CN101801459A - 用于电磁刺激活有机体内的过程的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
在向身体的至少部分施加时施加用于刺激活有机体内的过程的电磁场的设备,包括:用于产生时变驱动信号的驱动装置以及响应于所述驱动信号产生时变电磁场信号B(t)的换能器。信号B(t)包括两个或更多个周期性信号bi(t)(i=1,2,3,...)的叠加。信号bi(t)被定义为:对于0≤t≤Ti/2,bi(t)=ai*(2exp(-ωit)-(1+exp(-ωiTi/2));以及对于Ti/2≤t≤Ti,bi(t)=-bi(t-Ti/2),其中Ti是bi(t)的周期,ai是bi(t)的振幅,ωi是确定信号bi(t)的时间形状的特征频率。
Description
技术领域
本发明涉及使用电磁场刺激活有机体内的过程。具体地说,本发明涉及适于有效刺激活有机体中的过程(尤其是免疫应答)的设备。
背景技本
周知时变低能电场或磁场在生物系统中产生一定范围的应答。基于这些应答,业已提出了使用低频和低能电磁场的各种治疗或生物刺激疗法。例如,US 3,890,953描述了一种用于刺激骨生长和其它组织的方法。在US 5,183,456中则描述了一种用于调节癌细胞生长的方法。在US 5,290,409中则又描述了一种其中能够影响几种类型的离子转运的方法。
感兴趣的研究组已经证明,人和鼠巨噬细胞通过低频电磁场暴露可被刺激到较高活性(见Simkóet al.,Eur.J.Cell Bilo.Vol.80,2001,p.562-566 and Lupke et al.,Free Radic.Res.Vol.38,2004,p.985-993)。几位作者已经证明通过暴露于电磁场开始观察到细胞素产生、免疫参数增大及应激效应。由这些研究可以断定低场电磁场暴露引起在细胞水平上的应激,导致细胞素的产生和其后的生物应答,包括免疫应答(见Blank et al.,Bio-electrochem.and Bioenerg.,Vol.33,p.109-144,1992 and Mol.Biol.Cell Vol.6,p.466a,1995;Goodmanet al.,Bio-electrochem.and Bioenerg.,Vol.33,p.115;Simkóet al.,J.Cell Biochem.Vol.93,2004,p.83-92;Monselise et al.,Biochem.&Biophys.Res Com.Vol.302(2),p.427-434,2004;De Bruyn et al.,Environ.Res.,Vol.65(1)p.149-160,1994;Markov et al.inBioelectromagnetics edited by S.N Ayrapetryan and M.S.Markov(eds.),Springer 2006,p.213-225)。
免疫应答的适当刺激导致对传染性疾病抵抗力的改善,并因而积极地影响被暴露的有机体的健康。这种看法开启了用于巨大、密集种群的(预防性)疗法的新可能,在这些种群中传染性疾病越来越成问题。这类问题在具有遗传统一性有机体的种群中特别流行,如农场牲畜、鸡、虾和鱼种群。传染性疾病对于这类种群可能非常危险,并且治疗成本非常高。
WO 03/035176描述了一种刺激人和动物的免疫系统的特别有效的设备。这种设备适于将取决于时间的电磁场施加到活有机体身体的一部分上。施加信号具有在其中一些频率或频率区域比其它更强烈地呈现的频谱。这一设备能够支持在其中治疗涉及炎症和传染的病害的疗法。
在WO 03/035176中描述的用于电磁刺激的系统是仅适用于治疗单个有机体的小型系统。况且,没有给出关于信号形状的指示。在现有技术中没有解决为大型种群进行大规模的有效电磁刺激及其使用的具体信号类型的问题。比如,牲畜种群通常饲养在大面积建筑物或其它大尺寸空间中。通常用于牛、鸡及猪的厩和棚或用来养鱼的池溏具有至少几十至几百米的典型尺寸。没有特殊措施,这样大面积的受控电磁刺激是困难的,并需要大量能量。况且,当在较边远区域中使用所述设备时,具有太阳能和/或风能供给的电池馈电系统是必需的。在该情况下,降低功耗是非常重要的方面。
