用于糖尿病并发症研究的极低频脉冲磁场设计与实现

潘 伟， 潘卫东， 许静静， 孔祥阳

(1.生物电磁学北京市重点实验室，中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2.中国科学院大学， 北京 100049)

用于糖尿病并发症研究的极低频脉冲磁场设计与实现

潘 伟1,2， 潘卫东1， 许静静1,2， 孔祥阳1,2

(1.生物电磁学北京市重点实验室，中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2.中国科学院大学， 北京 100049)

糖尿病作为一种终身代谢性疾病，并发症高达一百多种。研究表明，脉冲磁场能促进胶原纤维沉积，改善胶原纤维排列和取向，有助于糖尿病伤口愈合，能有效地促进糖尿病患者的溃疡静脉愈合。为了进一步探索脉冲磁场在糖尿病治疗中的场强、脉冲宽度、频率和治疗时间，本文提出了一种脉冲磁场发生方案，应用此方案设计了基于STM32单片机控制的低频脉冲磁场发生装置，其可以输出0～100Hz连续可调，最大磁感应强度100mT的脉冲磁场。利用ANSYS软件进行仿真，确定并优化磁场产生线圈的结构与尺寸。用STM32单片机对磁场进行控制，设计出相应的硬件及其接口，实现了对磁感应强度的实时控制与检测。通过选择开关器件、设计线圈和续流回路等措施减少脉冲磁场宽度，通过对螺线管线圈结构的设计，减少线圈发热对生物实验的影响。试验表明，该装置操作简便，性能稳定可靠，已在糖尿病并发症治疗的研究中得到应用。

脉冲磁场； STM32； 糖尿病； 螺线管线圈

1 引言

脉冲磁场(Pulsed Electromagnetic Field， PEMF)在生物医学中的应用受到广泛关注，过去几十年国内外研究人员做了大量的基础和临床研究。研究发现PEMF对促进骨骼和软骨组织损伤愈合[1]、调节微循环有显著的生物学效应[2,3]；对糖代谢、脂代谢和缓解疼痛等均有显著治疗效果[4]。

糖尿病是一组由多病因引起的终身性代谢性疾病，并发症高达一百多种，长期血糖增高，导致大血管、微血管受损并危及心、脑、肾、周围神经、眼睛、足等。糖尿病引起的毛细血管之间血流量分配不均和动静脉短路几乎影响所有伤口的愈合[5]，并改变组织恢复[6]。关于PEMF在治疗糖尿病以及糖尿病并发症的研究还不多，而其作用机理更需要进一步的证实[7]。国内在糖尿病周围神经病变的研究中取得了较好的成果[4,5]；中国科学院电工研究所与香港理工大学康复科学中心合作，在糖尿病足的研究中也取得了突破性进展[8]。

关于磁场的生物学效应机理，目前还没有统一的认识，只是存在一些假说，其中有跨膜离子回旋谐振假说，电动力学假说等[9-11]。而研究结果表明，PEMF能显著改变细胞形态、DNA、RNA、蛋白质合成、跨膜转运、酶活性等，促进胶原纤维沉积，改善胶原纤维排列和取向，有助于糖尿病伤口的愈合[12]。研究认为，PEMF通过对蛋白和酶中过渡金属离子的作用，影响酶的活性，进而影响酶参与新陈代谢反应[13]。

目前在治疗糖尿病并发症的研究中大多使用0～25Hz、2～5mT的PEMF[12]，但并未达到预期的治疗效果，因此需要更宽频率、更高场强的PEMF设备来进一步寻求PEMF治疗糖尿病并发症的最佳参数，以便在临床应用上明确用于治疗糖尿病并发症的PEMF参数(场强、脉冲宽度、频率)，处理时间以及磁场结构。为此，本文提出了一种PEMF发生方案，应用此方案设计了螺线管线圈结构，实现了输出0～100Hz连续可调，最大磁感应强度100mT的PEMF发生系统。

2 PEMF发生装置设计

PEMF发生装置主要包括螺线管线圈、STM32控制系统、驱动电路与续流回路、开关直流稳压电源和实验载物台等结构。整个系统逻辑框图如图1所示。

图1 PEMF系统框图Fig.1 Block diagram of PEMF system

STM32控制系统通过驱动电路控制MOS管导通和关断，进而控制螺线管线圈产生相应磁感应强度和频率的PEMF。等效电路如图2所示[14]。

图2 PEMF等效电路Fig.2 Equivalent circuit of PEMF

RL串联电路在零状态响应下电流i(t)为：

式中，V为RL串联电路两端电压；τ为RL串联电路时间常数，τ=L/R，其中L为电感值，R为电阻值。当t≪τ时，式(1)可近似为：

则此条件下电流i(t)值近似随时间t线性增加[15]。

图2中，当MOS管导通时，螺线管线圈充电，产生磁场；当导通时间满足式(2)时，通过控制MOS管关断时刻，即可控制螺线管线圈内电流的大小，进而控制PEMF的磁感应强度；MOS管关断后，线圈储能通过续流回路中放电电阻快速释放。

