0 引言

    電磁場技術與生物、醫學等學科的交叉應用使磁場的生物效應越來越受到重視，特別是隨著低頻脈沖電磁場的生物效應機理的深入研究^[1]，使得低頻脈沖磁場在未來的應用中具有廣闊的前景。研究發現磁場通過不同的機理可使分子細胞、組織器官甚至整個機體發生形態和功能的改變，如對心肌細胞的影響^[2]、對成骨細胞增殖與分化的影響^[3]以及對骨質疏松的生物效應等^[4]。同時研究還發現溫熱和振動對生物體也有積極作用^[5，6]。

    電磁場的頻率、占空比、強度以及作用時間對生物體的影響存在“窗口”效應，為進一步研究脈沖磁場、振動、溫度的生物效應，需要參數方便調節的磁振熱系統。目前，國內市場上較多為單一脈沖磁場發生儀，且參數較固定，為實驗研究帶來一定的不便。本文在參考文獻[7-9]已取得一定成果的基礎上，研究提出了一種磁場、振動、溫度等各項參數均可獨立調節的設計方案，并完成磁振熱系統的研制和測試。

1 系統總體設計

    磁振熱系統以DSP為控制核心，結合運算放大器、功率放大器、溫度傳感器、線圈、微型振動電機、遠紅外加熱膜及相應外圍電路構成。整個系統分為以下幾個模塊： DSP控制模塊、電流驅動模塊、電源模塊、觸摸顯示屏以及輸出頭，如圖1所示。

    系統工作原理：DSP控制模塊根據觸摸顯示屏設定的脈沖參數產生相應脈沖波，脈沖波經數字電位器調節后進入電流驅動電路，驅動輸出治療頭中的線圈和振動電機，產生脈沖磁場和振動。同時，DSP控制模塊通過反饋電路實時采集治療頭中線圈、振動電機的電流，經A/D轉換后將電流值作為磁感應強度和振動幅度的參考，再通過調節數字電位器達到控制磁感應強度和振動幅度的目的。治療頭中溫度傳感器將采集的加熱膜溫度傳送到DSP，DSP根據系統設定的溫度值來控制加熱膜的工作。觸摸屏一方面顯示系統的實時參數，如脈沖磁場頻率、磁感應強度、振動幅度、溫度等，方便觀察系統運行狀態；另一方面將接收到的操作命令發送到DSP控制模塊，控制系統按照設定的參數工作。

2 系統硬件設計

2.1 DSP控制模塊設計

    DSP控制模塊組成如圖2所示，控制模塊選用數字信號處理器TMS320F28335為主控制器。該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、存儲量大、A/D轉換精度高等優點。特別是這款芯片具有6 路高精度的脈沖寬度調制模塊，利用它能夠產生精確的脈沖波。

    數字電位器選用ISL90840，它具有4個通道，每個通道的可調級數均為256級，能夠滿足控制磁感應強度和振動幅度的精度需要。ISL90840通過I²C接口與DSP連接，DSP通過相應時序寫入控制值，調節數字電位器阻值，改變脈沖波幅值，從而改變磁感應強度值和振動幅度值。DSP控制模塊還包括A/D轉換、溫度采集、數據保存及異常報警電路等。

2.2 電流驅動模塊設計

    電流驅動模塊的主要作用是將脈沖波電壓轉換為脈沖電流，驅動線圈和微型振動電機。電路主要包括前級放大電路、壓控恒流源電路及電流采樣電路。模塊中一路驅動電路原理如圖3所示，前級放大采用運算放大器OP07芯片（圖3中的U13），它是一種低噪聲、低輸入失調電壓、高增益的運算放大器。前級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DSP的影響，起到隔離保護作用。

    壓控恒流源電路主要由功率放大器OPA549（圖3中的U14）構成，它能輸出高電壓、大電流，且具有極好的低電平信號精度。同時該放大器還具有使能控制、輸出限流控制和過熱保護等功能，可以驅動電機、線圈等大電流感性負載。電路中將OPA549設計為電壓控制電流電路，在一定范圍內，輸入的電壓越大，電路輸出電流就越大。因此，通過控制前級放大輸入電壓來控制輸出電流的大小^[10]，其簡化后計算公式如下：

    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OP07放大后送到DSP進行A/D轉換，并經過處理后得到流過負載的實際電流值。

2.3 輸出頭

    輸出頭是產生磁場、振動和加熱的關鍵部件，它由線圈、微型振動電機、加熱膜及溫度傳感器組成。為使線圈產生的磁場達到需要的強度，兼顧線圈的發熱和電感，經過理論計算、仿真以及實驗測試，完成線圈的設計。加熱膜是通過紅外線輻射進行傳熱的器件，它的溫度值由數字溫度傳感器DS18B20獲取。為減少治療頭中的連接線纜，多個DS18B20采用單總線連接方式，通過匹配傳感器內部的序列號獲取相應的溫度值。