况且,其中饲养牲畜的建筑物在大小和结构上彼此不同。在这类建筑物中安装的换能器需要定做。因此,这些电磁换能器的阻抗将在一定程度上随建筑物而变。电磁换能器的驱动电子设备的负载的这些变化和偏差将影响产生的电磁信号。这将不利地影响刺激治疗的有效性。
发明内容
本发明的一个目的是降低或消除现有技术的缺陷的至少一种,并且提供一种适于产生电磁场信号的设备,其中该电磁场信号适于有效刺激特别是免疫应答的过程。
本发明涉及如下观察:需要特殊形状的信号实现对活有机体内的过程的有效和有益刺激。它涉及如下认识:在包括免疫系统的刺激在内的生物过程的刺激中,包括特定形状的至少两个周期性电磁信号的叠加的电磁信号特别有效。由于这种电磁信号在活有机体中引起包括免疫应答在内的过程的有效刺激,所以可使用小振幅信号,由此降低产生这些场需要的能量的量。此外,通过使用相对简单和成本有效的电气元件能够产生根据本发明的信号。
本发明的一个方面涉及一种设备,当联接到诸如有机体之类的身体的至少部分上时,施加适于刺激活有机体内如免疫应答的过程的电磁场。该设备包括:用来产生时变驱动信号的驱动装置,如数字信号发生器;和响应于信号发生器的驱动信号的一个或多个换能器,如特殊适应电磁线圈结构。优选地,换能器适于在大面积上产生电磁场。
换能器产生包括电磁场的时变信号B(t),该电磁场对于刺激身体内的过程非常有效。信号B(t)包括至少两个周期性基函数bi(t)(i=1,2,3,...)的叠加,其中函数bi(t)定义为:
bi(t)=ai*(2exp(-ωit)-(1+exp(-ωiTi/2)) 对于0≤t≤Ti/2
bi(t)=-bi(t-Ti/2) 对于Ti/2≤t≤Ti
Ti是函数bi(t)的周期,ai是函数的振幅,及ωi是在很大程度上确定信号bi(t)的形状的特征频率。已经试验性地确定这类电磁场提供对活有机体身体内的过程的有效刺激。
典型地,振幅ai(i=1,2,3,...)被选择以使得在处理位置处B(t)的峰振幅将在1nT至1mT之间的范围内,优选地在0.03μT至30μT之间的范围内。归因于用于电磁刺激的信号B(t)的有效形状,即使小振幅信号也将足以产生有利的刺激。于是,这种信号的使用大幅降低大面积和大规模应用中的能量消耗。
在一个实施例中,所述特征频率ωi(i=1,2,3,...)的每一个被选择以大体匹配期望的特征频率ωo。由此所有基函数bi(t)具有相同的特征频率ωo。典型地,特征频率ωi或公共特征频率ωo从在200与20,000rad.s-1之间,更优选地在500与15,000rad.s-1之间,特别是在1000与5,000rad.s-1之间的范围内选择。
在本发明的一个方面中,由R/L比值确定的换能器的特征频率ω1被选择以大体匹配期望的信号特征频率ωo。这里,在所述换能器中,R代表电阻,L代表(诸)感应线圈的电感。如果换能器由方波(block-wave)型驱动信号驱动,则产生具有最佳刺激效果的电磁信号B(t)。具体换能器结构在题为“Coil structure for electromagneticstimulation of processes within a living organism,device using suchcoil structure and method of driving”的相关申请中有着更为详细地描述,该相关申请由此通过引用包括在本申请中。
在本发明的实施例中,周期Ti(i=1,2,3,...)的至少一个从在0.01ms与1000ms之间,优选地在0.1ms与100ms之间的范围中选择。典型地周期Ti(i=1,2,3,...)具有不同的值。优选地,所述周期Ti的至少一个大体匹配第一组周期Ti′=1/fi或第二组周期Ti″=(Bloc/Bo)·(1/fi)的一个,其中f1=10Hz,f2=700Hz,f3=750Hz,f4=2200Hz。Bloc是在设备的位置处的局部地磁场,并且Bo=47μT。这里,关于Bloc/Bo比值的频率的定标行为被试验地确定。关于环境磁场的定标行为也在US 5,290,409中观察到。
