基于心脏刺激的强脉冲磁场刺激器的设计

　　脉冲磁场刺激的研究目前主要集中在磁场对脑电活动和神经系统的影响上·有研究表明低频脉冲磁场对抑制早期肿瘤,加速骨的愈合,减轻骨关节疼痛都有一定的效果[1-2]·国内对于电磁场的生物学效应的研究还没有突破性进展·因此,生物电工发展战略中确定脉冲功率技术在重大疾病防治中的生物效应及治疗机制的基础理论研究是一项重要任务·

　　磁场刺激对心脏影响的研究可以追溯到20世纪70年代初期[3],Irwin等人给出了脉冲磁场刺激心肌组织等效于电极刺激激活心肌组织的结论·到90年代,一些学者开始研究强脉冲磁场刺激对心脏的影响[4-5]·Yamaguchi等人以周期为1·47 ms的脉冲磁场刺激开胸狗的心脏,实验结论是引起单次期前收缩的最小阈值根据刺激线圈放置于心脏的位置而有所不同,但是没有改变率·Reilly[6]研究了能够引起心脏组织兴奋的阈值与刺激时间的曲线·但是磁场刺激对心脏的作用一直没有定论·

　　1　强脉冲磁场刺激装置的设计

　　脉冲磁场刺激器的工作原理是将交流电整流得到直流电,经过电容储能得到较高的能量,驱动放电线圈[7-8]·等效电路如图1所示·

　　L为线圈等效电感,R为线圈等效电阻·UC为交流电整流后的直流电压,C为储能电容·当开关S1闭合,S2断开时,相当于给电容充电,充电到给定的电压,S1断开,S2闭合,线圈放电,电流通过闭合线圈产生电磁场·电路框图如图2所示·磁场发生装置主要是由交流调压电路,充电储能控制电路,放电控制电路和放电线圈组成·交流调压电路包括三相交流调压器和隔离变压器·输入电压是交流380 V,三相调压器输出范围为0~380 V,隔离升压变压器额定输入380 V(空载),输出1 140 V(空载),三倍升压·通过调节调压器的输出,在隔离变压器的输出端得到最大1 140 V的交流输出电压,再经过三相整流桥得到最大约1 600 V的直流电压·

　　充电储能控制电路主要包括IGBT及其控制电路和储能电容·IGBT及其控制电路的功能为控制IGBT的开关,实现对电容的快速充电·储能电容选择60个电解电容.

　　每20个并联一组,3组串联,等效电容为6 800μF×20÷3=45 333μF,等效耐压值为450 V×3=1 350 V·每组并联一个放电电阻,反并联一个二极管,放电电阻用于放电回路故障不工作时,释放电容上的电压,电阻选择200 kΩ,因为放电电阻大,放电时间很慢,不影响放电回路正常工作·反并联二极管的主要作用是避免电解电容上出现反向电压,电压表的功能是监视充电电压值·IGBT的控制是由SG3525驱动Exb840完成的,这种无触点控制可以保证对电容快速充电,可以得到较高的工作频率·放电回路采用可控硅控制,整个系统由一片AT89C52单片机控制·