基于微控制器的极低频磁场发生装置的设计

1　引言

随着电磁技术的发展,电磁场对于人体的作用表现为两个方面,电磁场既可以导致肿瘤,也逐渐成为临床医学治疗的辅助手段之一,尤其在对于神经系统的治疗中起到了一定的辅助作用。研究表明强度5-15mT的50Hz的交变磁场能显著地提高巨噬细胞的吞噬百分率和吞噬指数[1]。频率为5, 10, 75和100Hz的交变磁场均能提高DNA合成水平[2]。磁场强度200 mT的恒定磁场有降低老龄小鼠器官组织中脂褐素含量、抵抗自由基及提高抗氧化酶活性的作用[3]。

目前国内外用于刺激细胞的磁场发生装置多是采用脉冲形式。Renéde Seze等[4]用低频方波磁场(0. 8Hz, 100mT)刺激大鼠癌细胞,发现极低频方波磁场能够抑制癌细胞的生长。也有研究人员采用其它磁场,包含稳恒磁场[5]以及低频交变正弦磁场作用生物体[6]。在这些设计中,为了得到一个准确的磁场刺激点,以改进磁场线圈的研究居多[7]。国内外的研究人员多数仅仅产生脉冲磁场刺激在体神经细胞[8]。

刺激仪用于刺激离体肿瘤细胞,为使器皿中各细胞刺激一致,应当产生有效值空间分布均匀的交变磁场,用普通环行线圈产生内部随空间分布均匀的磁场。为了研究极低频磁场对肿瘤细胞的抑制作用,本设计以极低频的交变正弦磁场为主,其次还能够产生脉冲、三角波、方波磁场。

2　硬件部分

为了深入的研究磁场对细胞离子通道门控机制的动力学模型,我们设计了一台用于产生各种波形的磁场发生装置。根据研究工作的需要,我们设计的磁场发生装置在磁场强度、频率范围、占空比、波形方面调节范围尽可能宽。因此我们提出的设计指标尽量覆盖所有文献报道的磁场指标。该磁场发生装置的研制中改进了传统的通过调节电位器来调节磁场频率、强度的方案,采用单片机指令调节数字电位器来实现强度以及频率的调节。波形也由常用的脉冲波和正弦波扩充了三角波。占空比从固定提升为可变的。为了研究细胞在极低频磁场作用下的单通道电流信号的变化特性,我们提出的磁场要求的指标如下:

频率范围: 10Hz-10Khz

强度:≥1000GS=0. 1T

占空比: 0. 1-0. 9(本文中借用“占空比”代替DutyCycle,请参照ICL8038的DataShee,t不是普通意义上的方波的占空比)

波形:正弦波、三角波、方波

磁场发生装置由电源系统、用户接口、波形产生电路、控制电路、输出电路组成。如图1所示。

2. 1　电源部分

电源由220V交流电输入,首先由100W的开关电源产生+12V/8A直流电源。考虑到电路要用到±5V电源,故采用LM7805来产生+5V电压,用DC/DC转换模块把+12V转化成-9V电

压,然后通过LM7905产生-5V电压。因DC/DC转换模块产生的电压纹波比较严重,不便于直接作为模拟电路电源,所以这里不能够用+12V转-5V的DC/DC转换模块提供-5V电压。而要采用以上方案。电路中所有电源电压都采用常规的电容进行电源滤波。