3 軟件設計

    軟件完成的主要功能有脈沖波的產生及頻率與占空比的調節、數字電位器控制、功率放大器控制、磁場線圈電流和振動電機電流采樣處理、溫度采集控制、觸摸屏控制操作等。通過可靠的軟件設計確保系統正常、穩定地運行。本文重點介紹磁感應強度的控制，由于確定線圈產生的磁感應強度與線圈中通過的電流具有密切關系，因此通過控制線圈電流達到控制磁感應強度的目的。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成控制量，對線圈電流進行控制。由于本系統是一種實時采樣控制系統，只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此采用數字PID控制算法。

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

    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，根據不同控制系統的特性確定K_P、K_I、K_D的值，再使用前后3次測量值的差可求出控制增量，并送到執行機構，最終完成控制^[11]。

    磁感應強度的數字PID控制過程如圖4所示。程序將設定的磁感應強度值轉換為電流值，再根據輸出電流值與數字電位器控制值的關系得到電位器控制值，并將此值寫入數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動模塊驅動線圈產生磁場。同時，程序通過不斷采樣處理獲得線圈實際電流值，根據線圈磁感應強度與電流的關系得到實時磁感應強度值，再運用PID算法控制磁感應強度值，使線圈產生的磁感應強度值達到設定值范圍內。

4 磁感應強度的標定

    脈沖磁感應強度的主要測量方法有磁光效應法和電磁感應法。電磁感應法測試原理如下：通過繞制匝數N、截面積S的探測線圈，根據法拉第電磁感應定律，在探測線圈中產生的感應電動勢為：

    為求出磁感應強度, 需要對探測線圈的感應電動勢E(t)進行積分。為計算方便，采用自感自積分法進行分析，其簡化的計算公式為：

式中：L為探測線圈的電感，R₁為探測線圈阻值，U(t)為測量電壓值^[12]。結合本系統的特點，采用如下標定方法：首先在線圈中通入直流，使其產生穩定的磁場；然后使用高斯計測量參考點處的磁感應強度，測量結果如表1所示。

    表1中電流值I是實際流過線圈的電流值，比例系數ρ是磁感應強度值與電流值的比（此時電流值單位為A）。計算表中平均比例系數值為δ=33.9，誤差比例系數值θ=（ρ-δ）/δ。由表1可知，該線圈在參考點產生的磁感應強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δ，得到線圈產生的磁感應強度。同理，通過測量線圈的脈沖電流，并乘以比例系數δ就得到參考點的脈沖磁場感應強度值。為進一步驗證標定結果，在線圈中通入脈沖電流，并將繞制的探測線圈垂直放入線圈參考點，根據式(6)計算脈沖磁感應強度值，得到的結果與脈沖電流乘比例系數結果相吻合。

5 測試結果

    磁振熱系統可調參數的范圍如表2所示。其中磁場脈沖頻率范圍為1~35 Hz連續可調，占空比10%~90%。脈沖磁場感應強度值為參考點處測量值，范圍為0~40 mT。溫度設置范圍為室溫~60 ℃，顯示溫度精度為0.1 ℃。振動脈沖頻率為1~99 Hz，占空比固定為50%。

    選定其中一組參數：磁場脈沖頻率10 Hz、占空比50%、磁感應強度30 mT、振動脈沖頻率20 Hz、占空比50%、振動幅度3 mm、設置溫度45 ℃。系統開始工作后，磁感應強度值、振動幅度值和溫度值逐漸增加，到達設定值后在小范圍內波動。分別利用示波器、探測線圈、振動測試儀、溫度計測試參數，得到磁感應強度和溫度控制曲線如圖5所示。圖6上半部分為電流驅動模塊上前級放大輸入時的10 Hz脈沖波形，下半部分為通過線圈的實際脈沖波形。

6 結論

    系統設計完成后，經長時間運行試驗，結果表明該系統具有以下特點：（1）體積小，操作方便，工作穩定，具有完善的異常檢測和保護功能；（2）采用DSP能夠產生高精度、參數方便調節的脈沖波；（3）磁感應強度、振動幅度采用PID控制算法，控制效果良好；（4）磁場脈沖頻率、占空比、磁感應強度、振動幅度、溫度及工作時間等參數方便設置，磁場、振動、加熱3種功能可根據需要單獨或者組合使用。但在測試過程中也發現一些不足之處，如振動脈沖頻率與期望產生的振動頻率并沒有明顯的對應關系，這是下一步工作需要完善的地方。磁振熱系統將磁場、振動和溫熱3種物理因子結合起來，實現三者參數獨立調節使用的功能，為臨床上進一步研究不同參數的脈沖磁場產生的生物效應，以及在一定溫度及振動強度共同作用下產生的影響提供技術參考。

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