0 引言

    电磁场技术与生物、医学等学科的交叉应用使磁场的生物效应越来越受到重视，特别是随着低频脉冲电磁场的生物效应机理的深入研究^[1]，使得低频脉冲磁场在未来的应用中具有广阔的前景。研究发现磁场通过不同的机理可使分子细胞、组织器官甚至整个机体发生形态和功能的改变，如对心肌细胞的影响^[2]、对成骨细胞增殖与分化的影响^[3]以及对骨质疏松的生物效应等^[4]。同时研究还发现温热和振动对生物体也有积极作用^[5，6]。

    电磁场的频率、占空比、强度以及作用时间对生物体的影响存在“窗口”效应，为进一步研究脉冲磁场、振动、温度的生物效应，需要参数方便调节的磁振热系统。目前，国内市场上较多为单一脉冲磁场发生仪，且参数较固定，为实验研究带来一定的不便。本文在参考文献[7-9]已取得一定成果的基础上，研究提出了一种磁场、振动、温度等各项参数均可独立调节的设计方案，并完成磁振热系统的研制和测试。

1 系统总体设计

    磁振热系统以DSP为控制核心，结合运算放大器、功率放大器、温度传感器、线圈、微型振动电机、远红外加热膜及相应外围电路构成。整个系统分为以下几个模块： DSP控制模块、电流驱动模块、电源模块、触摸显示屏以及输出头，如图1所示。

    系统工作原理：DSP控制模块根据触摸显示屏设定的脉冲参数产生相应脉冲波，脉冲波经数字电位器调节后进入电流驱动电路，驱动输出治疗头中的线圈和振动电机，产生脉冲磁场和振动。同时，DSP控制模块通过反馈电路实时采集治疗头中线圈、振动电机的电流，经A/D转换后将电流值作为磁感应强度和振动幅度的参考，再通过调节数字电位器达到控制磁感应强度和振动幅度的目的。治疗头中温度传感器将采集的加热膜温度传送到DSP，DSP根据系统设定的温度值来控制加热膜的工作。触摸屏一方面显示系统的实时参数，如脉冲磁场频率、磁感应强度、振动幅度、温度等，方便观察系统运行状态；另一方面将接收到的操作命令发送到DSP控制模块，控制系统按照设定的参数工作。

2 系统硬件设计

2.1 DSP控制模块设计

    DSP控制模块组成如图2所示，控制模块选用数字信号处理器TMS320F28335为主控制器。该器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、存储量大、A/D转换精度高等优点。特别是这款芯片具有6 路高精度的脉冲宽度调制模块，利用它能够产生精确的脉冲波。

    数字电位器选用ISL90840，它具有4个通道，每个通道的可调级数均为256级，能够满足控制磁感应强度和振动幅度的精度需要。ISL90840通过I²C接口与DSP连接，DSP通过相应时序写入控制值，调节数字电位器阻值，改变脉冲波幅值，从而改变磁感应强度值和振动幅度值。DSP控制模块还包括A/D转换、温度采集、数据保存及异常报警电路等。

2.2 电流驱动模块设计

    电流驱动模块的主要作用是将脉冲波电压转换为脉冲电流，驱动线圈和微型振动电机。电路主要包括前级放大电路、压控恒流源电路及电流采样电路。模块中一路驱动电路原理如图3所示，前级放大采用运算放大器OP07芯片（图3中的U13），它是一种低噪声、低输入失调电压、高增益的运算放大器。前级放大可以提高恒流源电路的电流输出能力，并且能够抑制输出大电流对DSP的影响，起到隔离保护作用。

    压控恒流源电路主要由功率放大器OPA549（图3中的U14）构成，它能输出高电压、大电流，且具有极好的低电平信号精度。同时该放大器还具有使能控制、输出限流控制和过热保护等功能，可以驱动电机、线圈等大电流感性负载。电路中将OPA549设计为电压控制电流电路，在一定范围内，输入的电压越大，电路输出电流就越大。因此，通过控制前级放大输入电压来控制输出电流的大小^[10]，其简化后计算公式如下：

    通过合理选取R73、R70、R_s8的阻值，可使输出电流I=A3(A3为功率放大器输入电压)。采样反馈电路由精密采样电阻R_s9和放大电路组成(图3中的U15部分)，采集的电压经OP07放大后送到DSP进行A/D转换，并经过处理后得到流过负载的实际电流值。

2.3 输出头

    输出头是产生磁场、振动和加热的关键部件，它由线圈、微型振动电机、加热膜及温度传感器组成。为使线圈产生的磁场达到需要的强度，兼顾线圈的发热和电感，经过理论计算、仿真以及实验测试，完成线圈的设计。加热膜是通过红外线辐射进行传热的器件，它的温度值由数字温度传感器DS18B20获取。为减少治疗头中的连接线缆，多个DS18B20采用单总线连接方式，通过匹配传感器内部的序列号获取相应的温度值。

