez który przepływa prąd elektryczny o natężeniu jednostkowym.

F = k(BJl)

gdzie:

F     — siła,

/       — element przewodnika,

B     - indukcja magnetyczna,

J      — natężenie prądu,

k      — współczynnik proporcjonalności, zależy od wyboru jednostek.

W danym wypadku kierunki indukcji magnetycznej, siły oraz prądu są do siebie prostopadłe.

W celu graficznego odwzorowania pól magnetycznych i określenia kierunku indukcji magnetycznej wprowadzono pojęcie linii indukcji mag­netycznej. Nazwą tą określono krzywe, do których styczne w każdym punkcie pokrywają się w kierunku wektora indukcji magnetycznej. Linie indukcji magnetycznej są zawsze zamknięte i otaczają przewodniki z prą­dem.

Pole magnetyczne nazywa się jednorodnym, gdy wektory indukcji magnetycznej są we wszystkich punktach jednakowe. W wypadku przeciw­nym pole jest niejednorodne.                                                                                                                                                          Natężenie pola magnetycznego mierzy się stosunkiem siły, którą pole działa w próżni na prostoliniowy przewodnik z prądem, umieszczony prostopadle do kierunku działania tej siły – do długości tego przewodnika i natężenia prądu.                                                                           H = F/ L x J                                                                                                                                                                                                         Gdzie: H – natężenie pola magnetycznego, F – siła, L – długość przewodnika, J – natężenie prądu.

Pole magnetyczne można również opisać ilościowo przez podanie wielkości nazwanej strumieniem magnetycznym (Φ). Jest to iloczyn natęże­nia i powierzchni konturu obranego na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku natężenia pola.                                    Φ = H x S                                                                                                                                                                                                         gdzie:  Φ – strumień magnetyczny, H – natężenie pola magnetycznego, S – powierzchnia.

Natężenie pola magnetycznego wyraża się w amperach na metr (A/m) albo też indukcją magnetyczną, którą określa się iloczynem indukowanego napięcia i czasu, przypadającym na metr kwadratowy powierzchni prze­kroju (V • s/m2). Obowiązującą obecnie jednostką indukcji magnetycznej jest tesla (T), której nazwa pochodzi od nazwiska słynnego fizyka pochodzenia chorwackiego - - Nikoli Tesli (1T = IV • s/m2). Natężenie pola magnetycznego określa się niekiedy w gausach (l gaus = 0,0001 T = 0,1 mT).

Zjawiska elektryczne są ściśle związane ze zjawiskami magnetycznymi i odwrotnie. Stąd zmienne pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne — zmienne pole elektryczne.

Właściwości magnetyczne substancji są związane z ich zdolnością do magnesowania się, to znaczy do uzyskania cech magnesu naturalnego. Pod tym względem ciała dzieli się na diamagnetyczne, paramagnetyczne i ferromagnetyczne.

W ciałach diamagnetycznych własne pole magnetyczne powstające przy namagnesowaniu ma kierunek przeciwny niż pole zewnętrzne, przez co osłabia nieco jego działanie. Nie wykazują one również tzw. pozostałości magnetycznej, czyli trwałej orientacji momentów magnetycznych. Do ciał diamagnetycznych należą między innymi niektóre gazy (wodór), woda i wodne roztwory elektrolitów, szkło oraz niektóre metale, jak np. złoto czy bizmut.

W ciałach paramagnetycznych własne pole magnetyczne, powstające w wyniku namagnesowania, ma kierunek zgodny z kierunkiem pola zewnętrznego, co w niewielkim stopniu wzmaga jego działanie. Ciała te nie wykazują również pozostałości magnetycznej. Do tego rodzaju substancji należy powietrze, wiele gazów i większość metali.

dala ferromagnetyczne wykazują z kolei tysiące razy większą zdolność do namagnesowania, jak również bardzo dużą pozostałość magnetyczną, należą do nich żelazo, nikiel, kobalt i różne specjalne stopy.

