CN101815555A - 电磁场治疗设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种方法，其使用拉莫尔进动产生利用特定行为的磁场条件，该特定行为包括共振条件。对磁场环境和特定束缚靶系统的了解使得有可能来计算共振发生的条件，并从而配置利用这些共振条件的电磁场环境。了解了这些条件，可配置电磁场信号以产生可增强或抑制生物过程的特定的生物有效的电磁场。

Description

电磁场治疗设备及其使用方法

技术领域

本发明总的来说涉及在靶传输途径结构诸如分子、细胞、组织和器官处使用通过优化随时间变化的电磁场(“EMF”)的振幅和波形特性所选择的静态(“DC”)和随时间变化的(“AC”)磁场(“MF”)，以治疗性和预防性地治疗人类、动物和植物的方法和设备。根据本发明的一实施方式，在靶传输途径结构处时空配置磁场以满足拉莫尔进动(Larmor Precession)条件，以使得可提供用于人类、动物和植物的组织生长和修复的治疗。提供了基于电磁场对生物靶的影响的LP条件给出的精确了解，配置生物有效的电磁场信号的方法。此了解用于在所述靶中产生特定的生物反应。给出了基于LP条件的装置构建的方法，所述方法包括直接采用包括地磁场的背景电磁场的装置，作为所配置的生物有效场的所述LP的有机组成部分。

背景技术

存在一类重要的生物有效的电磁场，包括那些由于静态磁体具有太小的磁场振幅和频率而无法明显地引起显著的感生电场(“IEF”)效应的电磁场。因此观察到的这些电磁场的生物效应和疗效必须是直接归因于所述磁场。有人提议可配置DC和低频率AC的磁场的特定组合以增强或降低特定的生物过程。

已报道1高斯(“G”)至4,000G内的DC和AC磁场对于治疗因肌骨骼损伤和病理学造成的疼痛和水肿具有显著的治疗效果。在分子水平的环境范围，低于1G的磁场加速了无细胞酶测定混合物中肌肉收缩蛋白的磷酸化。已报道范围从23G至3,500G的磁场改变溶液的电性质以及它们的生理效应。在细胞水平，300G的磁场使成骨样细胞中的碱性磷酸酶活性加倍。介于4,300G和4,800G之间的磁场显著增加了成纤维细胞的更新率和合成，但对成骨细胞无效。通过使用225G和900G范围的磁场，从鸡胚神经节派生的神经突显著增大。暴露于2.5G的大鼠肌腱成纤维细胞显示了预附着细胞的广泛脱附，以及暂时改变的形态学。需要15G/mm的最小磁场梯度以造成分离的神经制备物中的80％动作电位封锁。一系列研究证明10G的磁场可显著影响兔模型中的皮肤微循环。这些研究之一显示依赖于药理学上所确定的靶状态的二相反应。

已执行了使用静态磁体的若干项双盲临床研究。使用300G至500G场的单一45分钟治疗使小儿麻痹后遗症患者(post-polio patient)中的疼痛减轻76％。磁体置于痛压点，而不是直接在疼痛部位上。抽脂(suctionlipectomy)后7天的时间段内变色(discoloration)、水肿和疼痛被减轻40％，最高70％。将含有150G至400G陶瓷磁体阵列的衬垫在手术后立即置于吸脂部位并在该部位保持14天。在4个月的时间段内在含有800G陶瓷磁体的床垫衬垫上睡觉的患者中，纤维肌痛(fibromyalgia)(疼痛、睡眠障碍等)的测量结果被降低大约40％。在随机化的、安慰对照交叉足研究中，使用475G交替极磁性鞋垫的90％的糖尿病外周神经病变的患者显著减轻了疼痛、麻木和刺痛。仅30％的非糖尿病受治疗者显示了同等的改善。慢性腰部疼痛对在腰部区上6小时/天、3次/周应用具有交替极300G场的衬垫一周无反应。

静态磁场装置的被证明的疗效和低频率AC装置的广泛生物效应已导致发展了若干个模型来解释这一现象。DC和AC磁场对钙流出和束缚过程的影响的早期观察刺激了进入将离子和配体束缚作为各种观察到的影响的主要转导途径的研究。振幅窗以及对特定DC和AC场频率和振幅特性的依赖性的早期观察提示了发展预测场的特定组合的共振条件的模型。离子回旋共振(“ICR”)模型显示磁场直接作用于荷电离子或配体的经典轨迹。然而，基于回旋运动不可能发生于粘性介质的依据和在观察的场强下回旋轨迹的直径将远大于生物靶自身的总大小的依据，这一模型被认为在物理学上是不切实际的。

对AC磁场振幅窗的报告导致发展了预测共振的量子力学离子参数共振(“IPR”)模型。这些模型显示有希望预测AC和静态磁场组合的共振位置。然而，这些模型的预测用途的最主要的缺陷之一是所产生的数值严重依赖于诸如钙(“Ca”)束缚部位的球形对称的因素。对此对称的小扰动将产生与理论预测的巨大偏差。这表明，实验和理论共振之间的明显类同可能是巧合的。已表明，观察到的共振还包括不同靶离子的复杂组合和脂质体表面的荷电脂质的参与。

包括经典洛仑兹力的模型避免了ICR模型和IPR模型中的固有困难。

因此，存在对包括通过使用拉莫尔进动机制来控制DC和ELF磁场影响，以发生对多个生理生化级联的有效加速、减速或抑制的设备和方法的需要。

发明概述

根据本发明的设备和方法包括向人类、动物和植物分子、细胞、组织和器官递送脉冲电磁场用于治疗和预防目的。特别地，根据本发明的实施方式包括产生被专门配置以符合如下文详细描述的LP条件和共振的AC和/或DC磁场的任何组合，和产生具有AC和/或DC特性的靶向靶的特定生化特性的任何信号。

优选地，根据本发明的一实施方式包括通过满足LP条件的要求而设计的耦合于靶的任何二次信号或模式调制任何载波电磁场，包括但不限于选择在产生具有靶向靶的所述特定生化特性的特定特性的任何特定波形中所采用的特定数值参数。通过叠加、振幅和频率调制以及产生有效包络(envelope)的调制使用满足具有变化或恒定振幅和频率的载波波形的LP条件的特征波形，以形成具有已知特性包括调谐至离子和配体束缚的动力学和共振频率的波形和功率谱的信号。

发明公开

根据本发明的一实施方式包括借以检测背景磁场包括地磁场，以产生将允许选择性地增强、选择性地降低或完全抵消所述地磁场的空间分量的反馈，进而根据经验证据和/或数学模型配置特定的生物有效的磁场的方法。

根据本发明的实施方式包括产生满足LP条件的特定信号，借此所得的复合磁场信号配置为可被应用于靶传输途径结构，诸如分子、细胞、组织和器官，作用时间为每天约1分钟至约几小时，然而也可使用其他作用时间。

根据本发明的另一实施方式包括调制满足LP条件的磁场，所述磁场包含具有0.01G至5,000G的振幅的任何DC磁场。

根据本发明的另一实施方式包括调制满足LP条件的磁场，所述磁场包含具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的任何AC磁场。

根据本发明的另一实施方式包括调制满足LP条件的磁场，所述磁场包含具有约0.01G至5,000G的振幅的任何DC或AC磁场，所述DC或AC磁场与具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的任何AC或DC磁场叠加，以用于组织、器官、细胞和分子的治疗。

根据本发明的另一实施方式包括调制满足LP条件的磁场，所述磁场包含具有约0.01G至5,000G的振幅的任何DC或AC磁场，所述DC或AC磁场与具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的任何AC或DC磁场叠加，以增强组织、器官、细胞和分子中的任何生化过程。

