CXLY-Ⅱ型低频脉冲磁场发生仪的研制
作者：席晓莉 魏 明 文 峻 王斯刚
单位：席晓莉 文 峻 王斯刚(西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048)；魏 明(解放军军械工程学院 静电技术研究所，石家庄 050003)
关键词：脉冲磁场；频率；生物效应
生物医学工程学杂志990313 摘要 介绍了我们研制的低频脉冲磁场发生仪。该磁场发生仪可输出频率0～100 Hz，磁感应强度150～800 mT连续可调的脉冲磁场，频率和强度值均采用数码显示。使用表明，该仪器操作方便、性能可靠，可长时间稳定运行，已在本教研室电磁场生物效应的科研实验中得到广泛应用。
Design of CXLY-Ⅱ Low Frequency Magnetic Fields Pulse Generator
Xi Xiaoli1 Wei Ming2 Wen Jun1 Wang Sigang1
, http://www.100md.com
1 (School of Automation and Information Engineering， Xi'an University of Technology, Xi'an 710048)
Abstract An experimental device, low frequency magnetic fields pulse generator, has been designed and accomplished in our department. It can provide low frequency magnetic fields pulse with the intensity from 150mT to 800mT and the frequency from 0 to 100Hz. This device is easy to operate and performs reliably. It can stably work for a long time and has been successful used in the experiment of magnetic biological effect.
, http://www.100md.com
Key words Magnetic fields Frequency Biological effect
1 前 言
随着现代科技的迅猛发展，人类所处的生存环境被越来越复杂的电磁场所充斥，对电磁场生物效应的研究已日益受到重视，而低频场的非热效应一直是该领域的研究重点[1，2]。本教研室对低频脉冲场生物效应的研究已进行多年，积累了丰富经验，研制出可产生强度变化范围0.1～2 T的低频强脉冲磁场发生器[3]，但该仪器频率极低，很难满足连续辐照的实验要求，为了对低频脉冲磁场不同频率及强度长时间辐照的生物效应进行研究，我们研制了CXLY-Ⅱ型脉冲磁场发生仪，该仪器可产生频率0～100 Hz，磁场强度150～800 mT连续可调的脉冲磁场，可长时间工作，磁场作用区(85 mm×40 mm×25 mm)可放入小鼠、细胞培养板、细菌培养皿等多种体积形状的物体，可用于研究磁场对动物、细胞、细菌等多种生物体作用的效应。
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2 脉冲磁场发生仪的组成及工作原理
该仪器主要由线性伏频转换电路(VFC)即解发信号发生器、Vmos开关管、大功率直流源、自感线圈、采样保持电路、数码显示及±15V、5V电源等部分电路组成。仪器原理框图见图1。
图1 仪器原理框图
Fig 1 Block diagram of instrument
VFC线性电压频率转换电路，由一个差分输入的积分电路和一个555组成的单稳触发延时电路组成[4]，通过调节差分输入电压调节频率，调节单稳延时时间调节占空比，产生频率及占空比均可调的方波信号通过触发Vmos管的通断控制流经自感线圈电流的通断，由于自感线圈产生的磁脉冲的频率及脉宽与触发信号的相同，故可通过调节触发信号的频率及占空比来调节磁脉冲的频率及占空比，磁脉冲的强度与流过其线圈的电流成正比，故可通过调节电位器W的阻值大小来调节电流大小进而调节磁场强度。通过测量串联其上的电阻R的电压来测定流经线圈的电流进而确定其场强，Vmos管为一大功率场效应开关管，导通时最大可流过40 A的电流，使用方便运行稳定。
, 百拇医药
3 采样—保持电路
由于流经磁感应线圈的电流与其产生的磁感应强度近似成正比，我们将通过测量其电流值进而求出磁感应强度，由于流经电路的电流值是随时间周期性不停变化，很难测得一个固定数值，故采用采样—保持电路，由触发Vmos开关管的信号同时触发采样保持电路使其采样并保持，采样的电压送模数转化并显示。我们采用的是LF398单片集成采样—保持芯片及电路[5]，由于采样存在一定的延时，故采样值将始终和触发后某固定时刻的电流值相对应，从而保持显示值恒定，并与磁感应强度相对应。
4 数模转换及数码显示电路
数模(A/D)转换采用