Działanie biologiczne pola magnetycznego

Mechanizm działania pola magnetycznego na ustrój jest, jak już wspo­mniano, wysoce złożony i do tej pory jeszcze w wielu szczegółach nie wyjaśniony. Z fizycznego punktu widzenia wydaje się on oczywisty, w praktyce jednak oddziaływania pola są trudne do stwierdzenia.

Charakterystyczną cechą pola magnetycznego jest przenikanie przez wszystkie struktury ustroju. Cecha ta odróżnia pole magnetyczne od innych postaci energii, które ulegają pochłonięciu do określonej głębokości tkanek.

Tkanki ustroju ludzkiego wykazują zasadniczo właściwości diamagnetyczne. W wielu jednak różnorodnych jego strukturach biologicznych mogą występować właściwości paramagnetyczne. Oddziaływanie zewnę­trznego pola magnetycznego zmienia ich stan energetyczny, co z kolei może mieć wpływ na realizowane funkcje biologiczne. Mimo że jest to energia bardzo mała, to jednak podkreśla się —jak dotychczas w formie hipotezy - że impulsowe pole magnetyczne może być swoistym sygnałem dla określonych struktur czynnościowych w całym układzie istniejących między nimi sprzężeń. Należy również pamiętać, że w ustroju występuje wiele ważnych dla jego funkcji związków, zawierających metale o właściwościach ferromagnetycznych. Przykładem może być zawierający żela­zo czerwony barwnik krwi, hemoglobina, która spełnia tak ważną rolą w transporcie tlenu w ustroju. Uważa się, że jednym z istotnych czynników, odgrywających zasadniczą rolę w mechanizmie działania na ustrój pól magnetycznych, są indukowane przez nie napięcia.

Zmienne pole magnetyczne indukuje w masie przewodnika zmienne napięcia, powodujące przepływ prądów o zamkniętych obwodach, które to prądy nazwano wirowymi (ryć. 117). Wartość indukowanego napięcia zależy od powierzchni przenikanej przez pole magnetyczne, jego natężenia oraz szybkości zmian natężenia pola w czasie. Dlatego też impulsy pola magnetycznego o szybkim narastaniu natężenia indukują w jednostce czasu większą wartość napięcia w porównaniu z impulsami o wolniejszym narastaniu natężenia. Zjawisko indukowania w prądach wirowych wy­stępuje szczególnie w tkankach i płynach ustrojowych dobrze przewodzą­cych prąd elektryczny, tzn. w tkankach zawierających dużo nośników elektryczności, przede wszystkim jonów.

Kolejnym zjawiskiem występującym pod wpływem pola magnetycznego są tzw. siły Lorentza. Powstają one w przewodniku, w którym płynie prąd elektryczny, i działają na ładunki bez względu na ich charakter, tzn. zarówno na elektrony, jak i na jony. Siły Lorentza powodują zmiany orientacji jonów dodatnich i ujemnych, które są przemieszczane w przeciw­nych kierunkach. W stałym polu magnetycznym jony te gromadzą się na barierach biologicznych, między innymi na błonach komórkowych, powo­dując zmiany w ich polaryzacji. W zmiennym polu magnetycznym zachodzi ich oscylacja w takt zmian pola.

Z działaniem sił Lorentza związane jest również galwanomagnetyczne zjawisko Halla, powstające w masie przewodnika z prądem w wyniku odchylenia przez te siły nośników elektryczności, a mianowicie elektronów i dziur.

W wyniku tego w przeciwległych częściach przewodnika powstaje napięcie przesunięte w fazie o 90° w stosunku do napięcia indukowanego przez pole magnetyczne. Siły te, jak już wspomniano, występują w warun­kach ruchu ładunków elektrycznych i mogą one powstawać pod wpływem pola magnetycznego w poruszających się krwinkach czerwonych, będą­cych niejako transporterami ładunków, w procesach dyfuzji lub też w wypadku czynnego przemieszczenia przez błonę komórkową jonów, jak to się odbywa w mechanizmie pompy sodowej.