根据本发明的另一实施方式包括调制为满足LP条件的磁场，所述磁场包含具有约0.01G至5,000G的振幅的任何DC或AC磁场，所述DC或AC磁场与具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的任何AC或DC磁场叠加，以抑制组织、器官、细胞和分子中的任何生化过程。

根据本发明的另一实施方式包括满足LP条件的任何信号与已知特性的双极性脉冲串叠加，产生具有约0.01G至5,000G.的振幅的可变波形的信号，以增强或抑制组织、器官和细胞中的任何生化过程。

根据本发明的另一实施方式包括满足LP条件的任何信号与已知特性的双极性脉冲串叠加，产生具有约0.01G至5,000G.的振幅的可变波形的信号，以用于组织、器官、细胞或组织的治疗。

根据本发明的另一实施方式包括被调制满足LP条件的任何载波信号的应用，所述应用使用感应耦合信号传输设备、植入靶内或置于靶表面的电极或应用所述信号的任何其他方法，以用于组织、器官、细胞和分子的治疗。

根据本发明的另一实施方式包括至少一个柔韧的感应耦合传输线圈，所述传输线圈可加入解剖包覆物(anatomical wraps)和支持物内，以用于组织、器官、细胞和分子的治疗。

根据本发明的另一实施方式包括至少一个柔韧的感应耦合传输线圈，所述传输线圈可加入绷带和敷料剂内，以用于组织、器官、细胞和分子的治疗。

根据本发明的另一实施方式包括至少一个柔韧的感应耦合传输线圈，所述传输线圈可加入日常服装和衣物内，以允许随走动进行所描述的对组织、器官、细胞和分子的治疗。

根据本发明的另一实施方式包括至少一个柔韧的感应耦合传输线圈，所述传输线圈可加入床、床垫、衬垫、椅子、长凳和设计为支撑人类和动物的解剖学结构的任何其他结构。

根据本发明的另一实施方式包括采用多个柔韧的感应耦合传输线圈，以使所述线圈提供的覆盖面积增加，以用于更大面积的组织、器官、细胞和分子的治疗。

根据本发明的另一实施方式包括以比传统的电子医疗装置减小的功率水平运转的设备。

就本发明而言，“背景场”包括地磁场和由任何装置产生的可被传导至治疗部位的磁场。

就本发明而言，“生物有效的”意指与增大或减小组织生长和修复相关的生化级联反应的生物学和生理学结果。

就本发明而言，“LP共振”意指共振条件的计算，即通过采用LP动力学的任何方法来计算共振条件。

根据下文阐述的“附图简述”和“发明详述”，本发明的以上和其他方面和优点将变得明显。

附图简述

现在将参考所附的简图，以例举的方式描述本发明特定实施方式的方法和设备：

图1阐明了磁场对信号分子内束缚的荷电离子的影响；

图2描绘了束缚离子的拉莫尔进动，其中存在热噪声和施加的磁场；

图3是描绘CaCaM束缚的生物效应的图；

图4描绘了Ca和水分子的氧臂和氢臂的进动频率；

图5描绘了50μTAC和DC磁场平行叠加下Ca的拉莫尔进动频率；

图6阐明了对AC磁场生物效应的反应性；

图7是阐明对AC/DC平行磁场组合的束缚寿命的反应性的图；

图7A是阐明对AC/DC平行磁场组合的反应性的图；

图8是随机振子方向的作为AC频率和振幅的函数的平均偏差的典型反应性的图；

图9描绘了对平行AC/DC磁场组合的正共振(on-resonance)和非共振(off-resonance)行为的比较实例；

图10在左侧阐明了作为时间和DC/AC振幅比值的函数的抽样的轴偏离或从z-轴的进动，并在右侧阐明了垂直场配置的反应性；

图11是组合的AC/DC场组合的LP条件的例子；

图12是骨细胞中钙流动试验的结果的图，右上方显示与此实验相关的LP共振形貌(landscape)的区域，底部是相关的预测频率响应；

图13阐明了：左上方1301是特定场配置的共振形貌，显示振子轨迹的z-分量，经受施加的AC/DC平行和垂直场组合，左下方显示通过距零点的平均z-偏移(excursion)位移确定的反应性，显示抑制性和刺激性二种响应，而右上方显示修正的磁场配置的共振形貌，其产生如右下图所示的可预测的反应性变化；

图14示出了LP共振条件，在左侧1401，由拉莫尔进动对AC/DC垂直场组合所预测的表示反应极值的共振条件，通过进动振子的z-偏差(z-declination)来测出，该共振条件出现在DC场中的振子的拉莫尔频率的1/2-整数倍处，注意到共振条件依赖于AC频率和AC/DC的振幅比，由此共振的位置将依赖于背景场的作用，以及在右侧，对AC振幅＝0.5DC幅值的表示抑制反应区域的共振位置出现在DC场的拉莫尔频率的整数倍处；

图15示出了由6英寸直径的单匝线圈而得到的磁场的空间分量，从而由于对该装置而得到的磁场的时空分量的准确了解允许使用该场与背景磁场相叠加以生成合成的生物有效的磁场；

图16示出了所预测的LP共振，对AC/DC平行磁场组合，DC＝37μT，AC频率＝24Hz，37μT的DC场的拉莫尔周期取为74毫秒，按照在图7和图7A中所示的每个方法，该方法具有应用在x轴711上所绘制的磁场频率和在y轴712上绘制的角位移；

图17示出了对组合式平行+垂直的AC/DC场所预测的LPM共振，在这种情况下，1994年Fitzsimmons报道了对20μT的平行AC/DC场和15μT的垂直DC场，LPM符合Ca2+的流量数据，以及LPM还预测了在较低频率处Ca2+的流量的抑制，不是ICR共振的次谐波；

图18示出了如Blackman所报道的，对336mG(36.6μT)的平行比垂直的AC/DC场的AC振幅在45Hz处变化的组合，关于PC-12细胞的神经突生长所预测的LPM共振，以及LPM准确地符合于平行和垂直方向的数据，并且预测了在较高AC振幅处的每个方向的共振行为；

图19是根据本发明的实施方式的方法的框图；以及

图20是根据本发明的实施方式的设备的框图。

发明实施方式

LP是磁场借以向束缚离子的运动引入相干性的手段。拉莫尔定理表明，对于磁矩，磁场的引入引起以拉莫尔频率旋转的原始运动转换到参照系：

ω_L＝ΓB，                (1)

其中Γ是进动系统的旋磁比。Γ＝q/2m，其中q是电荷，而m是靶(诸如单个钙离子)的质量。

生物靶中的束缚电荷通常将经历热感应振动，从而产生系统的磁矩。可预期此系统经历LP。此运动将持续与热力叠加，直至热力最终从束缚部位释放振子。对于沿z-轴定向的磁场，进动运动将被限制于x-y平面。除了束缚振子的相干进动运动之外，预期由热噪声自身对运动的作用也经历进动。

拉莫尔进动是磁场对磁矩的效应，而基础机理是量子力学并涉及磁矩的自旋加快(spin-up)和自旋减慢(spin-down)分量的相对相位的变化时，所述效应可通过经典模型描述。在存在热噪声时，例证性经典模型利用了针对被束缚在受到沿z-轴定向向上的磁场的势阱中的离子的洛仑兹-朗之万方程：

$\frac{d^{2}r}{{\mathrm{dt}}^2}=-\mathrm{\β}\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\γ}\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}}x{B}_{0}k-{\mathrm{\ω}}^{2}r+n.---\left(2\right)$

其中r是粒子的位置向量；β是热浴中分子碰撞造成的每单位质量的粘性阻尼系数，γ是离子荷质比；B₀是磁场向量的大小；k是沿z-轴的单位向量；ω是振子的角频率，以及n是每单位质量的随机热噪声力。尽管这里显示的势能函数是谐振子的函数，但所述进动不限于线性各向同性势的情形，而是预期对发生于任何中心复原性势(central restorativepotential)。