2.1 螺线管线圈设计

根据实验需要，利用AutoCAD 2015设计了螺线管线圈骨架结构并确定了尺寸。考虑到线圈发热可能对生物医学实验带来的影响，整个骨架结构分为两层，外层缠绕线圈，内层放置实验载物台。骨架结构如图3所示。

图3 螺线管线圈骨架结构Fig.3 Skeletal structure of solenoid coil

螺线管线圈骨架使用环氧材料加工制成，并利用仿真软件ANSYS Maxwell 16根据骨架结构与尺寸对磁场进行仿真(计算区域为螺线管线圈仿真模型体积的125倍)，确定螺线管线圈的匝数与磁场分布。螺线管线圈长20cm，内直径12cm，外直径16cm，采用2mm直径漆包线双线绕制而成。与单线绕制相比，产生相同强度的PEFM，双线绕制同侧并联使用可以实现更窄的脉冲宽度；异侧并联使用可以产生零磁，与同侧并联使用形成对照，验证线圈发热对生物医学效应的影响。

2.2 STM32控制系统

控制系统的硬件如图4所示。控制系统主要由单片机及其接口电路、初始值设定(磁感应强度及频率设定)、控制输出以及显示部分组成[16]。该系统选用STM32单片机作为控制系统的核心，用于控制开关电路，利用键盘输入电路和模/数(A/D)转换电路输入磁感应强度和脉冲频率以及设备运行时间的设定值，输出显示采用LCD液晶显示屏组成的显示电路。

图4 控制系统框图Fig.4 Block diagram of control system

控制系统的控制程序如图5所示。控制程序由主程序和中断程序组成。控制系统上电后，等待输入值(运行时间、脉冲频率和脉冲宽度等初始值)，设定可以通过键盘和电位器输入；程序根据输入值控制MOS管的开断，同时在LCD显示屏实时显示PEMF运行时间、频率和占空比。中断程序可以随时改变参数的设定。

图5 控制程序流程图Fig.5 Flow chart of control software

2.3 实验载物台

依据实验对象(小鼠、大鼠、细胞等)需要，根据螺线管线圈结构设计了载物台。载物台包括圆筒形支撑结构、前后挡板和载物板等结构，由透明有机玻璃加工而成，方便对实验对象的实时观察，如图6所示。圆筒型支撑容器尺寸为直径11cm，长为20cm，为实验对象提供实验场所。圆筒形支撑结构使得载物板平稳安置在圆筒形螺线管内，实验对象安放在载物板上；前后挡板开孔，促进空气流通以降低螺线管线圈发热对实验对象的影响。

图6 实验载物台Fig.6 Experimental object stage

2.4 驱动电路与续流回路

驱动电路如图7所示。其中悬浮电源VB通过自举获得，C2为自举电容，D2为充电二极管，D1为续流二极管[17]。INPUT端接收来自STM32送来的时序信号，当输入为高电平时，IR2110的VB端与HO端导通，通过VB和HO驱动MOS管，C2两端电压为VCC，MOS管上栅极通过C1的储能来驱动，从而实现自举式驱动。MOS管选用意法半导体公司的STY60NM50(VDSS=500V，ID=60A)；续流回路中选用功率200W电阻值为5Ω、10Ω(Bmax<60mT时)和20Ω(Bmax<40mT时)的黄金铝壳电阻，用来探索线圈放电时间在治疗糖尿病并发症中的影响。

图7 MOS管驱动电路Fig.7 MOS drive circuit

3 试验结果与分析

PEMF发生装置如图8所示。选用无锡安耐斯公司的D40020J型号开关直流稳压电源，输出电压0～400V可调，输出电容3300μF，额定电流20A。螺线管线圈电感L=20mH，电阻R=0.5Ω，时间常数τ=L/R=40ms。取MOS管导通时间t≤τ/10=4ms检测装置是否满足要求，并对试验区域内磁感应强度大小进行测量与标定。为了验证螺线管双层结构隔热效果，对螺线管线圈表面以及载物板表面进行了温度测量。

图8 PEMF发生装置实物图Fig.8 Photo of PEMF

3.1 磁感应强度

图6的实验载物台为PEMF工作区域，工作区域几何中心为磁感应强度测量点，对螺线管两端电压值、MOS管导通时间、磁感应强度峰值、电流峰值等进行测量和标定，通过对螺线管内不同位置利用高斯计(CH-1800)多次测量求平均值，测得脉冲磁场磁感应强度(如表1所示)；通过示波器实时显示高斯计所测量到的波形。

表1 磁感应强度实验数据

由表1可以看出，当MOS管导通时间一定时，磁感应强度的峰值与电压成正比；当线圈两端电压一定时，磁感应强度的峰值与导通时间成正比，测量值与式(2)近似的理论值相吻合。随着磁感应强度的增加，PEMF最大重复频率降低，这是因为随着磁感应强度增强，高压直流电源内储能电容需要更大的时间间隔进行充电。

