用于糖尿病并發(fā)癥研究的極低頻脈沖磁場設(shè)計與實現(xiàn)

潘 偉， 潘衛(wèi)東， 許靜靜， 孔祥陽

(1.生物電磁學(xué)北京市重點實驗室，中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

用于糖尿病并發(fā)癥研究的極低頻脈沖磁場設(shè)計與實現(xiàn)

潘 偉1,2， 潘衛(wèi)東1， 許靜靜1,2， 孔祥陽1,2

(1.生物電磁學(xué)北京市重點實驗室，中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

糖尿病作為一種終身代謝性疾病，并發(fā)癥高達(dá)一百多種。研究表明，脈沖磁場能促進(jìn)膠原纖維沉積，改善膠原纖維排列和取向，有助于糖尿病傷口愈合，能有效地促進(jìn)糖尿病患者的潰瘍靜脈愈合。為了進(jìn)一步探索脈沖磁場在糖尿病治療中的場強(qiáng)、脈沖寬度、頻率和治療時間，本文提出了一種脈沖磁場發(fā)生方案，應(yīng)用此方案設(shè)計了基于STM32單片機(jī)控制的低頻脈沖磁場發(fā)生裝置，其可以輸出0～100Hz連續(xù)可調(diào)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度100mT的脈沖磁場。利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，確定并優(yōu)化磁場產(chǎn)生線圈的結(jié)構(gòu)與尺寸。用STM32單片機(jī)對磁場進(jìn)行控制，設(shè)計出相應(yīng)的硬件及其接口，實現(xiàn)了對磁感應(yīng)強(qiáng)度的實時控制與檢測。通過選擇開關(guān)器件、設(shè)計線圈和續(xù)流回路等措施減少脈沖磁場寬度，通過對螺線管線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計，減少線圈發(fā)熱對生物實驗的影響。試驗表明，該裝置操作簡便，性能穩(wěn)定可靠，已在糖尿病并發(fā)癥治療的研究中得到應(yīng)用。

脈沖磁場； STM32； 糖尿病； 螺線管線圈

1 引言

脈沖磁場(Pulsed Electromagnetic Field， PEMF)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，過去幾十年國內(nèi)外研究人員做了大量的基礎(chǔ)和臨床研究。研究發(fā)現(xiàn)PEMF對促進(jìn)骨骼和軟骨組織損傷愈合[1]、調(diào)節(jié)微循環(huán)有顯著的生物學(xué)效應(yīng)[2,3]；對糖代謝、脂代謝和緩解疼痛等均有顯著治療效果[4]。

糖尿病是一組由多病因引起的終身性代謝性疾病，并發(fā)癥高達(dá)一百多種，長期血糖增高，導(dǎo)致大血管、微血管受損并危及心、腦、腎、周圍神經(jīng)、眼睛、足等。糖尿病引起的毛細(xì)血管之間血流量分配不均和動靜脈短路幾乎影響所有傷口的愈合[5]，并改變組織恢復(fù)[6]。關(guān)于PEMF在治療糖尿病以及糖尿病并發(fā)癥的研究還不多，而其作用機(jī)理更需要進(jìn)一步的證實[7]。國內(nèi)在糖尿病周圍神經(jīng)病變的研究中取得了較好的成果[4,5]；中國科學(xué)院電工研究所與香港理工大學(xué)康復(fù)科學(xué)中心合作，在糖尿病足的研究中也取得了突破性進(jìn)展[8]。

關(guān)于磁場的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)理，目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，只是存在一些假說，其中有跨膜離子回旋諧振假說，電動力學(xué)假說等[9-11]。而研究結(jié)果表明，PEMF能顯著改變細(xì)胞形態(tài)、DNA、RNA、蛋白質(zhì)合成、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、酶活性等，促進(jìn)膠原纖維沉積，改善膠原纖維排列和取向，有助于糖尿病傷口的愈合[12]。研究認(rèn)為，PEMF通過對蛋白和酶中過渡金屬離子的作用，影響酶的活性，進(jìn)而影響酶參與新陳代謝反應(yīng)[13]。

目前在治療糖尿病并發(fā)癥的研究中大多使用0～25Hz、2～5mT的PEMF[12]，但并未達(dá)到預(yù)期的治療效果，因此需要更寬頻率、更高場強(qiáng)的PEMF設(shè)備來進(jìn)一步尋求PEMF治療糖尿病并發(fā)癥的最佳參數(shù)，以便在臨床應(yīng)用上明確用于治療糖尿病并發(fā)癥的PEMF參數(shù)(場強(qiáng)、脈沖寬度、頻率)，處理時間以及磁場結(jié)構(gòu)。為此，本文提出了一種PEMF發(fā)生方案，應(yīng)用此方案設(shè)計了螺線管線圈結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了輸出0～100Hz連續(xù)可調(diào)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度100mT的PEMF發(fā)生系統(tǒng)。