对于特定情形或通过数值积分可求得洛仑兹方程的闭合形式的解。向洛仑兹方程添加热项(thermal term)n产生的解可由统计力学方法估计，以产生作为时间函数的离子位置的系综平均<r(t)>。根据系综平均，可评估热噪声、外源磁场和物理参数变化对束缚寿命的影响。

洛仑兹-朗之万方程的解是

$u\left(t\right)=c_1{e}^{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}t}+c_2{e}^{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}t}+{\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)$

其中

u＝x+iy； $c_1=-c_2=\frac{-{\stackrel{\&CenterDot;}{u}}_0}{({\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1)};$ u(0)＝0， $\stackrel{\&CenterDot;}{u}\left(0\right)=-{\stackrel{\&CenterDot;}{u}}_0;$ $<{\left|u_0\right|}^2>=\frac{2\mathrm{kT}}{m},$ (3)

并且

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{-\mathrm{\&alpha;}\&PlusMinus;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2};$ α＝β+iβ_oγ                (4)

因此离子轨迹包括相干部分： $c\left(t\right)=c_1{e}^{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}t}+c_2{e}^{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}t},$ 和由热噪声引起的分量：ψ_n(t)，即非齐次方程的特解。已显示对于参数的物理现实值，解的相干分量是在红外范围内的阻尼振动，以拉莫尔频率在磁场的轴附近经历进动运动

$c\left(t\right)\&ap;\frac{u_{o^{\&prime;}}}{\mathrm{i\&omega;}}{e}^{-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}t}{e}^{-i{\mathrm{\&omega;}}_{L}t}\left[\frac{e^{-\mathrm{i\&omega;t}}-e^{\mathrm{i\&omega;t}}}{2}\right]=\frac{-u_{o^{\&prime;}}}{\mathrm{\&omega;}}{e}^{-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}t}{e}^{-i{\mathrm{\&omega;}}_{L}t}\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)---\left(5\right)$

包括热噪声的非齐次方程的特解由以下给出

${\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}[e^{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_2\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}-e^{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_1\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}]---\left(6\right)$

先前已通过振子振幅系综平均对热项ψ_n(t)的增长率进行了估计，其中显示累积项(accumulation term)随时间增长，最终完全克服由于粘性阻尼

造成的振子轨迹的衰减。热累积造成振荡离子在依赖于热噪音谱密度 ${\mathrm{\&sigma;}}_n^2=\frac{2\mathrm{\&beta;kT}}{m}$ 的束缚寿命后从束缚部位被释放出。还显示一秒量级的束缚寿命得到振子频率(ω≈10¹²)、粘性阻尼(β≈1-10)和磁场强度B₀＜＜1T的物理相关值。

还可估计ψ_n(t)的时间相关性，展开方程(6)：

${\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}[e^{\frac{-\mathrm{\&alpha;}-\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_2\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}-e^{\frac{-\mathrm{\&alpha;}+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_1\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}],---\left(7\right)$

$=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{e}^{-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}t}[e^{-\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_2\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}-e^{\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_1\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}],$

或

${\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{e}^{-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}t}{e}^{-\frac{i{\mathrm{\&omega;}}_L}{2}t}\left[Y\left(t\right)\right]---\left(8\right)$

其中

$\left[Y\left(t\right)\right]=[e^{-\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_2\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}-e^{\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2}t}{\&Integral;}_0^t{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_1\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}]---\left(9\right)$

是热分量关于时间的累积。

因此，方程(7)表示振荡的热分量本身也经历了拉莫尔进动。

通过估计在物理相关情况：

|α²|＜＜4ω²， $e^{\&PlusMinus;\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-4{\mathrm{\&omega;}}^2}}{2}t}\&RightArrow;e^{\&PlusMinus;\mathrm{i\&omega;t}}$

可得到进动项的特定增长率，以使得：

${\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{e}^{-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}t}{e}^{-\frac{i{B}_o\mathrm{\&gamma;}}{2}t}[e^{-\mathrm{i\&omega;t}}{\&Integral;}_0^t{e}^{\frac{+\mathrm{\&alpha;}}{2}\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}-e^{\mathrm{i\&omega;t}}{\&Integral;}_0^t{e}^{\frac{+\mathrm{\&alpha;}}{2}\mathrm{\&tau;}}n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}]---\left(10\right)$

$=\frac{-1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{e}^{-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}t}{e}^{-\frac{i{B}_o\mathrm{\&gamma;}}{2}t}\left[{\&Integral;}_0^t{e}^{\frac{+\mathrm{\&alpha;}}{2}r}(e^{\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})}-e^{-\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})})n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\right]=\frac{-2i}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{e}^{-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}t}{e}^{-\frac{i{B}_o\mathrm{\&gamma;}}{2}t}\left[{\&Integral;}_0^t{e}^{\frac{+\mathrm{\&alpha;}}{2}r}\sin \left(\mathrm{\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})\right)n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\right]---\left(11\right)$

因此，离子轨迹的热分量自身包括由热噪声n(τ)所驱动的热振子，热振子遭受粘性阻尼并且在由磁场所限定的轴附近以拉莫尔频率进行进动运动。注意，由于在方程(10)的-λ_1，2中的这些项，方程(10)的被积函数中的指数取“+”号，与物理期望相一致，热噪声起到增加振子振幅的作用。

通过振子位置的系综平均，可以直接的方式估计出Ψ_n(t)的累积值。通过估计热项，u(t)＝x+iy＝Ψ_n(t)，便于保留方程(10)中的指数项：

$x^2+y^2={\left|{\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)\right|}^2={\left|\frac{-1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{e}^{-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}t}{e}^{-\frac{i{B}_o\mathrm{\&gamma;}}{2}t}\right[{\&Integral;}_0^t{e}^{\frac{+\mathrm{\&alpha;}}{2}\mathrm{\&tau;}}(e^{\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})}-e^{-\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})})n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\left]\right|}^2$

$=\frac{e^{-\mathrm{\&beta;t}}}{{|{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1|}^2}\left[{\&Integral;}_0^t{e}^{\frac{+\mathrm{\&alpha;}}{2}\mathrm{\&tau;}}{e}^{\frac{+{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}{2}\mathrm{\&tau;}}(e^{\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})}-e^{-\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})})(e^{-\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})}-e^{\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})})n\left(\mathrm{\&tau;}\right)n^{*}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\right]---\left(12\right)$

利用这一事实，即粘度和热噪声的谱密度σ_n ²通过 ${\mathrm{\&sigma;}}_n^2=\frac{2\mathrm{\&beta;kT}}{m}$ 来相关联，其中k为玻尔兹曼常数(Boltzmann constant)，T为绝对温度，以及m为粒子的质量，由于α+α^*＝2β，所以系综平均为：

${\left|{\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)\right|}^2=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_n^2}{{|{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1|}^2}{e}^{-\mathrm{\&beta;t}}[{\&Integral;}_0^t{e}^{+\mathrm{\&beta;\&tau;}}(e^{\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})}-e^{-\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})})(e^{-\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})}-e^{\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})})\mathrm{d\&tau;}]---\left(13\right)$

或者

${\left|{\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)\right|}^2=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_n^2}{{|{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1|}^2}{e}^{-\mathrm{\&beta;t}}\left[{\&Integral;}_0^t{e}^{+\mathrm{\&beta;\&tau;}}(2-e^{2\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})}-e^{-2\mathrm{i\&omega;}(t-\mathrm{\&tau;})})\mathrm{d\&tau;}\right]$