根据以上提到的选择标准之一或其组合的周期Ti(i=1,2,3,...)的选择将提供对于在大规模和大面积应用中的电磁刺激中的使用特别有效和有利的电磁场信号。
在本发明的实施例中,设备包括将信号提供给用于驱动电磁换能器的放大器的信号发生器。普通的已知线性放大器不适于用来驱动大面积换能器。这类放大器会消耗太多能量。在本发明的实施例中,放大器是开关放大器,优选地是脉冲宽度调制放大器、或D级放大器。这类放大器具有高功率转换效率和减小的功率耗散。作为结果,需要较少冷却,由此允许紧凑和简单的电路。
在本发明的再一个方面,驱动装置适于产生方波信号,优选地适于产生包括一个方波信号、或优选地至少两个方波信号vi(t)(i=1,2,3,...)的叠加的驱动电压信号V(t),其中方波信号vi(t)的每一个具有对应周期Ti。方波信号可容易地由数字信号发生器产生,并且最佳地利用在设备中的电压电源。在一个实施例中,设备由电池馈电。
在又一个实施例中,设备包括对于换能器的特征频率ω1=R/L的变化用来补偿驱动信号的信号补偿装置。这类变化源于换能器的阻抗变化。
优选地,补偿装置布置在信号发生器与放大装置之间。补偿装置包括具有特征频率的有源电路,该特征频率大体匹配期望的信号特征频率ωo。
在一个实施例中,补偿装置包括RC电路,其中RC电路的电阻器Ro和电容器Co被选择以使得RoCo乘积大体匹配期望的信号特征频率ωo。RC电路的使用因而允许非常简单和成本有效的负载调节,并且消除和/或减小换能器的阻抗变化对于电磁场信号的期望形状的有害影响。
补偿装置也可包括具有至少一个特征频率的电感性有源电路或组合电容性/电感性有源电路,该特征频率大体匹配期望的信号特征频率ωo。补偿装置因而允许设备产生优选形状的电磁信号,而与换能器的阻抗的变化无关。
本发明还涉及一种在向身体的至少部分施加时施加用于刺激活有机体内的过程的电磁场的设备,该设备包括:驱动装置,用来产生时变驱动信号;至少一个换能器,响应于所述驱动信号,用来产生时变电磁场,并且其中所述电磁场包含至少两个周期性函数的叠加,所述函数的每一个具有确定所述函数的形状的特征频率ωo。设备还包括脉冲宽度调制放大器、和/或用来对于所述换能器的特征频率ω1=R/L与所述特征频率ωo的偏差而补偿所述驱动信号的信号补偿装置,该信号补偿装置布置在所述驱动设备与所述换能器之间。在根据本发明的设备中,脉冲宽度调制放大器和/或信号补偿设备的使用为用于刺激活有机体内的过程的大面积和大规模电磁换能器提供非常有效的驱动电子电路。
附图说明
借助于对示例性实施例的描述,对于如下附图进行的参考,将进一步解释本发明,在附图中:
图1代表根据本发明实施例的设备的示意图。
图2代表优选周期性基信号bi(t)的形状的示意图。
图3例示了关于用电磁场信号处理的吞噬细胞的试验结果。
图4例示了关于用电磁场信号处理的被感染扇尾金鱼的活体试验结果。
图5例示了关于用电磁场信号处理的被感染肉鸡的活体试验的结果。
图6代表有关用电磁场信号处理的肉鸡的改进饲料转化的曲线。
图7代表根据本发明一个实施例的驱动装置的驱动电子电路的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于电磁刺激的设备的示意性表示。该设备包括用于产生电压信号V(t)的驱动装置100,其中该电压信号V(t)驱动电磁换能器102。换能器102包括合计具有一定电感L和电阻R的一个或多个电磁线圈。响应于驱动信号V(t),电流I(t)流过换能器,产生电磁场B(t)。典型地,在大面积和大规模应用中,电磁线圈形成分布式线圈结构。这些分布式结构被布置在其上保持有活有机体的表面面积S之上或之下。具体的换能器结构在题为“Coil structure forelectromagnetic stimulation of processes within a living organism,device using such coil structure and method of driving”的相关申请中有着更为详细地描述。