2 PEMF發(fā)生裝置設(shè)計

PEMF發(fā)生裝置主要包括螺線管線圈、STM32控制系統(tǒng)、驅(qū)動電路與續(xù)流回路、開關(guān)直流穩(wěn)壓電源和實驗載物臺等結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)邏輯框圖如圖1所示。

圖1 PEMF系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of PEMF system

STM32控制系統(tǒng)通過驅(qū)動電路控制MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制螺線管線圈產(chǎn)生相應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率的PEMF。等效電路如圖2所示[14]。

圖2 PEMF等效電路Fig.2 Equivalent circuit of PEMF

RL串聯(lián)電路在零狀態(tài)響應(yīng)下電流i(t)為：

式中，V為RL串聯(lián)電路兩端電壓；τ為RL串聯(lián)電路時間常數(shù)，τ=L/R，其中L為電感值，R為電阻值。當(dāng)t?τ時，式(1)可近似為：

則此條件下電流i(t)值近似隨時間t線性增加[15]。

圖2中，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，螺線管線圈充電，產(chǎn)生磁場；當(dāng)導(dǎo)通時間滿足式(2)時，通過控制MOS管關(guān)斷時刻，即可控制螺線管線圈內(nèi)電流的大小，進(jìn)而控制PEMF的磁感應(yīng)強(qiáng)度；MOS管關(guān)斷后，線圈儲能通過續(xù)流回路中放電電阻快速釋放。

2.1 螺線管線圈設(shè)計

根據(jù)實驗需要，利用AutoCAD 2015設(shè)計了螺線管線圈骨架結(jié)構(gòu)并確定了尺寸?？紤]到線圈發(fā)熱可能對生物醫(yī)學(xué)實驗帶來的影響，整個骨架結(jié)構(gòu)分為兩層，外層纏繞線圈，內(nèi)層放置實驗載物臺。骨架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺線管線圈骨架結(jié)構(gòu)Fig.3 Skeletal structure of solenoid coil

螺線管線圈骨架使用環(huán)氧材料加工制成，并利用仿真軟件ANSYS Maxwell 16根據(jù)骨架結(jié)構(gòu)與尺寸對磁場進(jìn)行仿真(計算區(qū)域為螺線管線圈仿真模型體積的125倍)，確定螺線管線圈的匝數(shù)與磁場分布。螺線管線圈長20cm，內(nèi)直徑12cm，外直徑16cm，采用2mm直徑漆包線雙線繞制而成。與單線繞制相比，產(chǎn)生相同強(qiáng)度的PEFM，雙線繞制同側(cè)并聯(lián)使用可以實現(xiàn)更窄的脈沖寬度；異側(cè)并聯(lián)使用可以產(chǎn)生零磁，與同側(cè)并聯(lián)使用形成對照，驗證線圈發(fā)熱對生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)的影響。

2.2 STM32控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的硬件如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)主要由單片機(jī)及其接口電路、初始值設(shè)定(磁感應(yīng)強(qiáng)度及頻率設(shè)定)、控制輸出以及顯示部分組成[16]。該系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，用于控制開關(guān)電路，利用鍵盤輸入電路和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度和脈沖頻率以及設(shè)備運(yùn)行時間的設(shè)定值，輸出顯示采用LCD液晶顯示屏組成的顯示電路。

圖4 控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of control system

控制系統(tǒng)的控制程序如圖5所示?？刂瞥绦蛴芍鞒绦蚝椭袛喑绦蚪M成。控制系統(tǒng)上電后，等待輸入值(運(yùn)行時間、脈沖頻率和脈沖寬度等初始值)，設(shè)定可以通過鍵盤和電位器輸入；程序根據(jù)輸入值控制MOS管的開斷，同時在LCD顯示屏實時顯示PEMF運(yùn)行時間、頻率和占空比。中斷程序可以隨時改變參數(shù)的設(shè)定。

