0 引言

    電磁場(chǎng)技術(shù)與生物,、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的交叉應(yīng)用使磁場(chǎng)的生物效應(yīng)越來越受到重視，特別是隨著低頻脈沖電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)機(jī)理的深入研究^[1],，使得低頻脈沖磁場(chǎng)在未來的應(yīng)用中具有廣闊的前景,。研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)通過不同的機(jī)理可使分子細(xì)胞,、組織器官甚至整個(gè)機(jī)體發(fā)生形態(tài)和功能的改變，如對(duì)心肌細(xì)胞的影響^[2],、對(duì)成骨細(xì)胞增殖與分化的影響^[3]以及對(duì)骨質(zhì)疏松的生物效應(yīng)等^[4],。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)溫?zé)岷?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/振動(dòng)" title="振動(dòng)" target="_blank">振動(dòng)對(duì)生物體也有積極作用^[5，6],。

    電磁場(chǎng)的頻率,、占空比、強(qiáng)度以及作用時(shí)間對(duì)生物體的影響存在“窗口”效應(yīng),，為進(jìn)一步研究脈沖磁場(chǎng),、振動(dòng)、溫度的生物效應(yīng),，需要參數(shù)方便調(diào)節(jié)的磁振熱系統(tǒng),。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上較多為單一脈沖磁場(chǎng)發(fā)生儀,，且參數(shù)較固定,，為實(shí)驗(yàn)研究帶來一定的不便。本文在參考文獻(xiàn)[7-9]已取得一定成果的基礎(chǔ)上,，研究提出了一種磁場(chǎng),、振動(dòng)、溫度等各項(xiàng)參數(shù)均可獨(dú)立調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案,，并完成磁振熱系統(tǒng)的研制和測(cè)試,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    磁振熱系統(tǒng)以DSP為控制核心，結(jié)合運(yùn)算放大器,、功率放大器,、溫度傳感器、線圈,、微型振動(dòng)電機(jī),、遠(yuǎn)紅外加熱膜及相應(yīng)外圍電路構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊： DSP控制模塊,、電流驅(qū)動(dòng)模塊,、電源模塊、觸摸顯示屏以及輸出頭,，如圖1所示,。

    系統(tǒng)工作原理：DSP控制模塊根據(jù)觸摸顯示屏設(shè)定的脈沖參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)脈沖波，脈沖波經(jīng)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)后進(jìn)入電流驅(qū)動(dòng)電路,，驅(qū)動(dòng)輸出治療頭中的線圈和振動(dòng)電機(jī),，產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)和振動(dòng)。同時(shí)，DSP控制模塊通過反饋電路實(shí)時(shí)采集治療頭中線圈,、振動(dòng)電機(jī)的電流,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將電流值作為磁感應(yīng)強(qiáng)度和振動(dòng)幅度的參考，再通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器達(dá)到控制磁感應(yīng)強(qiáng)度和振動(dòng)幅度的目的,。治療頭中溫度傳感器將采集的加熱膜溫度傳送到DSP,，DSP根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溫度值來控制加熱膜的工作。觸摸屏一方面顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù),，如脈沖磁場(chǎng)頻率,、磁感應(yīng)強(qiáng)度、振動(dòng)幅度,、溫度等,，方便觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；另一方面將接收到的操作命令發(fā)送到DSP控制模塊,，控制系統(tǒng)按照設(shè)定的參數(shù)工作,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP控制模塊設(shè)計(jì)

    DSP控制模塊組成如圖2所示,，控制模塊選用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335為主控制器,。該器件具有精度高、成本低,、功耗小,、性能高、外設(shè)集成度高,、存儲(chǔ)量大,、A/D轉(zhuǎn)換精度高等優(yōu)點(diǎn)。特別是這款芯片具有6 路高精度的脈沖寬度調(diào)制模塊,，利用它能夠產(chǎn)生精確的脈沖波,。