PEMF宽度Tw作为该设计的重要指标参数，由脉冲上升时间和脉冲衰减时间组成。脉冲上升时间取决于MOS管开通时间Tup，脉冲衰减时间Tdown取决于螺线管线圈电感L、电阻R和续流回路中放电电阻Rd的大小。磁感应强度B为20mT，Tup分别为3ms、2ms、1ms，Rp分别为10Ω、20Ω时，测得PEMF单个波形，如图9所示。可以看出，通过控制脉冲上升时间Tup、脉冲衰减时间Tdown，可以有效地控制PEMF宽度Tw，这为探索PEMF脉冲宽度在治疗糖尿病并发症中的影响提供了方法。

图9 PEMF波形Fig.9 Waveforms of PEMF

3.2 温度测量

电阻发热量与流过电流的平方成正比，与重复频率成正比；螺线管线圈内产生的磁感应强度与流过的电流成正比。当磁感应强度B为20mT，重复频率f为100Hz时，系统发热量最大，此条件下，在室温24℃，开窗通风环境中测量了线圈表面、工作区域几何中心和放电电阻表面温度，如图10所示。可以看出，螺线管线圈储能绝大部分被续流回路中放电电阻以热量形式释放。当磁感应强度不变时，放电电阻表面温度不随MOS管开通时间Tup变化而改变；螺线管线圈表面及工作区域温度随MOS管开通时间Tup变大而上升。

图10 温度变化曲线Fig.10 Temperature curves

为了减弱温度对生物医学实验的影响，可以通过控制室内温度以及适当通风的方式，将工作区域内温度控制在实验要求的范围内。

4 结论

本文提出了一种用于糖尿病并发症研究的PEMF发生方案，并根据此方案设计首次实现了用于糖尿病并发症治疗的PEMF螺线管发生装置，该装置频率0～100Hz，脉冲宽度、脉冲波形可调，最大磁感应强度100mT。根据实验对象对设备的要求，设计并制作了实验载物台，使用有机玻璃载物台的设计代替了传统捆绑束缚的方法，实现了实验过程的实时观察和记录。双层螺线管线圈骨架架构的设计，满足了生物医学实验对温度的要求，为实验对象提供了更科学的探索环境。通过改变MOS管导通时间，续流回路放电电阻阻值，实现了脉冲宽度和脉冲波形的控制，这为进一步探索验证脉冲宽度和波形对糖尿病并发症的影响提供了基础。

试验结果表明，实验设备运行稳定可靠，产生的PEMF满足研究糖尿病并发症治疗所需要的频率、强度、波形、脉冲宽度。本实验室将使用该设备进一步探索PEMF在糖尿病并发症治疗中的最佳参数以及作用机制。

该PEMF发生系统也可用于探索PEMF在骨质疏松、镇痛、肿瘤等治疗中的作用，它为进一步了解PEMF的生物医学效用，开展生物医学实验提供了基础。

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Designandimplementationofanextremelylowfrequencypulsedelectromagneticfieldsystemfordiabeticcomplications

PAN Wei1，2, PAN Wei-dong1, XU Jing-jing1，2, KONG Xiang-yang1，2

(1. Beijing Key Laboratory of Bioelectromagnetics, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

As a lifelong metabolic disease, the diabetes has many complications. Studies have shown that pulsed magnetic field can promote the deposition of collagen fibers, improve the orientation and arrangement of collagen fibers, help diabetic wound healing, and take effects in promoting the healing of venous ulcers. To further explore the intensity, pulse width, frequency and duration of the extremely low frequency pulsed electromagnetic field (PEMF) for the treatment of diabetic complications, a new scheme was proposed in this study. Following the scheme, the low frequency pulsed electromagnetic field with the intensity from 0 to 100mT and the frequency from 0 to 100Hz was designed based on the STM32 microcontroller technology. The ANSYS software was used to analyze the magnetic field distribution of the coil to optimize the structure. As the core component, the STM32 MCU implements real-time measurements and control of production process. The pulse width was shortened by choosing switching devices and optimizing coils and commutating circuits．The temperature rise with coils was restricted by optimizing the structure of coils. The test experiments showed that the new pattern of PEMF was easy to use with stable and reliable performance, providing an effectively assistant approach for the treatment of diabetic complications.

PEMF; STM32; diabetes mellitus; solenoid coil

2016-09-09

国家自然科学基金项目(31670855)

潘 伟(1990-), 男, 山东籍, 硕士研究生, 研究方向为电磁检测技术；潘卫东(1967-)， 男， 安徽籍， 副研究员， 博士， 研究方向为电磁场效应及磁感受物理机制。

10.12067/ATEEE1609021

1003-3076(2017)12-0065-06

TM153