Разработка портативного прибора для лечения тепловыми и магнитными полями

PORTABLE DEVICE DEVELOPMENT FOR TREATMENT WITH THERMAL AND MAGNETIC FIELDS

Roman Strunin

Master’s student, Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, Russia, Vladimir

Maria Romodanovskaya

Candidate of chemistry, associate professor of Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, Russia, Vladimir

Аннотация. Статья посвящена разработке портативного медицинского прибора для воздействия тепловыми и магнитными полями на организм человека.

Abstract. The article is devoted to the development of a portable medical device for exposure to thermal and magnetic fields on the human body.

Ключевые слова: магнитное поле; тепловое воздействие; физиотерапия; медицинское оборудование.

Keywords: magnetic field; thermal effect; physiotherapy; medical equipment.

В настоящее время физиотерапию рассматривают как область медицины, изучающую действие на организм природных и искусственно создаваемых физических факторов, применяемых для лечения больных, профилактики заболеваний и медицинской реабилитации.

Предметом изучения физиотерапии являются лечебные физические факторы. В соответствии с видами энергии и типами ее носителей лечебные физические факторы принято делить на две группы: искусственные и природные.

 Преимущества физиотерапии обычно рассматривают как альтернативу химио - или фармакотерапии, несмотря на то, что в лечении большинства заболеваний зачастую применяют комплекс физических факторов и лекарственных веществ.

Целью работы является создание аппарата для магнитотермии, в котором совмещаются такие физиотерапевтические методы как лечение тепловыми и магнитными полями.

В качестве прототипа была выбрана схема Ю.Р. Мединца «Аппарат для магнитотермии», опубликованная в журнале «Радиолюбитель» №6, 1999 г. и обладающая рядом недостатков:

- генератор выполнен на генераторных лампах ГУ-29, которые имеют эксплуатационные недостатки (время наработки на отказ, надежность) и в настоящее время не выпускаются;

- рассеивание тепловой энергии, обусловленное низким КПД;

- генератор настроен на частоту 27,12 МГц.

В связи с этим основной задачей является построение генератора на транзисторах и разработка схемы прибора.

Структурная схема разрабатываемого устройства, представленная на рисунке 1, состоит из четырех основных блоков.

Рисунок 1. Структурная схема разрабатываемого прибора

На вход подаётся напряжение 220 В, которое через блок питания -1 попадает на генератор прямоугольных импульсов -2, откуда через операционный усилитель -3 поступает на передающую антенну -4.

С учетом всех недостатков структурной схемы была разработана электрическая принципиальная схема прибора (рис. 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема разрабатываемого прибора

В таблице 1 приводятся обозначения элементов разработанной принципиальной схемы (рис. 2).

Таблица 1.

Обозначения элементов схемы

С точки зрения функционального назначения прибора, единственно полезной мощностью является реактивность рамки – она не питается от сети во время холостого хода, не нагревает рамку и элементы прибора, поэтому если поднести рамку к телу пациента (или вообще к любому проводнику) передает ему энергию напрямую из сети за счет наведения токов Фуко, тем самым нагревая тело. Для обеспечения чисто реактивного характера нагрузки, ею должен быть сам источник колебаний. С учетом сказанного, а также специфического представления нагрузочного контура (цепью с распределенными параметрами), многие варианты генераторов оказываются неэффективными в транзисторном исполнении, поскольку они либо рассчитаны на небольшую нагрузку, либо требуют трехточечного исполнения контура. Поэтому было принято решение построить генератор инверторного типа на двух транзисторах: каждый из транзисторов является фазоинвертором и в сумме они обеспечивают не инвертированное усиление, а положительная обратная связь с выхода на вход передается через резисторы R1 и R2.

В момент, когда потенциал левой точки рамки из-за автоколебаний превышает напряжение питания, ток через резисторы усиливается, потенциал базы VT2 уменьшается, и, поскольку транзистор VT1 открывается, в определенный момент становится меньше нуля, тогда транзистор VT2 закрывается, ограничивая подпитку контура ровно тем количеством энергии, которое необходимо для автогенерации.

Расчет и выбор элементов принципиальной схемы

Проведем проверку правильности выбора элементов с позиции их устойчивости к внешним воздействиям.

Индуктивность рамки:

.

При радиусе рамки R=0,1м и радиусе кабеля r=0,004 м:

.

Погонную емкость кабеля примем равной  пФ/м, сопротивление (как жилы, так и оплетки) R_пог=0,01Ом/м. Тогда полная емкость и сопротивление жилы и оплетки рамки составят соответственно:

, .

Поскольку рамка является цепью с распределенными параметрами, то при моделировании ее следует разделить на конечное число элементов емкости, индуктивности и сопротивления, при этом индуктивности жилы и оплетки образуют трансформатор с коэффициентом трансформации равном единице, поскольку они находятся в одном магнитном потоке. При разделении рамки на 6 элементов ее эквивалентная схема будет выглядеть так, как показано на рисунке 3. Чем на большее количество элементов будет разделена рамка, тем выше будет качество моделирования. Оплетка замкнута в части, не имеющей индуктивной связи с жилой, и имеет разрыв ровно посередине.

Рисунок 3. Эквивалентная схема рамки

Параметры элементов модели:  - индуктивность каждой их обмоток,  

, .

