立體正交磁場治療儀的研制

于學(xué)龍 郈秀菊 李紅梅 張素文 李俊起 山東省藥學(xué)科學(xué)院 （山東 濟(jì)南 250101）

內(nèi)容提要： 該文介紹了一種磁場治療儀，包括處于正交關(guān)系的靜磁場與頻率、強(qiáng)度可調(diào)的動(dòng)磁場。以圓筒體中段外壁貼附磁力線處于正交方向的磁片和磁棒，圓筒體兩端設(shè)置兩組線圈為動(dòng)磁場發(fā)生器，線圈上施加頻率和大小可調(diào)的正弦波電流以產(chǎn)生頻率和強(qiáng)度可調(diào)的動(dòng)磁場。該磁場治療儀的性能較好，動(dòng)磁場的頻率和強(qiáng)度穩(wěn)定可調(diào)。該儀器在磁力線正交的靜磁場里，施加頻率和強(qiáng)度可調(diào)的動(dòng)磁場，為磁療技術(shù)在臨床上的應(yīng)用提供了一種新方法。

磁療在臨床中廣泛應(yīng)用于鎮(zhèn)痛、抗癌、骨損傷、精神性疾病、中風(fēng)、面癱等疾病的治療[1]。目前使用磁療的方法主要有四種：靜磁場、旋轉(zhuǎn)磁場、動(dòng)磁場、靜磁與動(dòng)磁結(jié)合。靜磁場是指磁場強(qiáng)度的大小和方向不隨時(shí)間變化的磁場，旋轉(zhuǎn)磁場是指永磁材料隨運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的磁場，動(dòng)磁場是指磁場強(qiáng)度的大小和方向隨時(shí)間變化的磁場。線圈中通入變化的電流則產(chǎn)生動(dòng)磁場，動(dòng)磁場還涉及頻率和波形等參數(shù)[2,3]。

本文在總結(jié)現(xiàn)有的各種磁療技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用靜磁與動(dòng)磁結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種立體正交磁場治療儀。該磁場治療儀由兩組磁力線方向相互垂直（正交）的磁性材料組成靜磁場，在靜磁場的兩端設(shè)置兩組線圈（線圈內(nèi)通以正弦波形電流）產(chǎn)生動(dòng)磁場。相互正交的靜磁場與動(dòng)磁場同時(shí)作用于患者病灶處，靜磁場對(duì)組織內(nèi)的離子起到定向的推力作用，動(dòng)磁場促使離子產(chǎn)生振動(dòng)作用，更好地促進(jìn)組織內(nèi)部微循環(huán)，尤其是加快了各種無機(jī)鹽離子的運(yùn)動(dòng)速度，可以提高治療效果。

1.整體設(shè)計(jì)

磁療儀主要由治療探頭、電磁場控制電路、軟件組成，其中治療探頭由磁片、磁棒、線圈和圓筒體組成。

1.1 治療探頭

治療探頭是本儀器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)決定了治療效果。治療探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圓筒形殼體、磁片、磁棒、線圈組成。磁片與磁棒貼附在圓筒外壁，磁片兩個(gè)一組，磁棒一個(gè)為一組。磁片的組數(shù)與磁棒的個(gè)數(shù)相等，依次交替、間隔分布，便于治療探頭所處空間的靜磁場盡可能地均勻分布。磁片和磁棒組成的靜磁場，其磁力線的分布如圖2所示。磁片的磁力線與圓筒的徑向一致，N極向外、S極向內(nèi)；磁棒的磁力線方向與圓筒的軸向一致，N極向上、S極向下，二者保持相互正交的方向。

圖1. 治療頭結(jié)構(gòu)圖

圖2. 磁片、磁棒關(guān)系圖

兩組線圈分別設(shè)置于圓筒上下兩端，其線圈匝數(shù)相同且同名端一致，即兩組線圈產(chǎn)生的磁力線方向一致。線圈內(nèi)通以正弦波交流電，可產(chǎn)生方向交變的動(dòng)磁場。根據(jù)電磁學(xué)原理線圈通入交流電流產(chǎn)生交變的磁場，交變磁場的頻率等于電流的頻率[4]。通電線圈產(chǎn)生的磁力線平行于線圈的中軸線，其方向符合右手定律，每組線圈產(chǎn)生磁場的強(qiáng)度為（見公式（1））：

式中：B——電磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：特斯拉（T）；N——線圈匝數(shù)；μ——空氣磁導(dǎo)率（μ=4π×10-7）；I——線圈內(nèi)電流強(qiáng)度，單位：安培（A）；l——線圈的長度，單位：米（m）。

由公式（1）可知，線圈產(chǎn)生磁場的強(qiáng)度與線圈匝數(shù)和電流的乘積成正比，而與線圈長度成反比，因此在線圈尺寸確定以后，增大電流可以獲得較大的磁場強(qiáng)度。