$=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_n^2}{{|{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1|}^2}{e}^{-\mathrm{\&beta;t}}[\frac{2}{\mathrm{\&beta;}}(e^{+\mathrm{\&beta;t}}-1)-\frac{e^{2\mathrm{i\&omega;t}}}{\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{i\&omega;}}(e^{(\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{i\&omega;})t}-1)-\frac{e^{-2\mathrm{i\&omega;t}}}{\mathrm{\&beta;}+2\mathrm{i\&omega;}}(e^{(\mathrm{\&beta;}+2\mathrm{i\&omega;})t}-1)]$

$=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_n^2}{{|{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1|}^2}{e}^{-\mathrm{\&beta;t}}[e^{+\mathrm{\&beta;t}}-1](\frac{2}{\mathrm{\&beta;}}-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{i\&omega;}}-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}+2\mathrm{i\&omega;}}),---\left(14\right)$

或者，

${\left|{\mathrm{\&psi;}}_n\left(t\right)\right|}^2=\frac{\frac{2\mathrm{kT}}{m}}{{|{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1|}^2}(1-\frac{{\mathrm{\&beta;}}^2}{{\mathrm{\&beta;}}^2+4{\mathrm{\&omega;}}^2})(1-e^{-\mathrm{\&beta;t}})---\left(15\right)$

因此，热项Ψ_n(t)振幅将随时间而增大。注意，当|α²|＜＜4ω²时，磁场的时间相关性有助于热累积的消失。在前面已作描述更为一般的情况。图1示出了磁场101在荷电离子102的运动中的影响示意图，荷电离子例如钙，束缚在诸如钙调蛋白或肌钙蛋白C的信号分子内部。可以看出，磁场将相干性引入到束缚部位内的离子轨迹中。

离子轨迹的热分量包括由热噪声n(τ)所驱动的谐振子，谐振子遭受粘性阻尼并且在由磁场所限定的轴附近以拉莫尔频率进行进动运动。图2描述了在存在热噪声和施加的磁场201、时间202和角位置203时的束缚离子的角位置。这个显著结果适用于所有的这类束缚荷电振子，指出LP机制对多种靶系统中的磁场效应都是可靠的。

对于振子频率(ω≈10¹²)、粘性阻尼(β≈1-10)和磁场强度

特斯拉在物理上的相关数值，通过数值计算已估算了这些结果。结果表明，累积项随时间而增长，最终将完全克服因粘性阻尼

而引起的振子轨迹的衰减。因此，在取决于热噪声谱密度的束缚寿命之后，热累积引起振动离子从束缚部位被释放出。

尽管通常将热力遍布于在束缚部位的有效的球面立体角，但是要着重记住，离子或配体并不在各向同性区域内进行随机运动。更确切地，它被强烈地束缚在振子势中，且振子频率在红外区域。因此，如上所示，通过对累积项Ψ_n(t)的检查，运动是由热驱动的振子运动而不是随机运动。不是简单地从束缚部位释放出离子或配体，热噪声力自身将有助于运动的进动分量的振幅。因此，整个运动u(t)＝c(t)+Ψ_n(t)的相干部分和热部分都将经历LP。这种情况的含义是广泛的：能够预计在生物靶系统中的大量各种荷电振子经历了LP，导致许多种类的靶系统对所施加的磁场呈现出类似响应。

下面根据本发明的实施方式来描述拉莫尔进动条件。

因为束缚振子的进动运动影响了生化过程，所以显然地，运动一定能够穿过一条进动轨道的重要部分。因此，靶过程的时间常数必须是LP周期的量级以便出现生物效应。只能期望弱磁场靶向相对较慢的生物过程，并且能够建立对于磁场效应的较低限制。例如，在50μT处Ca的拉莫尔频率接近于18.19Hz，以至于产生一条轨道需要大约55毫秒的束缚寿命。对于在CaM分子上不活跃对的束缚部位，Ca束缚至钙调蛋白(“CaM”)具有在≈1秒量级的最大寿命，导致对于CaCaM检测能力的大约1-3μT的较低限制。

振子的进动运动将导致对振子穿过运动的有效范围的速率的相干调制。尽管这种相干运动可通过这些机制来影响动力学，显然一种靶系统和另一种靶系统肯定是不相同，但是拉莫尔模型的基本性质对于各种系统都是相似的。振子穿过各种方位的速率被以拉莫尔频率的进动运动所相干调制，这些方位包括可能影响动力学的优选方位。当磁场不存在时，将相干性引入至受到热扰动控制的过程的这种引入，允许磁场向系统输出信息而无需对磁场的该部分输入大量能量。结果表明，在50μT磁场中经历LP的钙离子的角动量是普朗克常数(Planck’s constant)的量级。

拉莫尔进动导致振子以由靶和磁场的旋磁比所确定的速率扫过在束缚部位内的角区域。例如，对于CaCaM束缚，LP将导致对振子接触束缚部位的不同部分的速率的调制。更强的磁场将增大速率，由此提高振子接触便于离解的方位的可能性或频率。因此，提高磁场强度导致Ca束缚寿命的减少，导致可得到更多的自由Ca，如针对在无细胞制剂中观测的增大反应速率所观测到的。

对于诸如CaCaM的系统，期望生物效应随着场强度而增加，达到饱和度，超过该饱和度而进一步增加DC场强度只会导致在束缚时间的少量变化，相对于系统的初始动力学。当与零磁场寿命相比较时，给出反应度或束缚寿命的百分比变化：

$\mathrm{\&Delta;}\%=100\frac{T_{B=0}-T_{B=B_o}}{T_{B=0}}.---\left(16\right)$

因此，随着场强的增大而出现饱和：进一步增大振幅导致在动力学上非常小的相对变化。着重指出，由于对于给定的靶系统(即特定的束缚寿命)，拉莫尔频率随着磁场强度的增加而线性增大，所以效应将被限制于磁场狭窄范围。参见图3，其描述了由方程(16)得到的随磁场强度增加的对CaCaM束缚的生物效应图示。例如，对于0.1秒的束缚时间，场强301，低于大约10μT被认为是无效的，而当场强接近几mT时将出现饱和。

除了束缚荷电离子之外，LP还能够影响靶。例如，水分子携带部分电荷，导致水的独特的化学特性。由此引起的强电极化使得在细胞和组织中的水分子形成有机化、极性化的水化层，例如在载流子和带电膜周围所观察到的内部和外部的亥姆霍兹(Helmholtz)层。当所施加的磁场通过LP将相干性引入水化层的热波动时，这些束缚水自身可能经历LP。在水化方向角上的合成变化改变了水化的势能，并且因此，在穿过亥姆霍兹平面的束缚过程的束缚部位动力学处的局部介电常数ε(t)由此取决于LP。

由于水的氧和氢的臂的拉莫尔频率还靠近于Ca2+的频率，所以在拉莫尔频率附近的生物效应的观测可能还有助于水分子自身的进动或水合离子的复合物，正是由于这个原因，所以必须先估计旋磁比，然后才能够准确测定拉莫尔频率。根据方程(1)，图4示出了关于Ca和水分子的臂的进动频率401。

下面根据本发明的实施方式描述了AC和AC/DC的复合共振。

本发明目的在于利用诸如共振、LP所固有的随着场强和频率的特定变化等条件。所示的AC和DC场相对平行或垂直的方向是生物效应强度和方向的关键决定因素。由于LP，生物效应取决于磁场的所有时空分量的振幅、频率和空间方向。根据靶的物理化学特性和磁场特性能够计算生物靶的精确反应性，以利用特定的剂量反应、诸如反应性最大值和最小值的共振现象以及为利用LP的细节所规划的治疗规范。

下面根据本发明的实施方式描述共振条件。

LP机制产生了关于各种各样的AC和DC磁场组合的共振行为，这些磁场中包括地磁场。对最大值、最小值或其它生物响应，特别是LP的特性，期望这些共振是特定的时空磁场条件。这些特定条件可以被用于开发最大化、最小化、增强、抑制或以其它调制对所施加磁场和背景磁场的生物响应的新颖方法。尽管在下面所示的特殊例子利用了以正弦方式变化的AC磁场，但是可计算LP条件来确定对于DC和非正弦变化磁场波形的各种任意组合的特定共振条件。