    數(shù)字電位器選用ISL90840，它具有4個(gè)通道,，每個(gè)通道的可調(diào)級(jí)數(shù)均為256級(jí),，能夠滿足控制磁感應(yīng)強(qiáng)度和振動(dòng)幅度的精度需要。ISL90840通過I²C接口與DSP連接,，DSP通過相應(yīng)時(shí)序?qū)懭肟刂浦?，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器阻值，改變脈沖波幅值,，從而改變磁感應(yīng)強(qiáng)度值和振動(dòng)幅度值,。DSP控制模塊還包括A/D轉(zhuǎn)換、溫度采集,、數(shù)據(jù)保存及異常報(bào)警電路等,。

2.2 電流驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

    電流驅(qū)動(dòng)模塊的主要作用是將脈沖波電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電流，驅(qū)動(dòng)線圈和微型振動(dòng)電機(jī),。電路主要包括前級(jí)放大電路,、壓控恒流源電路及電流采樣電路,。模塊中一路驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示，前級(jí)放大采用運(yùn)算放大器OP07芯片（圖3中的U13）,，它是一種低噪聲,、低輸入失調(diào)電壓、高增益的運(yùn)算放大器,。前級(jí)放大可以提高恒流源電路的電流輸出能力,，并且能夠抑制輸出大電流對(duì)DSP的影響，起到隔離保護(hù)作用,。

    壓控恒流源電路主要由功率放大器OPA549（圖3中的U14）構(gòu)成,，它能輸出高電壓、大電流,，且具有極好的低電平信號(hào)精度,。同時(shí)該放大器還具有使能控制、輸出限流控制和過熱保護(hù)等功能,，可以驅(qū)動(dòng)電機(jī),、線圈等大電流感性負(fù)載。電路中將OPA549設(shè)計(jì)為電壓控制電流電路,，在一定范圍內(nèi),，輸入的電壓越大，電路輸出電流就越大,。因此,，通過控制前級(jí)放大輸入電壓來控制輸出電流的大小^[10]，其簡(jiǎn)化后計(jì)算公式如下：

    通過合理選取R73,、R70,、R_s8的阻值，可使輸出電流I=A3(A3為功率放大器輸入電壓),。采樣反饋電路由精密采樣電阻R_s9和放大電路組成(圖3中的U15部分),，采集的電壓經(jīng)OP07放大后送到DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過處理后得到流過負(fù)載的實(shí)際電流值,。

2.3 輸出頭

    輸出頭是產(chǎn)生磁場(chǎng),、振動(dòng)和加熱的關(guān)鍵部件，它由線圈,、微型振動(dòng)電機(jī),、加熱膜及溫度傳感器組成。為使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到需要的強(qiáng)度,，兼顧線圈的發(fā)熱和電感,，經(jīng)過理論計(jì)算、仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，完成線圈的設(shè)計(jì),。加熱膜是通過紅外線輻射進(jìn)行傳熱的器件,，它的溫度值由數(shù)字溫度傳感器DS18B20獲取。為減少治療頭中的連接線纜,，多個(gè)DS18B20采用單總線連接方式,，通過匹配傳感器內(nèi)部的序列號(hào)獲取相應(yīng)的溫度值。

3 軟件設(shè)計(jì)

    軟件完成的主要功能有脈沖波的產(chǎn)生及頻率與占空比的調(diào)節(jié),、數(shù)字電位器控制,、功率放大器控制、磁場(chǎng)線圈電流和振動(dòng)電機(jī)電流采樣處理,、溫度采集控制,、觸摸屏控制操作等。通過可靠的軟件設(shè)計(jì)確保系統(tǒng)正常,、穩(wěn)定地運(yùn)行,。本文重點(diǎn)介紹磁感應(yīng)強(qiáng)度的控制，由于確定線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中通過的電流具有密切關(guān)系,，因此通過控制線圈電流達(dá)到控制磁感應(yīng)強(qiáng)度的目的,。利用比例-積分-微分(Proportion-Integration-Differentiation，PID)控制算法,，將偏差的比例,、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量,，對(duì)線圈電流進(jìn)行控制,。由于本系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)采樣控制系統(tǒng)，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量,，因此采用數(shù)字PID控制算法,。

