П3.1.15. Аппарат для магнитотермии и его моделирование

 

Рассматриваемый аппарат относится к традиционным физиотерапевтическим приборам, однако в связи с его оригинальным схемным решением и возможностью использования в домашних условиях, автор счел возможным поместить его описание в этом приложении.

Разработчиком аппарата является киевский радиолюбитель Ю. Мединец. Аппарат выполнен в двух вариантах — один на сдвоенном генераторном лучевом тетроде ГУ-29 [21] и второй — на двух лучевых пентодах ГУ-50 [22] (более мощный вариант). Схема аппарата была повторена рядом радиолюбителей, в частности, Исаевым А. Н. (isaev51@bk.ru) и является практической иллюстрацией использования отрезков коаксиального кабеля (цепь с распределенными параметрами) в качестве колебательного контура высокой добротности (см. разд. 6.8 и 25.8).

Обосновывая  необходимость своей разработки, Мединец отмечает, что основным недостатком промышленных УВЧ-приборов («Эк­ран», УВЧ-30, УВЧ-80 и др.) является недостаточная глубина прогрева тканей из-за превалирования элек­трической составляющей электромагнитного поля, сильно поглоща­емой живыми тканями. В его же аппарате превалирующей является  магнитная составляющая, отличающаяся высокой проникающей способностью и создающей вихревые токи в физиологической жидкости вокруг частиц-изоляторов (например, кле­точных мембран). При этом максимально прогревается кровь (как магнитодиэлектрик с потерями: у человека на 5 литров крови приходится 1 кг железа) и кровенаполненные ткани, что приводит к усилению кровотока в воспаленных, отечных и опухолевых тканях.

Схема устройства (рис. П3.1.49) представляет собой двухтак­тный генератор на 40 МГц мощностью 100 Вт с питанием анодно-сеточных цепей от сети ~220 В с удвоением напряжения на С1, С2, D1 и D2 (генераторная часть показана «жирными» линиями). Для уменьшения напряжения на экранной сетке холод­ной лампы используется стабилитрон D1 с баллас­тным резистором R3; R1, R2 — резисторы смещения. Анодной нагрузкой служат высокочастотные дроссели L2 и L3 из провода МГТФ-0,14 длиной 2,2 м, намотанного виток к витку на керамическом каркасе диаметром 6 мм и длиной 30 мм (получилось примерно 2 слоя, хотя для лучшего теплоотвода его желательно сделать однослойным, как в оригинале). Поскольку прибор выполнен в пластмассовом корпусе блока питания от когда-то популярного компьютера БК-05, то для питания накальной цепи лампы (12,6 В при токе 1,25 А) был использован и его трансформатор Тр.  

Излучатель — рамка L1 диаметром 20...23 см — выполнена в виде от­резка коаксиального кабеля общей длиной 1 м с ди­аметром внутренней изоляции 4...9 мм. Автором рекомендуется кабель РК50-9-23 (или по степени предпочтения: РК50-4-21, РК50-2-21, РК50-7-11, РК50-4-11). В любом другом слу­чае кабель должен быть термоcтойким, эластичным и сохранять свою форму при изгибе (в нашем случае был использован кабель с полиэтиленовой изоляцией неизвестного происхождения наружным диаметром 5 мм и диаметром жилы 0,7 мм). Посредине заготовки кабеля на участке 1 длиной 15 мм удаляется верхняя изоляция и оплетка. Затем это место заполняется фторопластовой (или другой термостойкой) лентой до уровня верхней изоляцией и сверху одевается с небольшим натягом полихлорвиниловая трубка длиной 35…40 мм для исключения перегибов на этом участке при пользовании прибором. На расстоянии 15 мм от каждого конца кабеля 5 он освобождается от верхней изоляции, а оплетка расплетается и равномерно (с примерно одинаковым числом жил) скручивается с двух сторон с последующей пропайкой торцов скрутки 4 для подсоединения управляющих сеток лампы; к центральным проводникам кабелей подпаиваются дроссели и колпачки для анодов, в качестве которых использованы максимально укороченные «мамки» от старых разъемов. Затем на расстоянии 55 мм от концов кабелей на участке 3 длиной 15 мм (итого 70 мм от каждого конца) кабель освобождается от верхней изоляции, а оплетка со стороны 40-миллиметрового участка аккуратно подрезается, расплетается и равномерно скручивается с двух сторон с последующей их соединением в точках 2 пайкой с использованием 2-миллиметрового медного провода, являющемся одновременно и элементом крепления рамки.