LP共振将被认为是通过任意方法的共振条件计算，这些方法利用LP的动力学以计算共振条件。为了示出，下面说明了计算共振条件的几种方法。然而，通常由于进动振子可能轨道的复杂性和生物分子的复杂性，不可能详细地探讨计算共振的所有可能方法。

下面根据本发明的实施方式来描述AC磁场的生物效应。

当添加AC磁场至DC场时，在的拉莫尔进动的时空对称性中产生中断，这是因为随着AC相位和振幅的变化而在进动方向上出现周期性反向，以及与垂直方向或平行方向上的DC磁场的相互作用。通过所施加磁场的几何结构，这种对称的中断导致对在束缚部位内的振子方向的调制，由此导致与优选方向相接触的可能性。例如，当AC相位引起场强接近于0时，或者引起对DC场的破坏性干扰时，振子将“驻留”在束缚部位的特定区域，覆盖非常小的角距，直至场显著提高。这里，考虑单个AC正弦场的情况的共振条件。

例如，可通过计算振子在小于或等于束缚寿命的时间段中从优选方向所经过的平均距离来估计共振条件，该平均距离为：

R(x，y，x，t)＝c_omean((x(t)-o_x)²+(y(t)-o_y)²(z(t)-o_z)²)^1/2)        (17)

其中C_o为常数，x(t)、y(t)和z(t)为进动振子的空间分量，o_i是优选方向的空间分量。显然，实际的优选方向确定了特定的反应性。然而，如上所提及的，假定特殊的生物分子环境，R(t)将采取特殊的形式。

为了示出LPM的基本特性，此处所提供的例子使用关于优选方向的任意位置。可通过对以拉莫尔角频率ω_L在垂直于合成磁场的平面上进动的振子的参数方程来计算出R(t)，ω_L为：

${\mathrm{\&omega;}}_L=\mathrm{\&Gamma;}{B}_r=\mathrm{\&Gamma;}{(B_{\mathrm{perp}}^2+{(B_{\mathrm{para}}+B_{\mathrm{ac}}\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ac}}t\right))}^2)}^{1/2}---\left(18\right)$

其中Br是DC场的垂直分量B_垂直、平行分量B_平行和频率为ω_ac的AC场分量B_ac的合成场。如图6所示，在x轴601上绘制AC振幅，在y轴602上绘制AC频率，以及在z轴603上绘制反应性，由于LP的特定动力学，所以由于AC场而造成拉莫尔频率是时变的，导致对距特定的优选方向的平均距离的复杂调制。

下面根据本发明的实施方式来描述AC/DC平行场的组合。

对交变磁场校准后平行于静态(DC)场的情况，每单位时间扫过的角范围A(t)随着时间束缚而线性增加。对于AC/DC的平行组合，Br＝Bo+B₁cos(ωt)，因此一般地，拉莫尔频率ω_L＝ΓBr将是AC和DC的振幅的时变函数。图5显示了根据方程(1)的Ca的拉莫尔频率501。图5描述了对于平行叠加的50μT的AC和DC磁场的Ca的拉莫尔进动频率。T/T_L是在DC场拉莫尔频率的一个周期单位内所经过的时间比率502，以及ω/ω_L是归一化为AC频率与DC拉莫尔频率之比的单位内的AC频率比率503。由振子横过的总角距由拉莫尔频率的绝对值的积分计算得到：

$A\left(t\right)=C_o\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}\left|{\mathrm{\&omega;}}_L\right|\mathrm{dt}=\frac{C_o}{2m}\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}|\stackrel{\&RightArrow;}{B_o}+\stackrel{\&RightArrow;}{B_1}\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{AC}}t\right)|\mathrm{dt}---\left(19\right)$

其中ω_L为拉莫尔频率；

是DC磁场的向量；是AC磁场，频率为ω_AC；m是束缚振子的质量；以及C_o是比例常数。针对任意离子或配体，具有任意相对方向的AC和DC磁场的任意组合，可估计A(t)，并且A(t)一般为靶的旋磁比和DC/AC磁场几何结构的函数。

振子随时间而扫过的总角距A(t)由拉莫尔频率所确定：

$A\left(t\right)=C_o\underset{t_o}{\overset{t_1}{\&Integral;}}{\mathrm{\&omega;}}_L\mathrm{dt}=\frac{C_o}{2m}\underset{t_o}{\overset{t_1}{\&Integral;}}[B_o+B_1\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{AC}}t\right)]\mathrm{dt}=\frac{C_o}{2m}[B_o(t_1-t_o)+\frac{B_1}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{AC}}}[\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{AC}}{t}_1\right)-\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{AC}}{t}_0\right)\left]\right].---\left(20\right)$

因此，反应性是方程(19)和(20)中的积分上下限和时变的拉莫尔频率的函数。因为积分上下限表示束缚寿命，所以共振位置一般将取决于靶系统的动力学，并且由此不单独地取决于束缚样本的拉莫尔频率。图7表示根据在AC＝DC＝50μT的平行场组合中关于Ca的动力学的总角位移的相关性。图7，右手边的曲线701，对具有相对短的束缚寿命的系统，例如，直到3倍的DC拉莫尔周期，才出现显著的共振波峰，并且可通过方程(20)来预测。图7，左手边的曲线702，显示了当束缚寿命接近1秒或更多(拉莫尔周期的18倍)时，总角位移对动力学的依赖性，由此共振基本消失。

AC和DC场的相对振幅同样也是确定共振条件的高度和位置的关键。因为共振频率依赖于合成的AC+DC的振幅，对于AC＞DC，振子将经历进动方向上的周期性变化。这个结果表示将AC磁场添加至进动振子能够加速或抑制其达到反应式行动倾向的时间。对于平行的AC/DC场的组合，这些结果非常相似于所报道的IPR实验验证，并且建议LP作为用于弱的DC和AC磁场生物效应的可行备选机制。由此得到的共振条件可被反映在由Koch所使用的条件中。图5显示了LP模型的预测，DC＝37μT，AC＝1.7μT，所施加的AC场范围从大约18到35Hz，或者对Ca在37μT的DC场中大约1.4-2.6倍的拉莫尔频率。所进行的这些计算是针对寿命为在DC场中Ca的拉莫尔频率周期的4倍的靶系统。这些结果与图8的已公布的Koch实验结果比较一致。

此外，对于平行的AC和DC磁场的组合，基于振子的相干性进动运动，预期复杂的共振条件是特定的AC振幅和频率。例如，如图8所示，根据振子位置的随机分布(即平均振子位置＝∏)的平均偏差随着AC频率801和振幅802而变化。在图8中的复杂偏差，借助方程(20)产生，等同于(A(t))的平均值减去∏。在图8中的峰和谷的位置提供确定特定AC/DC场组合的一种方式的例子，预期这些场组合产生增强的或减弱的生物效应。

图9显示了在特定AC频率处的图8的部分，从而详述了共振的结构和稍微移向偏离于共振频率的效应。例如，图9，左手边的曲线901显示反应性作为AC/DC幅值的函数，在拉莫尔频率的2次谐波处(2×ωL)，以及在ωL-0.1ωL处稍微偏离于共振。注意，直接在拉莫尔谐振上，对于AC＝3×DC幅值，出现明显的共振。按10％的ωL(在2次谐波处AC的5％)偏移AC频率能有效地消除共振。因此，对于系统的LP条件的精确了解允许准确地产生AC/DC组合，该AC/DC组合将产生共振，以及产生临床的显著生物效应。

