电磁场对损伤股骨恢复的作用

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摘 要：本文根据骨的压电特性，采用圆形线圈通过方脉冲信号所产生的电磁场这样一个物理模型，从理论上着重分析了脉冲变化的电磁场对骨的刺激作用，提出能够促进损伤股骨恢复的适宜的刺激电流、刺激频率以及刺激电流的方向。

关键词：损伤；股骨；线圈；电磁场；刺激；电流；频率

中图分类号：G804．66

文献标识码：A

文章编号：1007―3612(2006)01―0076―03

目前，在医学和体育领域，利用物理方法、例如以电场或磁场作为辅助手段来治疗运动损伤已经得到广泛的应用。大量的临床实践证明：利用这些物理治疗方法，可以帮助损伤部位消除水肿，促进组织再生。在针对骨损伤的物理治疗方法中，有的是用一定大小的电压和电流长时间刺激骨的损伤部位；有的是用脉冲电压源；有的采用交流电源。虽然方法多种多样，但是对于损伤组织的恢复都可以起到非常积极的作用。

早在1957年，Fukada等通过实验发现骨具有压电特性，后经过许多科学家的研究，证实了受到机械应力的骨能产生可测量的电信号；另外，施加于在体骨的电流可导致骨性质的改变，并参与骨在体内的重新塑造或骨重建的控制。这是一个非常重大的发现，正是由于骨具有这样的特性，电磁场的刺激才会对骨产生一定的影响。由物理学的电磁场理论可知，当一个圆形线圈中通过电流时，将在它的周围产生电磁场，如果用一个方脉冲信号发生器提供电流信号，所产生的电磁场就会是一个变化的电磁场。如果我们利用这一原理，将这个变化的电磁场放置在骨损伤部位的皮肤附近，这个电磁场将对骨组织产生刺激作用，促使骨组织重建，加速损伤骨的恢复。这就是在临床上已经使用的物理治疗方法的理论依据。根据这一思路和方法，我们建立了一个物理模型，设计在股骨上有一处断裂损伤，进行理论分析，从理论上着重讨论脉冲变化的电磁场对股骨的刺激作用，以期寻找使用多大的电流和频率刺激股骨，才能对损伤股骨的恢复有益的理论依据。

1 理论模型

按照股骨的压电模型，当股骨的受力与它的长轴平行时，产生的电势是所受的外力(人体的重力)和表面电荷的函数。利用这个模型，假定圆形线圈的半径为a，我们将它放置于与股骨中心的距离为b的地方(图1)。根据电磁场理论，磁感应强度矢量B与矢势A的关系为：

选取圆柱体坐标系(图2)，即以股骨中心为坐标原点，在股骨的横截面上为极坐标，沿股骨长轴为x轴。取厘米、克、秒制，磁场的矢势A不为零的分量如方程(2)所示：

式中，A的上标S代表是线圈的磁感应强度B的矢势的分量，I表示流过线圈的电流，C用以表示光速，J，表示第一类贝塞尔函数。

在列此方程时，我们做了如下的简化：假设线圈位于大腿的活动范围之内，由于线圈与股骨的距离比方脉冲的波长短，因此，准稳态附近的电磁场被滞后的电势能所代替。又由于对称性，在空气、腿的肌肉和骨骼系统中仅有方向的矢量函数，并且由于空气、骨骼和肌肉组织的导磁率是相同的，而