3 软件设计

    软件完成的主要功能有脉冲波的产生及频率与占空比的调节、数字电位器控制、功率放大器控制、磁场线圈电流和振动电机电流采样处理、温度采集控制、触摸屏控制操作等。通过可靠的软件设计确保系统正常、稳定地运行。本文重点介绍磁感应强度的控制，由于确定线圈产生的磁感应强度与线圈中通过的电流具有密切关系，因此通过控制线圈电流达到控制磁感应强度的目的。利用比例-积分-微分(Proportion-Integration-Differentiation，PID)控制算法，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对线圈电流进行控制。由于本系统是一种实时采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此采用数字PID控制算法。

式中，u(k)为第k次采样时刻的控制输出值，K_P、K_I、K_D为比例系数，k为采样时刻， e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值。根据递推原理可得：

    用式(2)减式(3)，可得：

式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)。式(4)称为增量式PID控制算法。由此，根据不同控制系统的特性确定K_P、K_I、K_D的值，再使用前后3次测量值的差可求出控制增量，并送到执行机构，最终完成控制^[11]。

    磁感应强度的数字PID控制过程如图4所示。程序将设定的磁感应强度值转换为电流值，再根据输出电流值与数字电位器控制值的关系得到电位器控制值，并将此值写入数字电位器改变电位器阻值，控制脉冲波的幅度值，该脉冲波通过电流驱动模块驱动线圈产生磁场。同时，程序通过不断采样处理获得线圈实际电流值，根据线圈磁感应强度与电流的关系得到实时磁感应强度值，再运用PID算法控制磁感应强度值，使线圈产生的磁感应强度值达到设定值范围内。

4 磁感应强度的标定

    脉冲磁感应强度的主要测量方法有磁光效应法和电磁感应法。电磁感应法测试原理如下：通过绕制匝数N、截面积S的探测线圈，根据法拉第电磁感应定律，在探测线圈中产生的感应电动势为：

    为求出磁感应强度, 需要对探测线圈的感应电动势E(t)进行积分。为计算方便，采用自感自积分法进行分析，其简化的计算公式为：

式中：L为探测线圈的电感，R₁为探测线圈阻值，U(t)为测量电压值^[12]。结合本系统的特点，采用如下标定方法：首先在线圈中通入直流，使其产生稳定的磁场；然后使用高斯计测量参考点处的磁感应强度，测量结果如表1所示。

    表1中电流值I是实际流过线圈的电流值，比例系数ρ是磁感应强度值与电流值的比（此时电流值单位为A）。计算表中平均比例系数值为δ=33.9，误差比例系数值θ=（ρ-δ）/δ。由表1可知，该线圈在参考点产生的磁感应强度与线圈的电流成正比。因此，可以用线圈电流乘以比例系数δ，得到线圈产生的磁感应强度。同理，通过测量线圈的脉冲电流，并乘以比例系数δ就得到参考点的脉冲磁场感应强度值。为进一步验证标定结果，在线圈中通入脉冲电流，并将绕制的探测线圈垂直放入线圈参考点，根据式(6)计算脉冲磁感应强度值，得到的结果与脉冲电流乘比例系数结果相吻合。

5 测试结果

    磁振热系统可调参数的范围如表2所示。其中磁场脉冲频率范围为1~35 Hz连续可调，占空比10%~90%。脉冲磁场感应强度值为参考点处测量值，范围为0~40 mT。温度设置范围为室温~60 ℃，显示温度精度为0.1 ℃。振动脉冲频率为1~99 Hz，占空比固定为50%。

    选定其中一组参数：磁场脉冲频率10 Hz、占空比50%、磁感应强度30 mT、振动脉冲频率20 Hz、占空比50%、振动幅度3 mm、设置温度45 ℃。系统开始工作后，磁感应强度值、振动幅度值和温度值逐渐增加，到达设定值后在小范围内波动。分别利用示波器、探测线圈、振动测试仪、温度计测试参数，得到磁感应强度和温度控制曲线如图5所示。图6上半部分为电流驱动模块上前级放大输入时的10 Hz脉冲波形，下半部分为通过线圈的实际脉冲波形。

6 结论

    系统设计完成后，经长时间运行试验，结果表明该系统具有以下特点：（1）体积小，操作方便，工作稳定，具有完善的异常检测和保护功能；（2）采用DSP能够产生高精度、参数方便调节的脉冲波；（3）磁感应强度、振动幅度采用PID控制算法，控制效果良好；（4）磁场脉冲频率、占空比、磁感应强度、振动幅度、温度及工作时间等参数方便设置，磁场、振动、加热3种功能可根据需要单独或者组合使用。但在测试过程中也发现一些不足之处，如振动脉冲频率与期望产生的振动频率并没有明显的对应关系，这是下一步工作需要完善的地方。磁振热系统将磁场、振动和温热3种物理因子结合起来，实现三者参数独立调节使用的功能，为临床上进一步研究不同参数的脉冲磁场产生的生物效应，以及在一定温度及振动强度共同作用下产生的影响提供技术参考。

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