驱动装置产生提供给电磁换能器的驱动信号。响应中,换能器产生包括电磁场的时变信号B(t),其中该电磁场对刺激体内过程非常有效。低频电磁信号B(t)包括单个基信号、或优选地包括合成信号。合成信号包含至少两个周期性基信号bi(t)(i=1,2,3,...)的叠加,其中这些基信号中的每一个基信号具有在图2中所例示的形状。周期性基信号bi(t)被定义为:
bi(t)=ai*(2exp(-ωit)-(1+exp(-ωiTi/2)) 对于0≤t≤Ti/2
bi(t)=-bi(t-Ti/2) 对于Ti/2≤t≤Ti
这里Ti是信号bi(t)的周期,ai是信号的振幅,ωi是信号的特征频率。特征频率ωi确定信号的上升和下降时间,并由此在很大程度上确定信号的形状。信号的叠加包括两个或多个基信号的求和或积分,这些基信号优选地具有不同频率。当将这类时变信号施加至身体的一部分时,细胞中涉及生物化学过程的不同离子经受电动势,该电动势与时变磁场的时间导数dB(t)/dt成比例。因此,可通过调谐基信号的特征频率操纵施加于细胞中离子的力。申请人发现,具有由特征频率确定的具体形状的两个或更多个基信号的使用能够令人惊讶地提供对细胞中的生理过程的有效刺激。
图3至6中的曲线示出了体外实验和活体试验的结果,在这些试验中,对于使用本发明的合成低频电磁信号暴露的各种病原体探查对免疫应答的影响。信号包括关于图2的基信号所描述的成形波形bi(t)。典型地,使用在250与5000Hz之间的基频fi=1/Ti。在图3至6中描述的试验涉及使用由基频700和750Hz组成的信号进行每天30分钟的电磁刺激处理。选择函数bi(t)使其具有约1900rad.s-1的相同特征频率ωo。使用在100nT和50μT之间的各种电磁场强度。
图3示出了对吞噬细胞的一系列体外试验结果。附图描绘相对于对照在吞噬细胞中的氧爆发(Oxygen burst),其中每批代表48个样本(总置信水平p<0.0001)。在电磁刺激的普通鲤前肾导出吞噬细胞中的活性氧(ROS)生产被确定为用于免疫活性的测度。测量基于氧对盐氮蓝四唑(NBT)的还原。这一还原导致蓝着色,并且可使用分光光度计测量。由试验结果得出,与阴性对照值相比,5μT和1.5mT的电磁场的暴露分别导致免疫活性42%和33%的增加。
图4示出了对于扇尾金鱼(Carrassius Auratus spp.)的活体试验的结果。使用范围从0.15μT至50μT的六种不同场强进行电磁刺激试验。金鱼严重地感染有外寄生物(鳃寄生物),如指环属/三代虫属、车轮虫属、斜管虫属及口丝虫属。这些类型的寄生物感染在鱼的养殖阶段频繁地发生,并且在存储和国际运输期间归因于大型种群填充在一个体积中这一事实而强度增加。这类感染及其后的二次细菌感染如不处理会引起高死亡率。
图4中的结果示出了对照组在第28天死亡率高达52%。相反,经电磁处理的鱼的平均死亡率在第28天是15%。当使用小于0.05μT的场时,处理的有效性降低。这些结果是可再现的,并且示出了在使用的所有场强级别下,使用由本发明的设备产生的合成电磁信号的低能电磁处理都导致死亡率的降低。
图5示出了对560只商业肉鸡的一系列活体试验,这些肉鸡暴露于来自球虫病的感染压力。曲线示出了归因于堆型艾美球虫和巨型艾美球虫的肠球虫损害在用电磁场处理的组中显著较低。用6.5μT合成电磁场信号的处理减小肠损害达40%。
图6描绘在关于图5所描述的试验中处理和非处理鸡的饲料转化(即,在按千克的鸡生长与按千克的饲料之间的比值)。通过电磁处理球虫病感染的鸡实现达8%的饲料转化的显著和经济相关改进。改进指示电磁刺激健康,并因而刺激鸡的每单位饲料的生长。
