立体正交磁场治疗仪的研制

于学龙 郈秀菊 李红梅 张素文 李俊起 山东省药学科学院 （山东 济南 250101）

内容提要： 该文介绍了一种磁场治疗仪，包括处于正交关系的静磁场与频率、强度可调的动磁场。以圆筒体中段外壁贴附磁力线处于正交方向的磁片和磁棒，圆筒体两端设置两组线圈为动磁场发生器，线圈上施加频率和大小可调的正弦波电流以产生频率和强度可调的动磁场。该磁场治疗仪的性能较好，动磁场的频率和强度稳定可调。该仪器在磁力线正交的静磁场里，施加频率和强度可调的动磁场，为磁疗技术在临床上的应用提供了一种新方法。

磁疗在临床中广泛应用于镇痛、抗癌、骨损伤、精神性疾病、中风、面瘫等疾病的治疗[1]。目前使用磁疗的方法主要有四种：静磁场、旋转磁场、动磁场、静磁与动磁结合。静磁场是指磁场强度的大小和方向不随时间变化的磁场，旋转磁场是指永磁材料随运动装置进行旋转所产生的磁场，动磁场是指磁场强度的大小和方向随时间变化的磁场。线圈中通入变化的电流则产生动磁场，动磁场还涉及频率和波形等参数[2,3]。

本文在总结现有的各种磁疗技术的基础上，采用静磁与动磁结合，设计出一种立体正交磁场治疗仪。该磁场治疗仪由两组磁力线方向相互垂直（正交）的磁性材料组成静磁场，在静磁场的两端设置两组线圈（线圈内通以正弦波形电流）产生动磁场。相互正交的静磁场与动磁场同时作用于患者病灶处，静磁场对组织内的离子起到定向的推力作用，动磁场促使离子产生振动作用，更好地促进组织内部微循环，尤其是加快了各种无机盐离子的运动速度，可以提高治疗效果。

1.整体设计

磁疗仪主要由治疗探头、电磁场控制电路、软件组成，其中治疗探头由磁片、磁棒、线圈和圆筒体组成。

1.1 治疗探头

治疗探头是本仪器的关键部件，其结构决定了治疗效果。治疗探头的结构如图1所示，由圆筒形壳体、磁片、磁棒、线圈组成。磁片与磁棒贴附在圆筒外壁，磁片两个一组，磁棒一个为一组。磁片的组数与磁棒的个数相等，依次交替、间隔分布，便于治疗探头所处空间的静磁场尽可能地均匀分布。磁片和磁棒组成的静磁场，其磁力线的分布如图2所示。磁片的磁力线与圆筒的径向一致，N极向外、S极向内；磁棒的磁力线方向与圆筒的轴向一致，N极向上、S极向下，二者保持相互正交的方向。

图1. 治疗头结构图

图2. 磁片、磁棒关系图

两组线圈分别设置于圆筒上下两端，其线圈匝数相同且同名端一致，即两组线圈产生的磁力线方向一致。线圈内通以正弦波交流电，可产生方向交变的动磁场。根据电磁学原理线圈通入交流电流产生交变的磁场，交变磁场的频率等于电流的频率[4]。通电线圈产生的磁力线平行于线圈的中轴线，其方向符合右手定律，每组线圈产生磁场的强度为（见公式（1））：

式中：B——电磁感应强度，单位：特斯拉（T）；N——线圈匝数；μ——空气磁导率（μ=4π×10-7）；I——线圈内电流强度，单位：安培（A）；l——线圈的长度，单位：米（m）。

由公式（1）可知，线圈产生磁场的强度与线圈匝数和电流的乘积成正比，而与线圈长度成反比，因此在线圈尺寸确定以后，增大电流可以获得较大的磁场强度。

线圈产生的动磁场也要实现均匀分布以提高线圈外部和内部磁场的均匀性，可以通过增加线圈的个数和调整线圈之间的距离来实现[5]。本设计考虑到治疗探头的体积、磁场强度等因素，治疗探头内部动磁场强度是均匀的即可，因此采用两组线圈分别置于治疗探头圆筒两端的方案。

1.2 电磁场控制电路

本磁场治疗仪采用单片机STC12C5410AD作为主控制器，通过正弦波发生器ML2036把数字信号转换成正弦波，其决定输出电流波形的频率。由数字电位器AD2562把正弦波信号幅度进行分级，可以调节输出电压的大小，经放大器OPA549进行放大（放大倍数固定），输出正弦波电流驱动电磁线圈产生动磁场[6-9]。其原理框图见图3所示。

图3. 原理框图

一台磁场治疗仪可同时控制两个治疗探头，每个治疗探头的参数可独立设置，其电路图见图4，图中只显示出一个治疗探头的驱动电路。STC12C5410AD可通过串行口TXD和RXD线与触摸屏连接，通过P1.7、P1.6向ML2036、AD2562发送数字信息，通过P1.5、P1.4分别控制ML2036、AD2562的运行。

图4. 正弦波发生器电路

ML2036需外接晶体振荡器（图4中的X2），其串行接口由一个移位寄存器和一个锁存器组成，数据线SID上的16位（D15～D0）数据字在串行移位时钟信号SCK上升沿进入16位移位寄存器，数据在LATI下降沿锁存。其输出频率见公式（2）。

AD2562的作用是把正弦波的幅度分为256等分进行输出。高电压大电流运算放大器OPA549的输出电流可以达到8A，图4所示电路，其输出电压为：Vout=Vi×（1+R3/R4）。综上所述，单片机STC12C5410AD通过ML2036可以输出频率可调的正弦波电压，通过AD2562控制输出电流幅度的大小，产生频率和幅度都可调的过零正弦波电流信号，施加于线圈可以产生频率和强度连续可调的动磁场。

1.3 软件控制系统

由于静磁场（磁片、磁棒）的磁场强度是固定不变的，系统只对动磁场进行控制，动磁场的控制参数有三个：磁场频率、磁场强度（电压）、治疗时间，所以软件也只对这三个参数进行控制。系统的软件控制框见图5所示。开机以后，系统初始化，显示默认的治疗参数。治疗开始前用户可以对频率、电流、时间参数进行调整，在触摸屏上按压“治疗”键以后，系统按照设定的频率、电流控制线圈产生预期的动磁场，并在规定的时间内结束治疗过程。

图5. 软件流程框图

2.性能测试

本磁场治疗仪的功能指标主要有二项：磁场强度和动磁场频率，其中静磁场的强度由磁片和磁棒以及其空间布局决定的，动磁场的强度和频率是可以调节的。使用特斯拉计来测量固定点（图1中A点处）磁场强度，使用示波器测量线圈两端点之间的电压波形的频率来确定动磁场的频率。通过三次设置不同频率和电流强度，测量得的结果见表1，结果的稳定性符合预期要求。

表1. 三种不同频率与电流强度下磁场强度和动磁场频率测试结果

3.小结

本磁场治疗仪采用单片机控制正弦波发生器专用集成电路产生正弦波电流，通过线圈产生动磁场，配合永磁材料的磁片和磁棒，实现了一种立体正交磁场治疗方式，其中动磁场的频率和强度可以适当调整。仪器具有操作方便、电路结构简单稳定可靠，可用于各种中低频和中低强度磁场的生物学研究和临床治疗。