圖5 控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of control software

2.3 實驗載物臺

依據(jù)實驗對象(小鼠、大鼠、細(xì)胞等)需要，根據(jù)螺線管線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計了載物臺。載物臺包括圓筒形支撐結(jié)構(gòu)、前后擋板和載物板等結(jié)構(gòu)，由透明有機(jī)玻璃加工而成，方便對實驗對象的實時觀察，如圖6所示。圓筒型支撐容器尺寸為直徑11cm，長為20cm，為實驗對象提供實驗場所。圓筒形支撐結(jié)構(gòu)使得載物板平穩(wěn)安置在圓筒形螺線管內(nèi)，實驗對象安放在載物板上；前后擋板開孔，促進(jìn)空氣流通以降低螺線管線圈發(fā)熱對實驗對象的影響。

圖6 實驗載物臺Fig.6 Experimental object stage

2.4 驅(qū)動電路與續(xù)流回路

驅(qū)動電路如圖7所示。其中懸浮電源VB通過自舉獲得，C2為自舉電容，D2為充電二極管，D1為續(xù)流二極管[17]。INPUT端接收來自STM32送來的時序信號，當(dāng)輸入為高電平時，IR2110的VB端與HO端導(dǎo)通，通過VB和HO驅(qū)動MOS管，C2兩端電壓為VCC，MOS管上柵極通過C1的儲能來驅(qū)動，從而實現(xiàn)自舉式驅(qū)動。MOS管選用意法半導(dǎo)體公司的STY60NM50(VDSS=500V，ID=60A)；續(xù)流回路中選用功率200W電阻值為5Ω、10Ω(Bmax<60mT時)和20Ω(Bmax<40mT時)的黃金鋁殼電阻，用來探索線圈放電時間在治療糖尿病并發(fā)癥中的影響。

圖7 MOS管驅(qū)動電路Fig.7 MOS drive circuit

3 試驗結(jié)果與分析

PEMF發(fā)生裝置如圖8所示。選用無錫安耐斯公司的D40020J型號開關(guān)直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓0～400V可調(diào)，輸出電容3300μF，額定電流20A。螺線管線圈電感L=20mH，電阻R=0.5Ω，時間常數(shù)τ=L/R=40ms。取MOS管導(dǎo)通時間t≤τ/10=4ms檢測裝置是否滿足要求，并對試驗區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小進(jìn)行測量與標(biāo)定。為了驗證螺線管雙層結(jié)構(gòu)隔熱效果，對螺線管線圈表面以及載物板表面進(jìn)行了溫度測量。

圖8 PEMF發(fā)生裝置實物圖Fig.8 Photo of PEMF

3.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖6的實驗載物臺為PEMF工作區(qū)域，工作區(qū)域幾何中心為磁感應(yīng)強(qiáng)度測量點，對螺線管兩端電壓值、MOS管導(dǎo)通時間、磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值、電流峰值等進(jìn)行測量和標(biāo)定，通過對螺線管內(nèi)不同位置利用高斯計(CH-1800)多次測量求平均值，測得脈沖磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度(如表1所示)；通過示波器實時顯示高斯計所測量到的波形。

表1 磁感應(yīng)強(qiáng)度實驗數(shù)據(jù)

由表1可以看出，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時間一定時，磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值與電壓成正比；當(dāng)線圈兩端電壓一定時，磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值與導(dǎo)通時間成正比，測量值與式(2)近似的理論值相吻合。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，PEMF最大重復(fù)頻率降低，這是因為隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，高壓直流電源內(nèi)儲能電容需要更大的時間間隔進(jìn)行充電。

PEMF寬度Tw作為該設(shè)計的重要指標(biāo)參數(shù)，由脈沖上升時間和脈沖衰減時間組成。脈沖上升時間取決于MOS管開通時間Tup，脈沖衰減時間Tdown取決于螺線管線圈電感L、電阻R和續(xù)流回路中放電電阻Rd的大小。磁感應(yīng)強(qiáng)度B為20mT，Tup分別為3ms、2ms、1ms，Rp分別為10Ω、20Ω時，測得PEMF單個波形，如圖9所示?？梢钥闯觯ㄟ^控制脈沖上升時間Tup、脈沖衰減時間Tdown，可以有效地控制PEMF寬度Tw，這為探索PEMF脈沖寬度在治療糖尿病并發(fā)癥中的影響提供了方法。

