Badania naukowe, dotyczące zastosowania pola elektromagnetycznego (PEM) w medycynie, a prowadzone od ponad stu lat, pozwalają na udoskonalanie tych zastosowań zarówno w obszarze diagnostyki jak i terapii [1]. W dziedzinie diagnostyki PEM wykorzystuje się w rezonansie magnetycznym, magnetokardiografii czy magnetoencefalografii.

PEM wykorzystywane jest równie rozlegle w terapii, zarówno w leczeniu schorzeń natury psychicznej, m.in. za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej, jak i schorzeń fizycznych. PEM w celach leczniczych stosuje się w chirurgii, onkologii, kardiografii, neurologii i ortopedii [1]. Szerokie zastosowanie zyskała m.in. magnetoterapia. Urządzenie do magnetoterapii składa się z bloku  sterującego, który pozwala na zmianę parametrów terapii oraz aplikatorów. Wartość indukcji magnetycznej PEM indukowanego w aplikatorze zależna jest od jego wymiarów, liczby zwojów oraz wartości prądu. Skuteczność terapii z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego zależy przede wszystkim od wartości indukcji magnetycznej i jej rozkładu wewnątrz stosowanego aplikatora [2]. Schorzenia układu kostnego niejednokrotnie wiążą się z koniecznością wszczepienia implantu. Implanty ortopedyczne są to ciała obce wszczepiane do organizmu w celu odtworzenia naturalnej funkcji uszkodzonego organu. Implanty mają coraz więcej zwolenników zarówno wśród lekarzy, jak i pacjentów. Mimo tego istnieje niepokój związany z posiadaniem implantu. Dotyczy on zarówno odrzucenia wszczepu, jak i funkcjonowania z metalowym elementem. To ostatnie wywodzi się z obaw dotyczących wpływu PEM na człowieka; obawy pacjentów z wszczepionym implantem metalowym zwiększają się w istotny sposób.

Model matematyczny

Analizę pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez urządzenia wykorzystywane do magnetoterapii i jego wpływu na struktury bioelektromagnetyczne, ze szczególnym uwzględnieniem osób z metalowym implantem przeprowadzono z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Modelowanie komputerowe ze względu na rozwój technologii pozwala na coraz dokładniejszą analizę zjawisk, do tej pory w ogóle niemożliwą lub obarczoną znaczącymi błędami. Nowoczesne metody symulacyjne bazujące na metodzie elementów skończonych, rozwój komputerów i dostępność oprogramowania pozwalają na modelowanie coraz bardziej złożonych struktur i zjawisk, od maszyn elektrycznych, przez inżynierię bezpieczeństwa [3], aż do tkanek biologicznych i mechanizmów w nich zachodzących. Prądy wirowe u osób z implantami metalowymi.

Wśród skutków oddziaływania PEM jest generowanie wewnątrz organizmu prądów wirowych. Ich wartości i rozkład w tkankach ma wpływ na uzyskanie odpowiedniego efektu terapeutycznego. Uważa się, że w celu osiągnięcia efektu terapeutycznego wartość gęstości prądu powinna wynosić od 1,5 do 20 mA/m2. Pojawienie się wewnątrz ciała metalowego implantu może w sposób istotny zmienić rozkład prądów wirowych [4].

Rys. 1. Model stawu kolanowego umieszczonego w aplikatorze do magnetoterapii

Rys. 2. Model stawu kolanowego z implantem umieszczonego w aplikatorze do magnetoterapii

Analizie zostały poddane: model kolana (rys.1) oraz model kolana wraz z wszczepionym implantem (rys.2) umieszczone w zamodelowanym aplikatorze do magnetoterapii o promieniu 0,095 m. Model kolana został zaprezentowany w formie walca z modelami kości strzałkowej, piszczelowej i udowej, skóry oraz tkanki mięśniowej. Model endoprotezy stawu kolanowego (rys. 3) składa sięz: tytanowej części udowej, tytanowej części piszczelowej oraz z fragmentu polietylenowego znajdującego się pomiędzy metalowymi elementami.

Przeprowadzone symulacje wykonywane były dla każdorazowo przy jednakowych parametrach modelu, geometrii oraz częstotliwości f= 50 Hz. Na rys. 4 pokazany jest rozkład pola magnetycznego. Przebieg indukcji pola magnetycznego wzdłuż osi z modelu przedstawia rys. 5.

Rys. 3. Model implantu stawu kolanowego

Rys. 4. Model magnetoterapii w modelu z implantem B [uT]

Rys. 5. Rozkład indukcji magnetycznej wewnątrz aplikatura wzdłuż osi z modelu z implantem

Maksymalna wartość indukcji magnetycznej wewnątrz badanego modelu aplikatora ma wartość1 mT. Dla takiej wartości wymuszenia, przeprowadzono analizę rozkładu prądów wirowych. Pierwszy etap dotyczył znajomości rozkładu i wartości prądów wirowych dla modelu bez implantu. Wiedza dotycząca prądów wirowych w tkankach pozwala wspomóc ocenę działania terapeutycznego pola. Niezbędna jest również w celu porównania wartości z odpowiadającymi im wynikami z modelu z implantem.