位A/D转换集成芯片ICL7107，该芯片为40脚双列直插式封装，最高转换速度为15次/s，线性误差为±1计数，5 V单电源供电，输入电压范围为±2 V，静态七段码输出，可直接驱动LED或LCD显示器，有自较零、自动极性转换功能，该芯片外部接线简单，使用方便。显示部分采用七段数码显示。
, 百拇医药
5 磁感应线圈的设计
为了能使流过磁感应线圈的电流产生尽可能强的磁场，自感线圈的设计是至关重要的，铁芯的加入会成千倍地增加线圈所产生的磁场。我们采用如图2所示的线圈装置，线圈绕于框形铁芯的一边，在另一边开一小缺口，该缺口即为磁场作用区，缺口的尺寸直接影响其中的磁感应强度大小，缺口越小，磁场越强。因此该缺口的设计以能放入被辐照物的尽可能小的体积为原则，实际设计尺寸为85 mm×40 mm×25 mm。设计线圈总匝数为250，线圈长度为7 cm，导线直径D=3 mm，当I=20A时，显示值为200，理论计算Bmax为0.898 T。
图2 自感线圈示意图
Fig 2 Diagrammatic sketch of self-induction coil
, 百拇医药
6 磁感应强度的标定
参照Barker使用的方法[6]对磁感应强度进行标定。将一探测线圈放置在待测处，探测线圈的输出电压为V=NAdB/dt；式中A为线圈面积，N为线圈匝数，磁感应强度的幅值Bmax可由探测线圈的输出电压积分求得：
用记忆示波器记录探测线圈的电压波形，并计算波形面积，即可求出最大磁感应强度。图3为磁感应强度标定曲线。当显示值为200时，标定的Bmax为0.75 T，比理论计算的0.898 T小20%左右，这与探测线圈的大小及理论计算中的近似有关。
图3 显示值与标定Bmax的对应曲线
, http://www.100md.com Fig 3 The corresponding curve of indication value and calibrated Bmax
7 讨 论
该脉冲磁场发生仪，采用独特的自感应线圈设计，能在流经电流不大的情况下产生150～800 mT的强磁场，由于电源输出功率较小，故可长时间稳定运行。在脉冲频率调节中，使用了线性电压频率转换电路(VFC)，通过调节电阻分压大小调节频率，并显示频率，使电路结构简单，线性调节范围增宽。在强度显示中，为了克服由于电流的变化而引起的采样及显示困难，我们使用了采样保持电路，并采用触发电路开关的脉冲信号同时触发采样，保证了采样点与磁场强度的一致性，使该问题得到圆满解决。在显示电路中，我们把采样得到的代表频率和强度的电压信号值经选择送模数(A/D)转换并数码显示。该仪器经长时间的实验使用表明，其性能稳定，使用方便，对上述各问题的解决是成功的。
8 应 用
, 百拇医药
采用该磁场仪，选择脉冲频率20 Hz，强度分别为0.25、0.34、0.64 T三种不同强度的脉冲磁场对小鼠进行40 min全身辐照，对照组进行40 min假辐照。对处理后的小鼠的学习记忆行为及其血液的自由基和血液流变特性进行测量。结果表明：辐照强度0.25 T组与对照组的学习记忆能力[7]、自由基特性及血液流变学特性均无显著差别；0.34 T强度辐照组的小鼠学习记忆能力明显强于对照组，其SOD比活性、MDA均比对照组显著下降，血液流变学特性除压积增加外，其余无改变；0.64 T强度的磁辐照组小鼠的学习记忆能力明显低于对照组，血液的自由基和血液流变学特性无显著改变。
9 结 论
低频脉冲磁场对小鼠的学习记忆以及其血液的自由基和流变学特性的影响随磁场强度的不同而不同，可能存在“窗口”效应区。
参考文献
, http://www.100md.com
1 Tenforde TS. Biological interactions and potential health effects of extremely-low-frequency magnetic fields from power lines and other common sources. Annu Rev Public Health, 1992; 13(2)∶173
2 Adari RK. Effects of ELF magnetic feilds on biological magnetite. Bioelectromagnetics, 1993; 14(1)∶1
3 文 峻，王作人，杨春智等.多用低频脉冲磁场发生仪的研制.中国医学物理学杂志，1995；12(2)∶57
4 陈永甫主编.555集成电路应用800例.北京：电子工业出版社，1992∶39-40
5 李华主编.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1993∶313-316
6 Barker AT. Design of clinical electromagnetic bone stimulator. Clin Physiol means, 1981; 2(1)∶57
7 席晓莉，文 峻，王斯刚等.极低频脉冲磁场对小鼠学习记忆能力的影响.第四军医大学学报，1998；19(2)∶166
(收稿：1998-03-03 修回：1998-07-07), http://www.100md.com