Мощность, подводимая к рамке, делится на активную, реактивную и излучающую. Активная мощность рассеивается в рамке совершенно бесполезно на ее нагрев, она зависит от отстройки частоты тока в рамке от резонансной и от активного сопротивления рамки (оно чрезвычайно мало и им можно пренебречь). Мощность излучения зависит от силы тока в рамке, его частоты и площади рамки:

,  

где I – эффективный ток рамки,

 - волновое сопротивление вакуума.

Для круглой рамки .

Волновое сопротивление вакуума .

Длину волны излучения можно найти, исходя из резонансной частоты рамки:

Погонная индуктивность:

, 

тогда:  .

Подставляя в значения в формулу, получим мощность излучения:

.

Эта мощность излучается в эфир бесполезно, но уменьшить ее невозможно никакими способами, и ее необходимо учитывать при расчете энергопотребления прибора.

Выпрямленное сетевое напряжение будет иметь значение 311 В (в  раз), емкость конденсатора С1 принимается как у аналога – 47 мкФ. На транзисторе VT2 практически не рассеивается мощность, поскольку он передает в рамку только реактивность, что выгодно отличает данный генератор от аналогов. Поэтому VT2 выбирается исходя из допустимого напряжения коллектор-эмиттер: оно должно быть не менее чем удвоенное напряжение питания (622 В) и по возможности большим коэффициентом усиления по току. Исходя из вышеописанных требований, выбираем в качестве VT2 транзистор 2SC5388, его допустимое напряжение коллектор-эмиттер составляет 700 В, допустимый ток  коллектора 5 А, допустимая рассеиваемая мощность 5 Вт без радиатора, коэффициент усиления по току 100. Транзистор VT1 выберем исходя из требования максимального коэффициента усиления, поскольку практически все напряжение питания будет падать на R2, а сам транзистор будет работать в режиме малого сигнала, поэтому выбираем 2N2222.

Номиналы резисторов выберем, задавшись начальным током баз транзисторов 1 мА. Тогда R1=R2=300 кОм. Мощность, рассеиваемая на резисторах:

, выбираем резисторы МЛТ-0,5.

Основной оценкой эффективности прибора является реактивность в оплетки – та мощность, которая потенциально может быть выделена в теле пациента, она составляет , что вполне сопоставимо с мощностью бытовых электронагревательных приборов. При поднесении рамки к телу пациента ее электромагнитное поле наводит в нем токи Фуко, прогревающие ткань, при этом мощность, затрачиваемая на этот нагрев, передается от сети практически без потерь, поскольку в цепях прибора она преобразуется в реактивность и не тратится на бесполезный нагрев элементов цепи.

Для полной оценки энергопотребления необходимо рассчитать потери, уносимые излучением, для этого возьмем средний ток рамки, равный 2 А (излучают как оплетка, так и жила), а частоту – рассчитанную аналитически, тогда:

.

Суммируя потери на излучение с внутренними потерями прибора, получим мощность, потребляемую устройством в режиме холостого хода:

,

КПД прибора может достигать ,

что чрезвычайно выгодно отличает его от аналогов, у которых огромное количество энергии бесполезно рассеивается в тепло.

При полной нагрузке вся реактивная мощность на рамке превращается в активную в тканях пациента, и прибор потребляет от сети:

.

С учетом разброса параметров и значительного пускового тока «накачки» реактивности в контур выбираем предохранитель на ток 4 А.

При моделировании схемы в Multisim 11 (рис.4) были подключены приборы, описываемые в таблице 2.

Таблица 2.

Приборы, используемые для моделирования

Рисунок 4. Схема моделируемого прибора

Ниже представлены показания приборов (рис. 5, 6, 7). Для моделирования используется шаг (timestep) 10^-10с, поскольку при меньшем шаге моделирование на таких высоких частотах происходит некорректно. Как видно из результатов моделирования, рамка входит в токовый резонанс на частоте 40,68 МГц, что несколько отличается от рассчитанной теоретически ввиду неточности модели рамки, однако это не влияет на суть происходящих в схеме процессов. Ток в оплетке в 20 раз выше, чем ток в жиле антенны, причем эти токи сдвинуты по фазе на 90⁰ от соответствующих напряжений, являются реактивными и не потребляются от сети, а лишь циркулируют по контурам цепи. Из-за высокой добротности контура потребляемый от сети ток в режиме холостого хода (когда рамка не поднесена к телу пациента), чрезвычайно мал и имеет порядок нескольких миллиампер, этот ток подпитывает затухающие автоколебания. Мощность, рассеивающаяся на транзисторе VT2, составляет доли Ватта, поскольку практически вся передаваемая им в рамку мощность является реактивной, что видно из показаний ваттметра (коэффициент мощности 0,01127).

Рисунок 5. Показания мультиметров

Рисунок 6. Показания частотометра и ваттметра

Рисунок 7. Осциллограмма напряжения на зажимах рамки

В данной статье представлена разработка медицинского прибора для лечения тепловыми и магнитными полями. В результате модернизации прототипа прибора, было достигнуто повышение качества, удобства эксплуатации, минимизированы габаритные размеры и масса изделия. Аппарат имеет следующие преимущества:

1) транзисторный генератор;

2) КПД = 99,85%;

3) частотный диапазон 40,68 МГц.