Wnioski

Przeprowadzone symulacje komputerowe wskazują na skutki działania PEM w ciele człowieka z wszczepionym implantem metalowym. Zestawienie wartości otrzymanych w modelu bez implantu, z wartościami w modelu z implantem, jest kluczowe do ukazania oddziaływania tytanowego elementu wszczepionego do organizmu. Najwyższe wartości gęstości prądów wirowych, uzyskujemy ze względu na właściwości materiału w metalowym implancie, jednak to nie sama wartość prądów wirowych w implancie ma znaczenie, gdyż implant nie stanowi elementu ciała ludzkiego. Ważny jest natomiast wpływ, jaki ten implant będzie miał na tkanki biologiczne.

Wyniki badań pokazują, że obecność metalowego implantu może zmieniać rozkład pola elektromagnetycznego wewnątrz ludzkiego ciała. Powyższe wykresy pokazują różnice w osiąganych wartościach gęstości prądów wirowych, jak i istotną zmianę w ich rozkładzie. Obecność implantu implikuje wzrost wartości gęstości prądów wirowych w tkankach znajdujących się najbliżej wszczepu. Przeprowadzone symulacje dotyczyły pola wytwarzanego przez aplikatory służące do magnetoterapii, a co za tym idzie, dotyczyły wartości wymuszenia uznawanych za dające efekt terapeutyczny.

Rys. 6. Porównanie rozkładu gęstości prądów wirowych w tkankach modelu z implantem i bez implantu: a) położenie odcinka przesuniętego względem osi z, b) wykres gęstości prądu wzdłuż wskazanego odcinka

Rys. 7. Porównanie rozkładu gęstości prądów wirowych w tkankach modelu z implantem i bez implantu: a) położenie odcinka wzdłuż osi z, b) wykres gęstości prądu wzdłuż wskazanego odcinka

W przedstawionych badaniach, zastosowano model cewki generującej PEM o indukcji maksymalnej składowej magnetycznej równej 1 mT, był to model aplikatora do magnetoterapii o promieniu 0,095 m. Wartości gęstości prądów wirowych w tkankach osiągały wartość maksymalnie 1,8 mA/m2. Urządzenia do magnetoterapii emitują najczęściej pole o indukcji od 1 mT do 10 mT. Takie wartości indukcji zapewniają gęstość prądu w tkankach, która, według ustaleń medycznych, zapewnia efekt terapeutyczny, czyli powyżej 1,5 mA/m2 . Obecność implantu, mimo znaczącego wpływu na rozkład gęstości prądów wirowych w otaczających tkankach, nie stanowi więc przeciwwskazania do stosowania zabiegów magnetoterapii z udziałem zaimplantowanej kończyny przy zastosowaniu standardowych wymuszeń stosowanych w trakcie zabiegu (10 mT). Istotna jest uwaga, iż model nogi z implantem umieszczono w pozycji centralnej aplikatora, a badania dotyczące pola aplikatorów szpulowych wskazują iż maksymalna wartość indukcji osiągana jest przy wewnętrznej stronie  ścianek aplikatora. Zastosowanie maksymalnej wartości indukcji stosowanej w standardowych urządzeniach do magnetoterapii, tj 10 mT i umieszczenie nogi, w tym metalowego implantu, w pobliżu krawędzi aplikatora, uwzględniając skrajny przypadek prawie dwukrotnego wzrost wartości prądów wirowych w bezpośrednim sąsiedztwie implantu w stosunku do nogi bez wszczepu, może skutkować przekroczeniem, uznanej za bezpieczną, granicy 20 mA/m2.

Przeprowadzone symulacje wskazały na potrzebę uważniejszego spojrzenia na parametry stymulacji magnetycznej prowadzonej u osób z implantami metalowymi.

LITERATURA

[1] SierońA.: Pola magnetyczne w medycynie. OPM. 2005

[2] Cieśla A., Syrek P.: Parameters and position of the applicator’s effect on magnetic field distribution during magnetotherapy, Przegląd Elektrotechniczny, 88 (2012), n.12b, 124-127.

[3]  Prauzner T., Finite Element Method in an analysis of selected parameters of an inductive sensor for protective coatings measurements, Przegląd Elektrotechniczny, 91 (2015), nr.12,

205-208 ISSN 0033-2097

[4]  Miaskowski A., Krawczyk A., Ishihara Y.: A numerical evaluation of eddy currents distribution in the human knee with metallic implant, COMPEL, No.5, 2012, s. 1441-48