更为复杂的共振行为出现在其它的AC频率处，包括拉莫尔频率的次谐波频率。例如，图9，右手边的曲线902表示对于AC频率＝ωL/3和ωL/3-0.05ωL的共振条件。对于这些条件，在AC频率上的稍微偏移(0.05ωL)导致共振峰数量的增加，以及伴随共振强度的减小。

下面根据本发明的实施方式描述了AC/DC垂直场的组合。

对AC磁场与DC场相垂直的情况，合成磁场的空间方向随着时间而变化，破坏了先前例子的柱形对称性。先前所建议的是，在柱形几何形状之外的振子的合成偏移将导致生物效应的变化，这是因为每单位时间扫过的角面积A(t)发生了变化。因此，拉莫尔频率和进动轴都是时变的，并且由方程(7)给出的角域的累积将被z方向的进动分量所调制。按照几何形状，结果为：

$Z\left(t\right)=C_z\frac{B_o\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{Lresul}\tan t}t\right))}{\sqrt{B_o^2+{\left(B_1\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{AC}}t\right)\right)}^2}};A\left(t\right)=C_o\underset{t_o}{\overset{t_1}{\&Integral;}}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{Lresul}\tan t}\mathrm{dt}---\left(21\right)$

其中

${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{Lresul}\tan t}=\mathrm{\&Gamma;}{B}_r=\mathrm{\&Gamma;}{(B_o^2+{\left(B_1\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{AC}}t\right)\right)}^2)}^{1/2}---\left(22\right)$

由于进动轴的偏移远离z轴，所以垂直场的拉莫尔频率随着时间而变化，采取的方式比平行AC/DC组合的情况要稍微复杂一些。所产生的复杂动力学暗示着反应性的变化是由AC调制的拉莫尔频率和在进动轴上的时变变化所共同引起的。

已证实，当振子的偏移达到其最大值时，即AC频率是拉莫尔频率的整数倍，将出现共振。这意味着通过扫描，同时增大AC场强且保持DC常数，可观察到垂直场结构的共振。例如，图10，左手边曲线1001表示根据方程(21)的振子轴与z轴之间的偏移，其作为B₁/B₀之比的函数，此处所示是关于AC频率＝DC场强度的拉莫尔频率。注意，不变的振子偏移区表现为在B₁＝2nB₀处相互等间距隔开。这些条件下，根据方程(21)作为z-偏差的时间平均值计算的，A(t)达到最大值和最小值，取束缚寿命＝在图10中左手边的曲线所示的DC场的7倍拉莫尔周期。左手边的曲线1001，图10中形貌的形状，并且随着AC强度的增大，较小的共振数量就越多，这种表现反映了随着AC振幅的增大，振子的动力学就更加复杂。图10，右手边的曲线1002，显示了对这些条件的反应性A(t)。注意，抑制响应和激发响应都出现，对应在左手边的曲线1001中所示的最大值。这个治疗上的相关例子指出对于由所考虑的离子束缚过程所控制的系统，能够这样配置磁场来在AC振幅≈2倍的DC幅值时能够实现对过程的抑制，并且，在AC振幅≈4倍的DC幅值时能够实现对过程的激发或增强。

下面根据本发明的实施方式来描述AC和DC磁场的任意组合。

拉莫尔进动条件还可基于振子从支持或阻止分子束缚过程的优选方位偏离的平均距离来预测。针对仅有AC，AC与DC平行，AC与DC垂直，以及平行和垂直磁场的组合，可计算共振条件。例如，LP条件允许对进动振子轨迹的精确计算：

$\stackrel{\&RightArrow;}{r}(x,y,x,t)=x\left(t\right)\hat{i}+y\left(t\right)\hat{j}+z\left(t\right)\hat{k}---\left(23\right)$

其中x(t)、y(t)和z(t)通过对振子运动方程的解来得到，将方程(2)推广到3维的情况：

$\frac{d^2\stackrel{\&RightArrow;}{r}}{{\mathrm{dt}}^2}=-\mathrm{\&beta;}\frac{d\stackrel{\&RightArrow;}{r}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\&gamma;}\frac{d\stackrel{\&RightArrow;}{r}}{\mathrm{dt}}x{B}_{o}k-{\mathrm{\&omega;}}^2\stackrel{\&RightArrow;}{r}+\stackrel{\&RightArrow;}{n},---\left(24\right)$

以及

是三个空间方向x、y和z的单位向量。

根据方程(17)、(18)和(23)，借助与任意AC/DC场的组合的优选方向相距的平均距离，图11显示了作为AC场频率1101和AC与DC场强度之比的函数的反应性。可以看出，存在产生激发响应和抑制响应特定的共振条件。通过选择AC和DC平行和垂直磁场的特定组合，能够对生物靶施加特定的共振条件。

图12显示了测量骨细胞中的Ca流量的实验结果。这些结果至今也无法被充分解释，并且在临床上与生物有效的电磁场信号配置有关。图12，顶部左侧1201，显示了实验观察到的共振，对于所施加的AC场，在16Hz范围内的Ca流量出现明显的峰。图12，顶部右侧1203，显示了与该实验有关的LP共振形貌的区域，如借助方程(17)、(18)和(23)所计算的。假定知道有关共振“形貌”的详细形状，可得到共振的精确位置。图12，底部1202，显示了通过AC＝20μT区域的部分，提供了有关频率响应，成功地预测了实验的结果。因此，对于特定靶系统的LP条件的了解允许对有关的生物效应波形进行预测。

因此，通过详细地了解对方程(24)的求解，以及由此了解LP共振形貌，能够配置特定的磁场来产生治疗上的有关的激发和抑制。例如，图13，左侧顶部1301，显示了对AC/DC组合的平行/垂直结构的反应性，表示了抑制响应和激发响应，这个结构由从0开始的平均z-偏移位移。对于这种情况，AC频率等于DC平行磁场的拉莫尔频率的0.5倍。注意，如在下面左侧1304的曲线所示，可实现对这种场配置的特定模式的响应。比较地，图13，顶部右侧1302，显示了相同条件下的振子的z-偏移，只不过此时的AC磁场频率等于1.0倍的DC平行磁场的拉莫尔频率。这种AC频率的变化导致反应性的可预测变化，如图13所示，下部右侧曲线1303。

下面根据本发明的实施方式描述了所生成的与背景场相耦合的拉莫尔进动-生物有效的磁场。

本发明包括精确控制在生物靶处的磁场环境以便产生磁场配置的方法，该磁场配置是根据经验数据或数学模型来设计，以产生特定生物效应。

本发明包括线圈和/或永磁体的配置，其采用任意的几何布置，包括三轴的、双轴的或单平面的，其向靶提供磁场。磁场的所有时空分量都受到控制，以便向生物靶提供特定的磁场配置。背景磁场和环境磁场被监测以便利用这些分量来配置所施加的生物有效的磁场。

一般地，通过线圈系统施加至生物靶的磁场是下列场的叠加：1)直接由于施加至线圈的电流而产生的磁场B_device；2)由诸如局部地磁场(在0.5高斯的量级上，并且大小和方向都随地理区域而变化)的背景源和诸如医疗设备、电源线等的所有其它源而产生的磁场B_ambient。总合成磁场为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{total}}=B{(x,\stackrel{\&RightArrow;}{y},x,t)}_{\mathrm{device}}+\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{ambient}}.---\left(24\right)$

因此，通过选择装置磁场以有目的的方式来叠加背景场，可完全地控制整个磁场。为了治疗，可利用所施加磁场与生物效应所详述的相互作用的的数学模型或经验模型来开发生物效应治疗场配置。与将靶屏蔽于背景磁场不同，本发明的这些磁场形成最终的生物有效的磁场：

$\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{bioeffective}}=B{(x,\stackrel{\&RightArrow;}{y},x,t)}_{\mathrm{device}}+\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{ambient}}---\left(25\right)$