单位：席晓莉 文 峻 王斯刚(西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048)；魏 明(解放军军械工程学院 静电技术研究所，石家庄 050003)
关键词：脉冲磁场；频率；生物效应
生物医学工程学杂志990313 摘要 介绍了我们研制的低频脉冲磁场发生仪。该磁场发生仪可输出频率0～100 Hz，磁感应强度150～800 mT连续可调的脉冲磁场，频率和强度值均采用数码显示。使用表明，该仪器操作方便、性能可靠，可长时间稳定运行，已在本教研室电磁场生物效应的科研实验中得到广泛应用。
Design of CXLY-Ⅱ Low Frequency Magnetic Fields Pulse Generator
Xi Xiaoli1 Wei Ming2 Wen Jun1 Wang Sigang1
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1 (School of Automation and Information Engineering， Xi'an University of Technology, Xi'an 710048)
Abstract An experimental device, low frequency magnetic fields pulse generator, has been designed and accomplished in our department. It can provide low frequency magnetic fields pulse with the intensity from 150mT to 800mT and the frequency from 0 to 100Hz. This device is easy to operate and performs reliably. It can stably work for a long time and has been successful used in the experiment of magnetic biological effect.
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Key words Magnetic fields Frequency Biological effect
1 前 言
随着现代科技的迅猛发展，人类所处的生存环境被越来越复杂的电磁场所充斥，对电磁场生物效应的研究已日益受到重视，而低频场的非热效应一直是该领域的研究重点[1，2]。本教研室对低频脉冲场生物效应的研究已进行多年，积累了丰富经验，研制出可产生强度变化范围0.1～2 T的低频强脉冲磁场发生器[3]，但该仪器频率极低，很难满足连续辐照的实验要求，为了对低频脉冲磁场不同频率及强度长时间辐照的生物效应进行研究，我们研制了CXLY-Ⅱ型脉冲磁场发生仪，该仪器可产生频率0～100 Hz，磁场强度150～800 mT连续可调的脉冲磁场，可长时间工作，磁场作用区(85 mm×40 mm×25 mm)可放入小鼠、细胞培养板、细菌培养皿等多种体积形状的物体，可用于研究磁场对动物、细胞、细菌等多种生物体作用的效应。
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2 脉冲磁场发生仪的组成及工作原理
该仪器主要由线性伏频转换电路(VFC)即解发信号发生器、Vmos开关管、大功率直流源、自感线圈、采样保持电路、数码显示及±15V、5V电源等部分电路组成。仪器原理框图见图1。
图1 仪器原理框图
Fig 1 Block diagram of instrument
VFC线性电压频率转换电路，由一个差分输入的积分电路和一个555组成的单稳触发延时电路组成[4]，通过调节差分输入电压调节频率，调节单稳延时时间调节占空比，产生频率及占空比均可调的方波信号通过触发Vmos管的通断控制流经自感线圈电流的通断，由于自感线圈产生的磁脉冲的频率及脉宽与触发信号的相同，故可通过调节触发信号的频率及占空比来调节磁脉冲的频率及占空比，磁脉冲的强度与流过其线圈的电流成正比，故可通过调节电位器W的阻值大小来调节电流大小进而调节磁场强度。通过测量串联其上的电阻R的电压来测定流经线圈的电流进而确定其场强，Vmos管为一大功率场效应开关管，导通时最大可流过40 A的电流，使用方便运行稳定。
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3 采样—保持电路
由于流经磁感应线圈的电流与其产生的磁感应强度近似成正比，我们将通过测量其电流值进而求出磁感应强度，由于流经电路的电流值是随时间周期性不停变化，很难测得一个固定数值，故采用采样—保持电路，由触发Vmos开关管的信号同时触发采样保持电路使其采样并保持，采样的电压送模数转化并显示。我们采用的是LF398单片集成采样—保持芯片及电路[5]，由于采样存在一定的延时，故采样值将始终和触发后某固定时刻的电流值相对应，从而保持显示值恒定，并与磁感应强度相对应。
4 数模转换及数码显示电路
数模(A/D)转换采用