进一步的试验示出了通过从f1=10Hz,f2=700Hz,f3=750Hz,f4=2200Hz的第一组频率和/或等于第一组频率乘以因数Bloc/Bo的第二组频率中选择基频,能够实现特别有效的刺激,其中Bloc是在设备的位置处的局部地磁场,并且Bo=47μT。
电磁信号由驱动装置700产生,该驱动装置700包括在图7中示意性例示的驱动电子电路。信号发生器702将驱动信号V(t)提供给一个或多个放大器704的输入。信号发生器702典型地是数字信号发生器,它能够产生包括一个方波信号、或优选地至少两个方波信号vi(t)(i=1,2,3,...)的叠加的驱动信号V(t),其中方波信号vi(t)的每一个具有对应周期Ti。优选地,基函数bi(t)具有相同的特征频率ωo。在该情况下,通过选择换能器706中的感应线圈的特征频率ω1=R/L适当匹配期望特征频率ωo,确定期望的信号形状。
驱动装置还包括如图7中所示布置在信号发生器702与放大器704之间的补偿装置708。补偿设备708能够补偿在期望特征频率ωo与(诸)感应线圈的特征频率ω1=R/L之间的偏差Δω。这些偏差Δω由各种原因引起,如线圈阻抗的几何变化、或将ω1与期望特征频率ωo相匹配的(几何)约束。
为了产生期望电磁场B(t),在换能器706的(诸)线圈中应该产生电流I(t)。这通过将包括一个或优选地包括至少两个方波信号vi(t)(i=1,2,3,...)的叠加的电压信号V(t)施加到驱动换能器的一个或多个放大器的输入上来实现。这里换能器的特征频率ω1=R/L近似地匹配期望信号的特征频率ωo。然而,如果ω1距ωo偏移值Δω,那么应该产生调节电压V′(t)=V(t)-LΔωI(t),以便得到期望电磁场信号B(t)。V′(t)可被数字地产生,然而这种解决方案要求昂贵的信号处理硬件。
在本发明的一个方面,补偿设备708允许用简单的小功率、模拟元件产生调节电压V′(t),从而补偿换能器的阻抗偏差。在补偿设备708中,信号发生器的电压V(t)施加到具有电阻器Ro和电容器Co的RC电路上,使得RoCo乘积大体匹配期望的信号特征频率ωo。这里可选择相对较大的电阻Ro,使得电路中的能量耗散可保持较低。通过使用简单模拟加法和减法电路(现有技术中周知),即使在V(t)是通过各种方波函数vi(t)的相加构造的更为复杂信号的情况下,也可按简单方式构造调节电压V′(t)。
RC电路的使用因而允许非常简单和成本有效的负载调节,并且消除和/或减小换能器的阻抗变化对于电磁场信号的期望形状的有害影响。补偿装置也可包括具有至少一个特征频率的电感性有源电路或组合电容性/电感性有源电路,该特征频率大体匹配期望的信号特征频率ωo。
信号发生器的电压、或在可施加时补偿电压信号V′(t)优选地被提供给脉冲宽度调制放大器或D级放大器的输入,该放大器与常规线性放大器相比,具有高功率转换效率和降低的功率耗散。作为结果,需要较少冷却,由此允许紧凑和简单的电路。当在较边远区域中使用刺激处理而要求驱动装置由电池馈电时,在驱动装置设计中的能量考虑特别重要。
在图7中的驱动装置还可包括用于信号发生过程的控制和自动化的处理器710。例如,驱动装置可以包括能够确定换能器的特征频率ω1的另外电路。使用这个频率,处理器可经由控制线712指令补偿装置产生补偿电压信号V′(t)。
本发明不限于以上描述的实施例,这些实施例在所附权利要求书的范围内可以变化。
Claims (14)
1.在向身体的至少部分施加时施加用于刺激活有机体内的过程的电磁场的设备,所述设备包括:
-驱动装置,用于产生时变驱动信号,
-至少一个换能器,响应于所述驱动信号产生包括所述电磁场的时变信号B(t),并且,
其中所述信号B(t)包括两个或更多个周期性信号bi(t)(i=1,2,3,...)的叠加,每个信号bi(t)被定义为:
bi(t)=ai*(2exp(-ωit)-(1+exp(-ωiTi/2)) 对于0≤t≤Ti/2
bi(t)=-bi(t-Ti/2) 对于Ti/2≤t≤Ti