以至于装置所需要的磁场为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{device}}=\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{bioeffective}}-\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{ambient}}---\left(26\right)$

本发明利用这一事实，由此使用背景磁场作为整个特殊配置磁场的组成部分。

本发明通过三轴磁力计探针来精确地测量背景磁场的时空分量。然后，将这个测量结果与期望的生物有效的磁场配置相比较，以产生磁场，该磁场是借助于方程(26)由装置所生成。

通过几种不同的方法：三轴、双轴、亥姆霍兹，单平面或任意的线圈组合，添加有永磁体以及没有添加永磁体，可以产生组合式的AC/DC磁场配置。例如，通过抵消背景场，然后通过叠加来添加期望的磁场分量，可简单地获得给定磁场：

$\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{device}}=-\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{ambient}}+\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{bioeffective}}---\left(27\right)$

这种方法通常需要在亥姆霍兹配置中使用三轴或双轴线圈。

因此，对于一般情况，给定所使用的经验模型或数学模型来确定生物有效的磁场配置，可利用下面的方法：

(1)测量背景场的非期望分量并利用合适的线圈和/或永磁体来抵消/调制背景场的非期望分量。

(2)使用背景磁场的剩余分量来计算生物有效的磁场的分量，这取决于背景值(见下面的拉莫尔进动例子)。

(3)使用背景磁场的剩余分量来生成生物有效的磁场的分量。

(4)利用合适的线圈和/或永磁体来施加额外的时空场分量，以便完成生物有效的磁场配置。

利用LPM的特定例子预测了一个生物效应配置包括恒定(DC)磁场和正弦方式变化(AC)磁场的组合，它们的方向相互垂直。对于这种配置，期望生物效应的最大值在DC场中的靶的拉莫尔频率处，以及其半整数倍处，如图1所示。这个最大值的生物学意义是增大或减少了靶离子/配体束缚路径的反应性。图14，左手边的曲线1401显示了与进动振子的z-偏差成比例的这些共振的结构，这些共振取决于AC频率、AC与DC幅值之比的函数。注意，AC频率是DC场的拉莫尔频率，所以共振条件随频率而变，并且AC振幅也是垂直的DC场强的显函数。图14，右手边的曲线1402显示了作为平均z-偏差的反应性，根据方程(21)，对于AC振幅＝0.5DC幅值，平均z-偏差为AC频率的函数。注意，受抑制反应性的区域出现在拉莫尔频率的整数倍处。一般地，数学模型和经验模型可能配置出靶向具有特定生物响应的特定过程的组合AC/DC磁场。

根据本发明的实施方式利用背景磁场来生成生物有效的磁场的配置。对于这种情况，借助于方程(26)，可使用单个平面线圈以及背景场的测量结果来产生生物有效的磁场。可使用单个平面线圈而不采用亥姆霍兹配置中的线圈，因为由这种线圈提供的磁场的大小和几何形状可由输入至线圈的输入电流精确地确定，并且可通过空间测量来校准。例如，6英寸直径的敷贴器(applicator)线圈提供具有x、y和z分量的合成磁场，这些分量主要在与线圈平面相垂直的方向上，如图15所示。注意，由于系统的环形对称性和线圈轴线交叉处的磁场的抵消，垂直的X-Y分量在线圈中心处(图15，左手边的曲线1501和中间的曲线1502)产生接近于背景水平的数值(大约2毫高斯)。如图15所示，右手边的曲线1503，在中心治疗区域的磁场的主要分量是2.0高斯的z分量，垂直于线圈平面。

因此，对于垂直磁场和单个圆形线圈的LPM的这种情况，背景磁场的测量允许：

(1)抵消背景磁场的z分量。

(2)利用背景磁场的剩余x和y分量，以便计算

(a)施加AC磁场的所需频率；

(b)所需要的AC振幅(见图1)。

(3)借助于通过线圈施加的信号来施加z方向上的AC磁场。

因此，必须由线圈产生的场是：

$\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{device}}=-\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{Zambient}}+\stackrel{\&RightArrow;}{B}{(x,y,x,t)}_{\mathrm{AC}}---\left(28\right)$

其中B_zambient是背景场的z分量，以及B_AC是期望的AC场。

所生成的合成场将由沿z轴方向的AC分量结合x-y平面上的背景(DC地磁)分量组成，实现对上述描述的垂直AC/DC共振的拉莫尔进动条件。

参考图19，其中图19是根据本发明的实施方式来配置生物有效的磁场的方法流程图。拉莫尔进动数学模型被用来确定生物有效的磁场的配置(步骤1901)。诸如方程17至20所描述的数学模型能够被用于该确定步骤，而且其它的数学模型也能被使用。在靶治疗部位的背景磁场通过利用诸如霍尔(Hall)效应探针的检测装置来测量(步骤1902)。所检测的背景磁场能够被分解成分量。通过使用合适的线圈和/或永磁体来抵消和/或调制生物有效的磁场的任意分量，如在方程24至27所示，这些分量中的一些能够被部分地加入到生物有效的磁场。通过使用合适的线圈和/或永磁体，将额外的时空磁场分量重叠至生物有效的磁场(步骤1903)。通过生成满足根据拉莫尔模型所要求的AC DC生物有效的磁场配置，借助一个或多个线圈和/或永磁体，将合成的生物有效的磁场施加至治疗区域(步骤1904)。

图20描述了用于根据本发明的实施方式而配置生物有效的磁场的设备的框图。生物有效的磁场设备产生信号来驱动诸如一个或多个线圈的发生装置。生物有效的磁场设备能够通过诸如开/关的开关的开启装置来启动。生物有效的磁场设备具有AC DC电源2001。AC DC电源2001可为诸如电池的内部电源，或者诸如AC/DC电流出口的外部电源，AC/DC电流出口例如通过插头和导线与本发明配合。AC DC电源2001向AC发生器2002、微控制器2003提供电力，以及向AC/DC混频器2004提供DC电力。微控制器2003的优选实施方式使用8位4MHz的微控制器2003，但是也可使用其它位数和MHz组合的微控制器。微控制器控制流入AC/DC混频器2004的AC电流。AC/DC混频器2004结合以及调制AC和DC电流，这将被用于产生生物有效的磁场。电平转换子电路2005控制提供给靶治疗部位的所传送的磁场。电平转换的输出被输出放大器2006放大，以提供作为输出2007，输出2007将信号路由到至少一个线圈2008。优选地，至少一个线圈2008具有探针2009，该探针测量包括地磁分量的背景磁场，并且将测量结果返回AC DC混频器2004，由此调制和控制生物有效的磁场的配置。当使用背景磁场分量来产生生物有效的磁场时，可使用单个平面线圈，并且被用来产生生物有效的磁场的背景场分量的测量结果可通过方程(26)来确定。对于亥姆霍兹配置中的三轴或双轴线圈的备选，可使用单个平面线圈，这是因为由这种线圈提供的场的大小和几何形状可通过向线圈输入电流来精确地确定，并且可通过空间测量来校准。例如，6英寸直径的敷贴器线圈提供具有x、y和z分量的合成磁场，这些分量主要在与线圈平面相垂直的方向上，如图15所示。注意，由于系统的环形对称性和线圈轴线交叉处的场的抵消，垂直的X-Y分量在线圈中心处(图15，左手边的曲线1501和中间的曲线1502)产生接近于背景水平的数值(大约2毫高斯)。如图15所示，右手边的曲线1503，在中心治疗区域的磁场的主要分量是2.0高斯的z分量，垂直于线圈平面。