式中，u(k)為第k次采樣時(shí)刻的控制輸出值,，K_P,、K_I、K_D為比例系數(shù),，k為采樣時(shí)刻,， e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值,。根據(jù)遞推原理可得：

    用式(2)減式(3),，可得：

式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)。式(4)稱為增量式PID控制算法,。由此,，根據(jù)不同控制系統(tǒng)的特性確定K_P、K_I、K_D的值,，再使用前后3次測(cè)量值的差可求出控制增量,，并送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終完成控制^[11],。

    磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)字PID控制過程如圖4所示,。程序?qū)⒃O(shè)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電流值，再根據(jù)輸出電流值與數(shù)字電位器控制值的關(guān)系得到電位器控制值,，并將此值寫入數(shù)字電位器改變電位器阻值,，控制脈沖波的幅度值，該脈沖波通過電流驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),。同時(shí),，程序通過不斷采樣處理獲得線圈實(shí)際電流值，根據(jù)線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系得到實(shí)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度值,，再運(yùn)用PID算法控制磁感應(yīng)強(qiáng)度值,，使線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度值達(dá)到設(shè)定值范圍內(nèi)。

4 磁感應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)定

    脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度的主要測(cè)量方法有磁光效應(yīng)法和電磁感應(yīng)法,。電磁感應(yīng)法測(cè)試原理如下：通過繞制匝數(shù)N,、截面積S的探測(cè)線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,，在探測(cè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

    為求出磁感應(yīng)強(qiáng)度, 需要對(duì)探測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E(t)進(jìn)行積分,。為計(jì)算方便，采用自感自積分法進(jìn)行分析,，其簡(jiǎn)化的計(jì)算公式為：

式中：L為探測(cè)線圈的電感,，R₁為探測(cè)線圈阻值，U(t)為測(cè)量電壓值^[12],。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn),，采用如下標(biāo)定方法：首先在線圈中通入直流，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng),；然后使用高斯計(jì)測(cè)量參考點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度,，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

    表1中電流值I是實(shí)際流過線圈的電流值,，比例系數(shù)ρ是磁感應(yīng)強(qiáng)度值與電流值的比（此時(shí)電流值單位為A）,。計(jì)算表中平均比例系數(shù)值為δ=33.9，誤差比例系數(shù)值θ=（ρ-δ）/δ,。由表1可知,，該線圈在參考點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈的電流成正比。因此,，可以用線圈電流乘以比例系數(shù)δ,，得到線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,。同理，通過測(cè)量線圈的脈沖電流,，并乘以比例系數(shù)δ就得到參考點(diǎn)的脈沖磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度值,。為進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果，在線圈中通入脈沖電流,，并將繞制的探測(cè)線圈垂直放入線圈參考點(diǎn),，根據(jù)式(6)計(jì)算脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度值，得到的結(jié)果與脈沖電流乘比例系數(shù)結(jié)果相吻合,。

5 測(cè)試結(jié)果

    磁振熱系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)的范圍如表2所示,。其中磁場(chǎng)脈沖頻率范圍為1~35 Hz連續(xù)可調(diào)，占空比10%~90%,。脈沖磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度值為參考點(diǎn)處測(cè)量值,，范圍為0~40 mT。溫度設(shè)置范圍為室溫~60 ℃,，顯示溫度精度為0.1 ℃,。振動(dòng)脈沖頻率為1~99 Hz，占空比固定為50%,。

    選定其中一組參數(shù)：磁場(chǎng)脈沖頻率10 Hz,、占空比50%、磁感應(yīng)強(qiáng)度30 mT,、振動(dòng)脈沖頻率20 Hz,、占空比50%、振動(dòng)幅度3 mm,、設(shè)置溫度45 ℃,。系統(tǒng)開始工作后，磁感應(yīng)強(qiáng)度值,、振動(dòng)幅度值和溫度值逐漸增加,，到達(dá)設(shè)定值后在小范圍內(nèi)波動(dòng)。分別利用示波器,、探測(cè)線圈、振動(dòng)測(cè)試儀,、溫度計(jì)測(cè)試參數(shù),，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度控制曲線如圖5所示。圖6上半部分為電流驅(qū)動(dòng)模塊上前級(jí)放大輸入時(shí)的10 Hz脈沖波形,，下半部分為通過線圈的實(shí)際脈沖波形,。