其中Ti是bi(t)的周期,ai是bi(t)的振幅,ωi是确定信号bi(t)的时间形状的特征频率。
2.根据权利要求1所述的设备,其中所述特征频率ωi(i=1,2,3,...)从在200与20,000rad.s-1之间,更优选地在500与15,000rad.s-1之间,特别是在1000与5,000rad.s-1之间的范围中选择。
3.根据权利要求1或2所述的设备,其中所述周期Ti(i=1,2,3,...)中的至少一个从在0.01ms与1000ms之间,优选地在0.1ms与100ms之间的范围中选择。
4.根据权利要求1至3任一项所述的设备,其中所述周期Ti(i=1,2,3,...)中的至少两个被选择具有不同的值。
5.根据权利要求1至4任一项所述的设备,其中所述周期Ti的至少一个大体匹配由第一组周期Ti′=1/fi或第二组周期Ti″=(Bloc/Bo)·(1/fi)定义的周期的一个,其中f1=10Hz,f2=700Hz,f3=750Hz,f4=2200Hz,Bloc是设备位置处的局部地磁场,并且Bo=47μT。
6.根据权利要求1至5任一项所述的设备,其中所述设备还包括布置在所述驱动装置与所述换能器之间的放大装置,优选地为开关放大器或脉冲宽度调制放大器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的设备,其中所述驱动装置包括信号发生器,优选地为数字电压发生器,该信号发生器适于产生包括一个方波信号、或至少两个方波信号vi(t)(i=1,2,3,...)的叠加的驱动信号V(t),其中所述方波信号vi(t)的每一个具有对应周期Ti。
8.根据权利要求1至7任一项所述的设备,其中所述特征频率ωi(i=1,2,3,...)的每一个大体匹配所述感应线圈的特征频率ω1=R/L。
9.根据权利要求1至7任一项所述的设备,其中所述特征频率ωi(i=1,2,3,...)的每一个大体匹配特征频率ωo,并且其中所述设备还包括对于所述换能器的特征频率ω1=R/L与所述特征频率ωo的偏差用于补偿所述驱动信号的信号补偿装置。
10.根据权利要求9所述的设备,其中所述信号补偿装置布置在所述驱动装置与所述放大装置之间。
11.根据权利要求9或10所述的设备,其中所述信号补偿装置包括RC电路,其中所述RC电路的电阻器Ro和电容器Co被选择以使得乘积RoCo大体匹配所述特征频率ωo。
12.在向身体的至少部分施加时施加用于刺激活有机体内的过程的电磁场的设备,所述设备包括:
-驱动装置,用来产生时变驱动信号,
-至少一个换能器,响应于所述驱动信号产生时变电磁场,并且其中所述电磁场包含至少两个周期性函数的叠加,所述函数的每一个具有确定所述函数的形状的特征频率ωo,
其中所述设备还包括脉冲宽度调制放大器、和/或用于对于所述换能器的特征频率ω1=R/L与所述特征频率ωo的偏差补偿所述驱动信号的信号补偿装置,该信号补偿装置布置在所述驱动装置与所述换能器之间。
13.在向身体的至少部分施加时施加用于刺激活有机体内的过程的电磁场的方法,所述方法包括如下步骤:
-产生时变驱动信号,
-使用至少一个换能器,响应于所述驱动信号,产生包括所述电磁场的时变信号B(t),并且,
其中所述信号B(t)包括至少两个周期性信号bi(t)(i=1,2,3,...)的叠加,每个信号bi(t)被定义为:
bi(t)=ai*(2exp(-ωit)-(1+exp(-ωiTi/2)) 对于0≤t≤Ti/2
bi(t)=-bi(t-Ti/2) 对于Ti/2≤t≤Ti
其中Ti是bi(t)的周期,ai是bi(t)的振幅,ωi是确定信号bi(t)的形状的特征频率。
14.驱动在根据权利要求1至11任一项所述的设备中的换能器的方法,其中,所述换能器由包含两个或更多个方波信号vi(t)(i=1,2,3,...)的叠加的驱动信号V(t)驱动,其中所述方波信号vi(t)的每一个具有对应周期Ti。
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