立體正交磁場治療儀的研制

于學龍 郈秀菊 李紅梅 張素文 李俊起 山東省藥學科學院 （山東 濟南 250101）

內容提要： 該文介紹了一種磁場治療儀，包括處于正交關系的靜磁場與頻率、強度可調的動磁場。以圓筒體中段外壁貼附磁力線處于正交方向的磁片和磁棒，圓筒體兩端設置兩組線圈為動磁場發生器，線圈上施加頻率和大小可調的正弦波電流以產生頻率和強度可調的動磁場。該磁場治療儀的性能較好，動磁場的頻率和強度穩定可調。該儀器在磁力線正交的靜磁場里，施加頻率和強度可調的動磁場，為磁療技術在臨床上的應用提供了一種新方法。

磁療在臨床中廣泛應用于鎮痛、抗癌、骨損傷、精神性疾病、中風、面癱等疾病的治療[1]。目前使用磁療的方法主要有四種：靜磁場、旋轉磁場、動磁場、靜磁與動磁結合。靜磁場是指磁場強度的大小和方向不隨時間變化的磁場，旋轉磁場是指永磁材料隨運動裝置進行旋轉所產生的磁場，動磁場是指磁場強度的大小和方向隨時間變化的磁場。線圈中通入變化的電流則產生動磁場，動磁場還涉及頻率和波形等參數[2,3]。

本文在總結現有的各種磁療技術的基礎上，采用靜磁與動磁結合，設計出一種立體正交磁場治療儀。該磁場治療儀由兩組磁力線方向相互垂直（正交）的磁性材料組成靜磁場，在靜磁場的兩端設置兩組線圈（線圈內通以正弦波形電流）產生動磁場。相互正交的靜磁場與動磁場同時作用于患者病灶處，靜磁場對組織內的離子起到定向的推力作用，動磁場促使離子產生振動作用，更好地促進組織內部微循環，尤其是加快了各種無機鹽離子的運動速度，可以提高治療效果。

1.整體設計

磁療儀主要由治療探頭、電磁場控制電路、軟件組成，其中治療探頭由磁片、磁棒、線圈和圓筒體組成。

1.1 治療探頭

治療探頭是本儀器的關鍵部件，其結構決定了治療效果。治療探頭的結構如圖1所示，由圓筒形殼體、磁片、磁棒、線圈組成。磁片與磁棒貼附在圓筒外壁，磁片兩個一組，磁棒一個為一組。磁片的組數與磁棒的個數相等，依次交替、間隔分布，便于治療探頭所處空間的靜磁場盡可能地均勻分布。磁片和磁棒組成的靜磁場，其磁力線的分布如圖2所示。磁片的磁力線與圓筒的徑向一致，N極向外、S極向內；磁棒的磁力線方向與圓筒的軸向一致，N極向上、S極向下，二者保持相互正交的方向。

圖1. 治療頭結構圖

圖2. 磁片、磁棒關系圖

兩組線圈分別設置于圓筒上下兩端，其線圈匝數相同且同名端一致，即兩組線圈產生的磁力線方向一致。線圈內通以正弦波交流電，可產生方向交變的動磁場。根據電磁學原理線圈通入交流電流產生交變的磁場，交變磁場的頻率等于電流的頻率[4]。通電線圈產生的磁力線平行于線圈的中軸線，其方向符合右手定律，每組線圈產生磁場的強度為（見公式（1））：

式中：B——電磁感應強度，單位：特斯拉（T）；N——線圈匝數；μ——空氣磁導率（μ=4π×10-7）；I——線圈內電流強度，單位：安培（A）；l——線圈的長度，單位：米（m）。

由公式（1）可知，線圈產生磁場的強度與線圈匝數和電流的乘積成正比，而與線圈長度成反比，因此在線圈尺寸確定以后，增大電流可以獲得較大的磁場強度。

線圈產生的動磁場也要實現均勻分布以提高線圈外部和內部磁場的均勻性，可以通過增加線圈的個數和調整線圈之間的距離來實現[5]。本設計考慮到治療探頭的體積、磁場強度等因素，治療探頭內部動磁場強度是均勻的即可，因此采用兩組線圈分別置于治療探頭圓筒兩端的方案。

1.2 電磁場控制電路

本磁場治療儀采用單片機STC12C5410AD作為主控制器，通過正弦波發生器ML2036把數字信號轉換成正弦波，其決定輸出電流波形的頻率。由數字電位器AD2562把正弦波信號幅度進行分級，可以調節輸出電壓的大小，經放大器OPA549進行放大（放大倍數固定），輸出正弦波電流驅動電磁線圈產生動磁場[6-9]。其原理框圖見圖3所示。

圖3. 原理框圖

一臺磁場治療儀可同時控制兩個治療探頭，每個治療探頭的參數可獨立設置，其電路圖見圖4，圖中只顯示出一個治療探頭的驅動電路。STC12C5410AD可通過串行口TXD和RXD線與觸摸屏連接，通過P1.7、P1.6向ML2036、AD2562發送數字信息，通過P1.5、P1.4分別控制ML2036、AD2562的運行。

圖4. 正弦波發生器電路

ML2036需外接晶體振蕩器（圖4中的X2），其串行接口由一個移位寄存器和一個鎖存器組成，數據線SID上的16位（D15～D0）數據字在串行移位時鐘信號SCK上升沿進入16位移位寄存器，數據在LATI下降沿鎖存。其輸出頻率見公式（2）。

AD2562的作用是把正弦波的幅度分為256等分進行輸出。高電壓大電流運算放大器OPA549的輸出電流可以達到8A，圖4所示電路，其輸出電壓為：Vout=Vi×（1+R3/R4）。綜上所述，單片機STC12C5410AD通過ML2036可以輸出頻率可調的正弦波電壓，通過AD2562控制輸出電流幅度的大小，產生頻率和幅度都可調的過零正弦波電流信號，施加于線圈可以產生頻率和強度連續可調的動磁場。

1.3 軟件控制系統

由于靜磁場（磁片、磁棒）的磁場強度是固定不變的，系統只對動磁場進行控制，動磁場的控制參數有三個：磁場頻率、磁場強度（電壓）、治療時間，所以軟件也只對這三個參數進行控制。系統的軟件控制框見圖5所示。開機以后，系統初始化，顯示默認的治療參數。治療開始前用戶可以對頻率、電流、時間參數進行調整，在觸摸屏上按壓“治療”鍵以后，系統按照設定的頻率、電流控制線圈產生預期的動磁場，并在規定的時間內結束治療過程。

圖5. 軟件流程框圖

2.性能測試

本磁場治療儀的功能指標主要有二項：磁場強度和動磁場頻率，其中靜磁場的強度由磁片和磁棒以及其空間布局決定的，動磁場的強度和頻率是可以調節的。使用特斯拉計來測量固定點（圖1中A點處）磁場強度，使用示波器測量線圈兩端點之間的電壓波形的頻率來確定動磁場的頻率。通過三次設置不同頻率和電流強度，測量得的結果見表1，結果的穩定性符合預期要求。

表1. 三種不同頻率與電流強度下磁場強度和動磁場頻率測試結果

3.小結

本磁場治療儀采用單片機控制正弦波發生器專用集成電路產生正弦波電流，通過線圈產生動磁場，配合永磁材料的磁片和磁棒，實現了一種立體正交磁場治療方式，其中動磁場的頻率和強度可以適當調整。儀器具有操作方便、電路結構簡單穩定可靠，可用于各種中低頻和中低強度磁場的生物學研究和臨床治療。