6 結(jié)論

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn),，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）體積小,，操作方便,，工作穩(wěn)定，具有完善的異常檢測(cè)和保護(hù)功能,；（2）采用DSP能夠產(chǎn)生高精度,、參數(shù)方便調(diào)節(jié)的脈沖波；（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度,、振動(dòng)幅度采用PID控制算法,，控制效果良好；（4）磁場(chǎng)脈沖頻率,、占空比,、磁感應(yīng)強(qiáng)度、振動(dòng)幅度,、溫度及工作時(shí)間等參數(shù)方便設(shè)置,，磁場(chǎng)、振動(dòng),、加熱3種功能可根據(jù)需要單獨(dú)或者組合使用,。但在測(cè)試過程中也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，如振動(dòng)脈沖頻率與期望產(chǎn)生的振動(dòng)頻率并沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,，這是下一步工作需要完善的地方,。磁振熱系統(tǒng)將磁場(chǎng)、振動(dòng)和溫?zé)?種物理因子結(jié)合起來,，實(shí)現(xiàn)三者參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)使用的功能,，為臨床上進(jìn)一步研究不同參數(shù)的脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生的生物效應(yīng)，以及在一定溫度及振動(dòng)強(qiáng)度共同作用下產(chǎn)生的影響提供技術(shù)參考,。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅二平.低強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)生物效應(yīng)機(jī)理研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),，2005.

[2] 張正勛.低頻脈沖磁場(chǎng)調(diào)節(jié)NO：ONOO~-對(duì)缺氧復(fù)氧條件下心肌細(xì)胞的影響[D].西安：第四軍醫(yī)大學(xué)，2013.

[3] 屈學(xué)民,，文峻,，張建保，等.極低頻多波形電磁場(chǎng)發(fā)生儀的研制與應(yīng)用研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,，2009,，26(1)：173-176.

[4] 關(guān)志成，楊小衛(wèi),，王黎明,，等.脈沖電磁場(chǎng)對(duì)骨質(zhì)疏松的生物效應(yīng)[J].高電壓技術(shù)，2007,，33(2)：1-6.

[5] TAKAHASHI K A,，TONOMURA H，ARAI Y,，et al.Hyperthermia for the treatment of articular cartilage with osteoarthritis[J].International Journal of Hyperthermia,，2009,，25(8)：661-667.

[6] RUBIN C，POPE M,，F(xiàn)RITTON J C,，et al.Transmissibility of 15-hertz to 35-hertz vibrations to the human hip and lumbar spine: determining the physiologic feasibility of delivering low-level anabolic mechanical stimuli to skeletal regions at greatest risk of fracture because of osteoporosis[J].Spine，2003,，28(23)：2621-2627.

[7] 夏璐,，何成奇.低頻脈沖電磁場(chǎng)治療原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J].Arch Gerontol Geriatr，2004,，38(1)：11-26.

[8] 何成奇,，王樸.骨關(guān)節(jié)炎與骨質(zhì)疏松的關(guān)系及物理治療中的熱點(diǎn)與爭(zhēng)議[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2014(1)：025.

[9] 王正興.電場(chǎng)與磁場(chǎng)復(fù)合療法對(duì)骨質(zhì)疏松治療的初步研究[D].重慶：重慶大學(xué),，2014.

[10] 秦玲,，賴青貴，張良,，等.基于運(yùn)算放大器的壓控恒流源[J].強(qiáng)激光與粒子束,，2010，22(3)：553-556.

[11] 白鴿,，孟楷,，李曉林.PID精確溫度控制算法研究[J].電光系統(tǒng)，2013(4)：20-23.

[12] 任曉明,，傅正財(cái),，黃曉虹，等.脈沖磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研制和標(biāo)定[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),，2010(7)：980-983.