Należy dodać, że indukowane w tkankach prądy elektryczne mogą wpływać na istniejące w ustroju substancje o właściwościach piezoelektrycznych, powodując ich mechaniczne odkształcenia. Do ciał takich należy kolagen, którego włókna stanowią podłoże organiczne kości, dentyna, keratyna i wiele innych związków białkowych. Oddziaływaniem tym niektórzy autorzy próbują tłumaczyć korzystny wpływ pól magnetycz­nych na proces tworzenia kostniny w przypadkach utrudnionego zrostu kostnego. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń uważa się, że zmienne pola magnetyczne między innymi wpływają na potencjał błon komórkowych, powodując wzmożenie wymiany jonów, stymulują reakcje biochemiczne, w tym również reakcje przebiegające z udziałem enzymów i hormonów. Pola te usprawniają krążenie obwodowe krwi, powodują lepsze zaopatrzenie tkanek w tlen i lepsze jego wykorzystanie, co wiąże się z zachodzącym pod wpływem pól magnetycznych zwiększeniem we krwi ciśnienia parcjalnego tlenu. Na efekty działania na ustrój zmiennych pól magnetycznych mogą mieć również wpływ wywołane przez nie zmiany właściwości fizycznych wody, między innymi zwiększenie stężenia zawar­tych w niej gazów, głównie tlenu, zmiana pH oraz zdolności zwilżania.

Leczenie polami magnetycznymi

Stosowane w lecznictwie pola magnetyczne podzielono na statyczne i dynamiczne. Źródłem statycznego pola magnetycznego są różnego rodzaju magnesy. Mimo że od wieków magnesom przypisywano właściwości lecznicze, to współcześnie nie znajdują one szerszego zastosowania. Dynamicznymi nazywa się pola magnetyczne indukowane przez prąd elektryczny płynący w przewodniku. Mogą to być pola stałe, indukowane przez stały prąd elektryczny, oraz różnego rodzaju impulsowe pola zmienne. Przebieg zmian impulsów pola magnetycznego zależy oczywiście od zmian -prądu płynącego przez przewodnik. W niniejszym rozdziale omówione zostaną, tzw. pola magnetyczne skrajnie małej częstotliwości, określane skrótem ELF-MF (od słów angielskich: extremely lowfreąuency - magnetic fields). Zakres ten obejmuje częstotliwości od 3 do 3000 Hz. Zastosowanie w terapii pól magnetycznych wielkiej częstotliwości omó­wione zostało w rozdziale poświęconym polom elektromagnetycznym wielkiej częstotliwości.

Impulsowe pole magnetyczne małej częstotliwości

Najczęściej znajdują zastosowanie impulsowe pola magnetyczne o często­tliwości do 50 Hz (w USA — 60 Hz). Kształt impulsów może być różny: o przebiegu prostokątnym, trapezowym, trójkątnym lub sinusoidalnym. Natężenie pola magnetycznego, wyrażone w jednostkach indukcji mag­netycznej, nie przekracza 10 mT. Pola te są stosowane przy użyciu aplikatorów. Mogą to być aplikatory o charakterze solenoidu w kształcie szpuli (ryć. 149) oraz aplikatory płaskie o polu rozproszonym. Dobór aplikatora zależy przede wszystkim od okolicy ciała, która ma być poddana zabiegowi.

Dobór właściwych warunków zabiegu magnetoterapeutycznego opiera się na trzech parametrach, a mianowicie:

-    czasie trwania zabiegu,

-    częstotliwości i charakterze zmian pola magnetycznego,

-    natężeniu pola magnetycznego.

Czas zabiegu nie jest ograniczony. Stosowanie zabiegu nawet w bardzo długim czasie nie powoduje niekorzystnych następstw. Czas poszczegól­nego zabiegu nie powinien być jednak krótszy od 5 min, zaś czas dłuższy ód 30 minut stosuje się raczej rzadko i zwykle nie przekracza on 60 min. Seria zabiegów obejmuje 5 do 15 zabiegów. Pierwsze zabiegi powinno się wykonywać codziennie. Kolejne zabiegi można wykonywać co drugi dzień, a nawet 2 razy w tygodniu. Pamiętać należy, że po pierwszych kilku ...