位A/D转换集成芯片ICL7107，该芯片为40脚双列直插式封装，最高转换速度为15次/s，线性误差为±1计数，5 V单电源供电，输入电压范围为±2 V，静态七段码输出，可直接驱动LED或LCD显示器，有自较零、自动极性转换功能，该芯片外部接线简单，使用方便。显示部分采用七段数码显示。, 百拇医药
5 磁感应线圈的设计
为了能使流过磁感应线圈的电流产生尽可能强的磁场，自感线圈的设计是至关重要的，铁芯的加入会成千倍地增加线圈所产生的磁场。我们采用如图2所示的线圈装置，线圈绕于框形铁芯的一边，在另一边开一小缺口，该缺口即为磁场作用区，缺口的尺寸直接影响其中的磁感应强度大小，缺口越小，磁场越强。因此该缺口的设计以能放入被辐照物的尽可能小的体积为原则，实际设计尺寸为85 mm×40 mm×25 mm。设计线圈总匝数为250，线圈长度为7 cm，导线直径D=3 mm，当I=20A时，显示值为200，理论计算Bmax为0.898 T。
图2 自感线圈示意图
Fig 2 Diagrammatic sketch of self-induction coil
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6 磁感应强度的标定
参照Barker使用的方法[6]对磁感应强度进行标定。将一探测线圈放置在待测处，探测线圈的输出电压为V=NAdB/dt；式中A为线圈面积，N为线圈匝数，磁感应强度的幅值Bmax可由探测线圈的输出电压积分求得：
用记忆示波器记录探测线圈的电压波形，并计算波形面积，即可求出最大磁感应强度。图3为磁感应强度标定曲线。当显示值为200时，标定的Bmax为0.75 T，比理论计算的0.898 T小20%左右，这与探测线圈的大小及理论计算中的近似有关。
图3 显示值与标定Bmax的对应曲线
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7 讨 论
该脉冲磁场发生仪，采用独特的自感应线圈设计，能在流经电流不大的情况下产生150～800 mT的强磁场，由于电源输出功率较小，故可长时间稳定运行。在脉冲频率调节中，使用了线性电压频率转换电路(VFC)，通过调节电阻分压大小调节频率，并显示频率，使电路结构简单，线性调节范围增宽。在强度显示中，为了克服由于电流的变化而引起的采样及显示困难，我们使用了采样保持电路，并采用触发电路开关的脉冲信号同时触发采样，保证了采样点与磁场强度的一致性，使该问题得到圆满解决。在显示电路中，我们把采样得到的代表频率和强度的电压信号值经选择送模数(A/D)转换并数码显示。该仪器经长时间的实验使用表明，其性能稳定，使用方便，对上述各问题的解决是成功的。
8 应 用
, 百拇医药
采用该磁场仪，选择脉冲频率20 Hz，强度分别为0.25、0.34、0.64 T三种不同强度的脉冲磁场对小鼠进行40 min全身辐照，对照组进行40 min假辐照。对处理后的小鼠的学习记忆行为及其血液的自由基和血液流变特性进行测量。结果表明：辐照强度0.25 T组与对照组的学习记忆能力[7]、自由基特性及血液流变学特性均无显著差别；0.34 T强度辐照组的小鼠学习记忆能力明显强于对照组，其SOD比活性、MDA均比对照组显著下降，血液流变学特性除压积增加外，其余无改变；0.64 T强度的磁辐照组小鼠的学习记忆能力明显低于对照组，血液的自由基和血液流变学特性无显著改变。
9 结 论
低频脉冲磁场对小鼠的学习记忆以及其血液的自由基和流变学特性的影响随磁场强度的不同而不同，可能存在“窗口”效应区。
参考文献
, http://www.100md.com
1 Tenforde TS. Biological interactions and potential health effects of extremely-low-frequency magnetic fields from power lines and other common sources. Annu Rev Public Health, 1992; 13(2)∶173
2 Adari RK. Effects of ELF magnetic feilds on biological magnetite. Bioelectromagnetics, 1993; 14(1)∶1
3 文 峻，王作人，杨春智等.多用低频脉冲磁场发生仪的研制.中国医学物理学杂志，1995；12(2)∶57
4 陈永甫主编.555集成电路应用800例.北京：电子工业出版社，1992∶39-40
5 李华主编.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1993∶313-316
6 Barker AT. Design of clinical electromagnetic bone stimulator. Clin Physiol means, 1981; 2(1)∶57
7 席晓莉，文 峻，王斯刚等.极低频脉冲磁场对小鼠学习记忆能力的影响.第四军医大学学报，1998；19(2)∶166
(收稿：1998-03-03 修回：1998-07-07), http://www.100md.com