Таким образом, участки оплетки 4 образуют с центральной жилой емкостную обратную связь, а изолированная оплетка рамки совместно с центральной жилой — две линии связи в режиме холостого хода, в которых в результате ударных колебаний за счет попеременного открывания/закрывания каждой половины лампы возникают колебания с частотой первой гармоники, определяемой формулой (см. разд. 6.8 и 25.8):

f₁ = 1/4l(LC)^1/2,                                                                                 (П3.1.7)

где l » 0,5 м — длина кабеля (линии связи); L, C — его погонные индуктивность и емкость.

Рис. П3.1.49. Схема прибора

  

Схема модели генераторной части прибора, выполненная в среде программы EWB 4.1, содержит (см. рис. П3.1.50, а) функциональный генератор, который в режиме парафазного выходного сигнала имитирует генераторную радиолампу с внутренним сопротивлением каждой половины Ri1 = Ri2 = m/S » 1 кОм (m = 9 — коэффициент усиления ГУ-29; S = 8 мА/В — крутизна ее характеристики). Излучатель L1 представлен двумя одинаковыми моделями линии связи (ЛС) с параметрами: длина (Len) — 0,48 м, погонное сопротивление (Rt) — 0,01 Ом/м, погонные индуктивность (Lt) и емкость (Ct) — 4 мкГн/м и 50 пФ/м; остальные параметры — по умолчанию. Верхние проводники ЛС имитируют центральную жилу коаксиального кабеля, а нижние — его оплетку. Роль перемычки 2 выполняет амперметр Io с внутренним сопротивлением 0,01 мОм, а в разрыв оплетки (точка 1 на рис. П3.1.46) включен осциллограф, который практически не оказывает влияния на процесс моделирования, т. к. входное сопротивление его каналов сравнимо с сопротивлением утечки ЛС (10¹² Ом).

Поскольку оплетки включены встречно, то, согласно принципу двухтактной работы генератора, на противоположных концах оплеток (точки 1.1 и 1.2) будут колебания одной фазы, что и подтверждается осциллограммами на рис. П3.1.50, б. Согласно (П3.1.7)  f₁ = 1/4×0,48×(4×10^-6×40×10^-12)^1/2 = 41175 кГц, что несколько выше сигнала возбуждения. Объясняется это тем, что при параметрах ЛС (в основном это Lt и Ct или Len), обеспечивающих f₁ = 40 МГц, модель ведет себя неустойчиво.

Из показаний амперметров Ii и Io видно, что ток в оплетке кабеля существенно превосходит ток в его центральной жиле, т. е. оплетка кабеля действительно является излучателем преимущественно магнитной составляющей электромагнитного поля.

 

а)

б)

Рис. П3.1.50. Модель генераторной части прибора

 

Что касается аппаратной части прибора, то в нашем случае имеются следующие отличия:

1. Источник анодно-сеточного питания является более мощным, поскольку в схеме удвоения используются конденсаторы большей емкости (100 мкФ вместо 47), что способствовало увеличению напряжения на аноде до 600 В (при предельно допустимом 750 В) и, как следствие,  к увеличению выходной и рассеиваемой на аноде мощности. Поэтому пришлось использовать принудительное охлаждение с помощью вентилятора В от микропроцессора Pentium 800 МГц, расположенного под лампой в нижней части прибора (см. рис. П3.1.51).

2. Для фиксации времени работы прибора (и времени процедуры) в схему введено аналоговое реле времени на 8 мин, выполненное на ИМС КР561ЛН1, транзисторе Т, R1C3-цепи и реле Р типа РЭН34 (паспорт ХП4.500-01) с током срабатывания 40 мА. После включения тумблером Т сетевого напряжения питание подается на накальную цепь лампы и через 8-ваттный резистор R6 (набор из 2-ваттных резисторов типа МЛТ) — на анодно-сеточные цепи, чем обеспечивается примерно половинная выходная мощность генератора (падение напряжения на R6 составляет около 90 В). При этом на входе 6 ИМС сохраняется нулевой потенциал, который передается на ее выходы 2,5, поддерживая транзистор Т в закрытом состоянии.

После нажатия кнопки ПУСК производится заряд конденсатор С3 и транзистор Т переводится в открытое состояние, в результате чего срабатывает реле Р и своими контактами Р1, Р2 замыкает резистор R6, подключая к сети на полную мощность выпрямитель-удвоитель анодно-сеточного питания на время, определяемое постоянной времени R1×C3 и напряжением, до которого был заряжен конденсатор С3. Последнее обстоятельство объясняется тем, что постоянная заряда конденсатора С3 равна R2×C3 = 470×470×10^–6 » 0,22 с и для его полного заряда (до +13 В) потребуется удерживать кнопку ПУСК около 7×R2×C3 = 1,55 с. Варьируя это время, можно менять и время задержки выключения реле. При полном же заряде, т. е. при t ³  1,55 с время задержки примерно равно 0,7×К×R1×C3 = 0,7×0,81×2×10^­6×470×10^–6 = 533 с » 8,9 мин, где  К = 13/16 = 0,81 — коэффициент, учитывающий отличие напряжения питания ИМС (+16 В) от напряжения на ее входе 6 (на стабилитроне D4) при полном заряде С3.