圖9 PEMF波形Fig.9 Waveforms of PEMF

3.2 溫度測量

電阻發(fā)熱量與流過電流的平方成正比，與重復(fù)頻率成正比；螺線管線圈內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與流過的電流成正比。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為20mT，重復(fù)頻率f為100Hz時，系統(tǒng)發(fā)熱量最大，此條件下，在室溫24℃，開窗通風(fēng)環(huán)境中測量了線圈表面、工作區(qū)域幾何中心和放電電阻表面溫度，如圖10所示?？梢钥闯?，螺線管線圈儲能絕大部分被續(xù)流回路中放電電阻以熱量形式釋放。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時，放電電阻表面溫度不隨MOS管開通時間Tup變化而改變；螺線管線圈表面及工作區(qū)域溫度隨MOS管開通時間Tup變大而上升。

圖10 溫度變化曲線Fig.10 Temperature curves

為了減弱溫度對生物醫(yī)學(xué)實驗的影響，可以通過控制室內(nèi)溫度以及適當(dāng)通風(fēng)的方式，將工作區(qū)域內(nèi)溫度控制在實驗要求的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文提出了一種用于糖尿病并發(fā)癥研究的PEMF發(fā)生方案，并根據(jù)此方案設(shè)計首次實現(xiàn)了用于糖尿病并發(fā)癥治療的PEMF螺線管發(fā)生裝置，該裝置頻率0～100Hz，脈沖寬度、脈沖波形可調(diào)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度100mT。根據(jù)實驗對象對設(shè)備的要求，設(shè)計并制作了實驗載物臺，使用有機(jī)玻璃載物臺的設(shè)計代替了傳統(tǒng)捆綁束縛的方法，實現(xiàn)了實驗過程的實時觀察和記錄。雙層螺線管線圈骨架架構(gòu)的設(shè)計，滿足了生物醫(yī)學(xué)實驗對溫度的要求，為實驗對象提供了更科學(xué)的探索環(huán)境。通過改變MOS管導(dǎo)通時間，續(xù)流回路放電電阻阻值，實現(xiàn)了脈沖寬度和脈沖波形的控制，這為進(jìn)一步探索驗證脈沖寬度和波形對糖尿病并發(fā)癥的影響提供了基礎(chǔ)。

試驗結(jié)果表明，實驗設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，產(chǎn)生的PEMF滿足研究糖尿病并發(fā)癥治療所需要的頻率、強(qiáng)度、波形、脈沖寬度。本實驗室將使用該設(shè)備進(jìn)一步探索PEMF在糖尿病并發(fā)癥治療中的最佳參數(shù)以及作用機(jī)制。

該P(yáng)EMF發(fā)生系統(tǒng)也可用于探索PEMF在骨質(zhì)疏松、鎮(zhèn)痛、腫瘤等治療中的作用，它為進(jìn)一步了解PEMF的生物醫(yī)學(xué)效用，開展生物醫(yī)學(xué)實驗提供了基礎(chǔ)。

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Designandimplementationofanextremelylowfrequencypulsedelectromagneticfieldsystemfordiabeticcomplications

PAN Wei1，2, PAN Wei-dong1, XU Jing-jing1，2, KONG Xiang-yang1，2

(1. Beijing Key Laboratory of Bioelectromagnetics, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

As a lifelong metabolic disease, the diabetes has many complications. Studies have shown that pulsed magnetic field can promote the deposition of collagen fibers, improve the orientation and arrangement of collagen fibers, help diabetic wound healing, and take effects in promoting the healing of venous ulcers. To further explore the intensity, pulse width, frequency and duration of the extremely low frequency pulsed electromagnetic field (PEMF) for the treatment of diabetic complications, a new scheme was proposed in this study. Following the scheme, the low frequency pulsed electromagnetic field with the intensity from 0 to 100mT and the frequency from 0 to 100Hz was designed based on the STM32 microcontroller technology. The ANSYS software was used to analyze the magnetic field distribution of the coil to optimize the structure. As the core component, the STM32 MCU implements real-time measurements and control of production process. The pulse width was shortened by choosing switching devices and optimizing coils and commutating circuits．The temperature rise with coils was restricted by optimizing the structure of coils. The test experiments showed that the new pattern of PEMF was easy to use with stable and reliable performance, providing an effectively assistant approach for the treatment of diabetic complications.

PEMF; STM32; diabetes mellitus; solenoid coil

2016-09-09

國家自然科學(xué)基金項目(31670855)

潘 偉(1990-), 男, 山東籍, 碩士研究生, 研究方向為電磁檢測技術(shù)；潘衛(wèi)東(1967-)， 男， 安徽籍， 副研究員， 博士， 研究方向為電磁場效應(yīng)及磁感受物理機(jī)制。

10.12067/ATEEE1609021

1003-3076(2017)12-0065-06

TM153