例子

例子1

LP解释了重要的实验结果。图16具有在x轴上绘制的磁场组合1601，以及在y轴上绘制的钙的流出速率，显示了在高提纯质膜囊内的Ca2p传输过程中非常低频率的磁场的影响。囊被曝露在328C下30分钟，利用作为指示剂的放射性⁴⁵Ca来研究钙的流出。使用了范围从27到37mT的静磁场，以及频率在7到72Hz且振幅在13到114mT(峰)的时变磁场。AC和DC场的相对振幅是确定共振条件的高度和位置的关键。因为拉莫尔频率取决于合成的AC+DC幅值，所以对于AC＞DC，振子将经历在进动方向上的周期变化。结果得到的共振条件可由Koch[Koch，等人，2003]使用的实验条件，利用方程17和18，且B_垂直＝0来估计。可以看到，符合实验数据的LPM基本上与IPR的情况相同，但是借助了更多物理可实现机制。

例子2

图17具有在x轴1701上绘制的AC频率，在y轴1702上绘制的反应性，显示了借助于方程17和18，测量骨细胞中Ca流量的实验结果的LP预测。对于此研究，纯⁴⁵Ca流量被用作对低振幅电磁场的人类骨细胞主要转导响应的可能的早期标志。组合的DC磁场和AC磁场的作用最初是配置为耦合根据离子回旋加速器共振理论的钙束缚。虽然这个理论后来被怀疑，但是实验结果仍然成立，并且成功地由LP来解释。实验结果显示了对于所施加的AC场在16Hz的范围内Ca流量中的主峰。

该系统的LP预测，具有组合的平行和垂直AC/DC场，对于20μT的平行AC/DC与15μT的垂直DC的组合，令人满意地描述了数据，并且还预测了在ICR共振的非次谐波的较低频率时对Ca2+流量的抑制。从临床意义上，这些结果都与生物效应治疗电磁场信号的构成有关。

例子3

图18具有在x轴1801上绘制的磁场，在y轴1802上绘制的神经突生长，显示了对AC磁场的振幅窗口的LP预测。对ac和dc磁场对在PC-12细胞中神经突生长的影响的近期测试表明其与离子参量共振模型的预测相当符合。然而，来自早期工作的实验结果，包括垂直(160mG)和平行(366mG)dc磁场，与离子参量共振模型预测并不一致。此处所报道的测试结果表明，对垂直ac和dc磁场的细胞响应是明显的，并且可预测地不同于在平行ac和dc磁场中得到的响应，并且表明，对于垂直场的响应是显性的，采取非线性依赖强度的方式。

图18显示了对AC磁场的振幅窗口的LP预测，与Blackman所获得的实验结果相比较，AC与DC磁场垂直或平行对从PC-12细胞培养出神经突生长的根本不同的影响。借助于方程17和18，进行了LP预测，其中R(t)被估计为75毫秒，DC场的拉莫尔周期为366mG。实验条件是366mG(36.6μT)的平行场对垂直场的AC/DC组合，同时在45Hz处AC振幅变化。如所见到的，LP令人满意地描述了垂直和平行场几何形状所得到的结果。这种对于平行场对垂直场方向的所观测到的反应性变化是LP的固有特征，不由其它任意模型来解释。

虽然根据当前认为是最实际且优选的实施方式来描述了设备和方法，但是应当理解，公开内容不必被限制为所公开的实施方式。其确定为涵盖了被包含在权利要求的精神和范围内的各种修改和类似改变，应当给予这个范围最为宽泛的解释以包括所有的这些修改和类似结构。本发明公开内容包括下面权利要求的任意和全部实施方式。

Claims (27)

1.一种磁场配置方法，所述方法包括以下步骤：

使用拉莫尔进动数学模型确定生物有效的磁场配置；

测量靶治疗部位处的背景磁场，借以鉴别所述背景磁场的分量；

将时空磁场分量叠加到所述生物有效的磁场配置中；

根据满足所述拉莫尔进动数学模型的所述生物有效的磁场配置产生生物有效的磁场。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述背景磁场包括地磁场。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场配置包括AC DC平行场配置、AC DC垂直场配置和AC DC任意场配置中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括具有约0.01G至5,000G的振幅的DC磁场。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的AC磁场。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅的DC和AC磁场，所述DC和AC磁场与至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的AC和DC磁场叠加。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅的DC和AC磁场，所述DC和AC磁场与至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的AC和DC磁场叠加，以增强组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅的DC和AC磁场，所述DC和AC磁场与至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的AC和DC磁场叠加，以抑制组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括包含满足拉莫尔进动条件的信号的叠加的生物有效的磁场，所述信号具有已知特性的双极性脉冲串，产生具有约0.01G至5,000G的振幅的可变波形的信号。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括包含满足拉莫尔进动条件的信号的叠加的生物有效的磁场，所述信号具有已知特性的双极性脉冲串，产生具有约0.01G至5,000G的振幅的可变波形的信号，以增强组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物有效的磁场包括包含满足拉莫尔进动条件的信号的叠加的生物有效的磁场，所述信号具有已知特性的双极性脉冲串，产生具有约0.01G至5,000G的振幅的可变波形的信号，以抑制组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

12.根据权利要求1所述的方法，其中满足拉莫尔进动条件的所述生物有效的磁场与药剂联合使用。

13.根据权利要求1所述的方法，其中满足拉莫尔进动条件的所述生物有效的磁场与敷料和支架联合使用。

14.根据权利要求1所述的方法，其中满足拉莫尔进动条件的所述生物有效的磁场与其他治疗过程诸如热、冷或超声联合使用。

15.一种电磁设备，所述设备包括：

磁场配置装置，所述磁场配置装置使用拉莫尔进动数学模型确定生物有效的磁场配置；

电源，所述电源向所述电磁设备供电；

测量装置，所述测量装置用于鉴别背景磁场的分量；

混频器，所述混频器用于将时空磁场分量叠加到所述生物有效的磁场配置中；

耦合装置，所述耦合装置用于根据满足所述拉莫尔进动数学模型的所述生物有效的磁场配置产生指向治疗部位的生物有效的磁场。

16.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述治疗部位包括组织、细胞、器官和分子中的至少一种。

17.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述背景磁场包括地磁场。

18.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置具有AC/DC平行场配置、AC/DC垂直场配置和AC/DC任意场配置中的至少一种的生物有效的磁场的混频器。

19.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置具有约0.01G至5,000G的振幅的DC磁场的生物有效的磁场的混频器。

20.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置以下生物有效的磁场的混频器，所述生物有效的磁场具有至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅的DC和AC磁场，所述DC和AC磁场与至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的AC和DC磁场叠加。

21.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置以下生物有效的磁场的混频器，所述生物有效的磁场具有至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅的DC和AC磁场，所述DC和AC磁场与至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的AC和DC磁场叠加，以增强组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

22.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置以下生物有效的磁场的混频器，所述生物有效的磁场具有至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅的DC和AC磁场，所述DC和AC磁场与至少一个具有约0.01G至5,000G的振幅和约0.01Hz至36MHz的频率的AC和DC磁场叠加，以抑制组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

23.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置包含满足拉莫尔进动条件的信号的叠加的生物有效的磁场的混频器，所述信号具有已知特性的双极性脉冲串，产生具有约0.01G至5,000G的振幅的可变波形的信号。

24.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置包含满足拉莫尔进动条件的信号的叠加的生物有效的磁场的混频器，所述信号具有已知特性的双极性脉冲串，产生具有约0.01G至5,000G的振幅的可变波形的信号，以增强组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

25.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述混频器包括可配置包含满足拉莫尔进动条件的信号的叠加的生物有效的磁场的混频器，所述信号具有已知特性的双极性脉冲串，产生具有约0.01G至5,000G的振幅的可变波形的信号，以抑制组织、器官、细胞和分子中的生化过程。

26.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述耦合装置包括将AC/DC信号传输至生物靶的至少一个电子线圈。

27.如权利要求12所述的电磁设备，其中所述耦合装置包括双轴的亥姆霍兹线圈配置和三轴的亥姆霍兹线圈配置中的至少一种。

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