Во второй своей конструкции Мединец для индикации работы прибора использовал петлю L4 из провода МГТФ площадью в несколько квадратных сантиметров (в нашем случае она имеет диаметр около 2 см и содержит 5 витков), размещаемую у основания излучателя и подсоединяемую тем же проводом к цепочке R7-D6 (см. рис. П3.1.49 и П3.1.51). О работоспособности аппарата можно судить также и по поведению расположенных вблизи рамки приборов: они перегружаются на всех пределах (в нашем случае это был цифровой мультиметр MY-64x).

Для контроля напряженности поля при проведении процедур используется индикатор поля в виде двухвитковой катушки L5 из провода МГТФ, намотанной на пластмассовый каркас (остатки от детской игрушки) диаметром 30 мм  и подключенной к миниатюрной лампочке L типа нашей СМ (тоже от сломанной китайской игрушки). Исследование магнитного поля петли L1 с помощью такого индикатора показали, что при максимальной мощности наличие поля обнаруживается на расстоянии 6 см от плоскости петли, а при пониженной (при включенном R6) — 2 см.

При проведении процедур обнаружено, что участок петли L1, расположенный на теле, разогревается до такой степени, что может вызвать ожоги. Поэтому процедуры следует проводить через ткань легкой одежды, хотя и в этом случае разогрев кабеля подчас становится невыносимым. Наиболее комфортно проходят процедуры при пониженной мощности.

 

 

Рис. П3.1.51. Фотография прибора со снятым кожухом

 

Опыт эксплуатации аппарата показал, что наиболее удобно пользоваться им при использовании штатива. В нашем случае использовалась стойка-штатив от сломанного вентилятора ELEKTA (см. рис. П3.1.52), позволяющая устанавливать прибор на высоте от 82 см до 108 см и поворачивать как в горизонтальной плоскости, так и по азимуту на ±45° с фиксацией с помощью имеющегося на стойке храповика и болта с фигурной гайкой. Массивное и не очень эстетичное основание стойки было заменено на прямоугольную площадку из 10-мм фанеры с выдвижными упорами из дюралевого профиля типа ласточкиного хвоста с прижимными фигурными болтами от старых приборов и прямоугольными гайками М5. Для крепления прибора к стойке использовались гайки-пробки с наружной резьбой М8 и внутренней М4, которые вкручивались на клею в нижнее основание корпуса толщиной 6 мм. Использование фигурных болтов М4 для крепления позволяет оперативно снимать прибор со стойки. Поскольку гайки-пробки из-за трансформатора смещены относительно центра прибора, то при повороте его по азимуту он принимает самые причудливые положения, что в большинстве случае даже очень удобно.

Как видно из рис. П3.1.52, кнопка пуска находится сбоку прибора, а тумблер включения сети — сзади; там же находится и предохранитель.

 

 

Рис. П3.1.52. Фотография прибора со штативом

 

Работа с аппаратом сводится к совмещению поля рамки (в виде приплюснутой сферы с обеих сторон ее плоскости) с областью патологии. Приведем некоторые примеры из практики применения прибора радиолюбителями и самого разработчика:

1. При лечении артрита рамка одевается на конечность или прикладывается к больному месту сбоку. Аналогичный опыт проводился и Исаевым А. Н., но с применением дополнительно ВИТАФОН`а, что позволило ему в буквальном смысле поднять на ноги пораженного артритом 76-летнего отца.

2. При воспаление носоглотки рамка изгибается центром (точка 1 на рис. П3.1.49) в сторону прибора и отогнутой частью прикладывается к шее таким образом, что ближняя к корпусу часть оказывается на уровне носа, а места изгибов — около ушей.

3. Для лечения бронхита, пневмонии, гепатита и воспалений внутренних органов рамка кладется на поверхность тела напротив пораженного органа (на его так называемую проекцию).

4. При лечении остеохондрозов длительность процедуры составляет  5…30 мин (для шейного — 10). Невриты (радикулит и т. п.) в острой форме хорошо лечатся сеансами по 5...7 минут через полчаса, хронические воспаления — сеансами раз в день или через день (обычно достаточно 3...10 сеансов).

5. При нагреве массивной части тела (грудь, живот) на поверхность кладут индикатор поля и подносят рамку аппарата на такое расстояние, при котором лампочка светится наиболее ярко.