線圈產(chǎn)生的動(dòng)磁場也要實(shí)現(xiàn)均勻分布以提高線圈外部和內(nèi)部磁場的均勻性，可以通過增加線圈的個(gè)數(shù)和調(diào)整線圈之間的距離來實(shí)現(xiàn)[5]。本設(shè)計(jì)考慮到治療探頭的體積、磁場強(qiáng)度等因素，治療探頭內(nèi)部動(dòng)磁場強(qiáng)度是均勻的即可，因此采用兩組線圈分別置于治療探頭圓筒兩端的方案。

1.2 電磁場控制電路

本磁場治療儀采用單片機(jī)STC12C5410AD作為主控制器，通過正弦波發(fā)生器ML2036把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦波，其決定輸出電流波形的頻率。由數(shù)字電位器AD2562把正弦波信號(hào)幅度進(jìn)行分級(jí)，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，經(jīng)放大器OPA549進(jìn)行放大（放大倍數(shù)固定），輸出正弦波電流驅(qū)動(dòng)電磁線圈產(chǎn)生動(dòng)磁場[6-9]。其原理框圖見圖3所示。

圖3. 原理框圖

一臺(tái)磁場治療儀可同時(shí)控制兩個(gè)治療探頭，每個(gè)治療探頭的參數(shù)可獨(dú)立設(shè)置，其電路圖見圖4，圖中只顯示出一個(gè)治療探頭的驅(qū)動(dòng)電路。STC12C5410AD可通過串行口TXD和RXD線與觸摸屏連接，通過P1.7、P1.6向ML2036、AD2562發(fā)送數(shù)字信息，通過P1.5、P1.4分別控制ML2036、AD2562的運(yùn)行。

圖4. 正弦波發(fā)生器電路

ML2036需外接晶體振蕩器（圖4中的X2），其串行接口由一個(gè)移位寄存器和一個(gè)鎖存器組成，數(shù)據(jù)線SID上的16位（D15～D0）數(shù)據(jù)字在串行移位時(shí)鐘信號(hào)SCK上升沿進(jìn)入16位移位寄存器，數(shù)據(jù)在LATI下降沿鎖存。其輸出頻率見公式（2）。

AD2562的作用是把正弦波的幅度分為256等分進(jìn)行輸出。高電壓大電流運(yùn)算放大器OPA549的輸出電流可以達(dá)到8A，圖4所示電路，其輸出電壓為：Vout=Vi×（1+R3/R4）。綜上所述，單片機(jī)STC12C5410AD通過ML2036可以輸出頻率可調(diào)的正弦波電壓，通過AD2562控制輸出電流幅度的大小，產(chǎn)生頻率和幅度都可調(diào)的過零正弦波電流信號(hào)，施加于線圈可以產(chǎn)生頻率和強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)的動(dòng)磁場。

1.3 軟件控制系統(tǒng)

由于靜磁場（磁片、磁棒）的磁場強(qiáng)度是固定不變的，系統(tǒng)只對(duì)動(dòng)磁場進(jìn)行控制，動(dòng)磁場的控制參數(shù)有三個(gè)：磁場頻率、磁場強(qiáng)度（電壓）、治療時(shí)間，所以軟件也只對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)的軟件控制框見圖5所示。開機(jī)以后，系統(tǒng)初始化，顯示默認(rèn)的治療參數(shù)。治療開始前用戶可以對(duì)頻率、電流、時(shí)間參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在觸摸屏上按壓“治療”鍵以后，系統(tǒng)按照設(shè)定的頻率、電流控制線圈產(chǎn)生預(yù)期的動(dòng)磁場，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)結(jié)束治療過程。

圖5. 軟件流程框圖

2.性能測(cè)試

本磁場治療儀的功能指標(biāo)主要有二項(xiàng)：磁場強(qiáng)度和動(dòng)磁場頻率，其中靜磁場的強(qiáng)度由磁片和磁棒以及其空間布局決定的，動(dòng)磁場的強(qiáng)度和頻率是可以調(diào)節(jié)的。使用特斯拉計(jì)來測(cè)量固定點(diǎn)（圖1中A點(diǎn)處）磁場強(qiáng)度，使用示波器測(cè)量線圈兩端點(diǎn)之間的電壓波形的頻率來確定動(dòng)磁場的頻率。通過三次設(shè)置不同頻率和電流強(qiáng)度，測(cè)量得的結(jié)果見表1，結(jié)果的穩(wěn)定性符合預(yù)期要求。

表1. 三種不同頻率與電流強(qiáng)度下磁場強(qiáng)度和動(dòng)磁場頻率測(cè)試結(jié)果

3.小結(jié)

本磁場治療儀采用單片機(jī)控制正弦波發(fā)生器專用集成電路產(chǎn)生正弦波電流，通過線圈產(chǎn)生動(dòng)磁場，配合永磁材料的磁片和磁棒，實(shí)現(xiàn)了一種立體正交磁場治療方式，其中動(dòng)磁場的頻率和強(qiáng)度可以適當(dāng)調(diào)整。儀器具有操作方便、電路結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定可靠，可用于各種中低頻和中低強(qiáng)度磁場的生物學(xué)研究和臨床治療。