CN103499928A - 活体动物电磁辐照系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁生物效应研究领域，具体涉及一种活体动物电磁辐照系统及其应用方法，所述电磁辐照系统由电磁辐照控制系统、微波装置、三维载物平台以及微波暗室构成，其中所述电磁辐照控制系统至少包括硬件设置模块、电磁辐照参数设置和输出模块、微波发射控制模块、辐照方式和辐照剂量显示模块，各所述模块之间相互连接。本发明的优点是：通过电磁辐照控制系统可以设置影响动物体内辐照剂量的多个辐照参数，可直观给出相对于微波发射方向的活体动物放置姿势并通过三维载物平台完成调整，设置完辐照参数即可给出多达11种重要目标器官的辐照剂量，从而为建立辐照剂量与动物效应之间的精确量效关系提供数据，实现长距离控制微波装置发射。

Description

活体动物电磁辐照系统及其应用方法

技术领域

本发明属于电磁生物效应研究领域，具体涉及一种活体动物电磁辐照系统及其应用方法。

背景技术

根据中国工业和信息化部公布数据，到2012年12月我国手机用户达到11亿以上。根据我国第六次人口普查到2011年5-18岁未成年儿童的比例为20%左右。《中国未成年人互联网及手机运用状况调查报告》报道被调查未成年人（10-18岁）手机拥有率达46.6%，使用手机上网率达到39.5%，手机成为未成年人通讯和上网的重要工具之一。由此推算，我国未成年人拥有自己手机的人数约1亿，但是经常使用手机的未成年人表现出抑郁特征，对人际关系更加担忧，甚至缺乏自尊等等。造成未成年人出现诸多问题的重要原因之一可能是手机发射的电磁波。何增军等测量某型号手机拨打或接听电话时空间最大辐射功率达到400μW/cm²，上网时手机周围的辐射功率也达到了400μW/cm²且不同品牌的手机上网时辐射场的功率分布不同。由此可见，手机发射的电磁波产生的生物电磁效应是不容忽视的。

生物电磁效应分为生物电磁热效应和生物电磁非热效应。国内外专家的研究表明，长期、过量的电磁辐射会对人体生殖系统、神经系统和免疫系统造成直接伤害，并且这种热效应广泛应用于农业杀虫、食品加工、医疗器械及新概念武器等。手机辐射的电磁波强度较弱，产生的电磁波不足以引起明显的生物热效应，因此在生物电磁学领域一般归为生物电磁非热效应。国内外相关领域专家针对生物电磁非热效应开展了诸多研究。Andrew A. Marino等研究表明800MHz，最大发射功率600mW正常使用的手机信号将使得兔子的脑电信号发生改变。Nora D. Volkow等运用频率为837.8MHz的手机信号辐照健康志愿者的头部，最大比吸收率（Specific Absorbing Rate， SAR）为0.901W/kg，辐照50min后靠近辐照天线部位的大脑葡萄糖代谢明显增加。但是Michal H. Repacholi等运用Hill准则得到无线手机的使用与大脑癌症发生率之间没有明确的关系。多位学者从电磁与物质的相互作用原理等方面阐述在10MHz-200GHz的频率范围，存在电磁辐射非热生物效应的可能性很小甚至是不存在。这表明国际上电磁辐射非热生物效应在生物大分子、细胞和动物体层面上都存在很大的争议。

电磁辐射生物效应影响因素较多，除了与辐照对象（如细胞密度等）有关，还与微波辐照频率、调制模式、辐照时间、辐照功率、极化方向等有关。微波辐射方式和辐照参数直接影响着动物体内或培养皿中的微波辐照剂量。因此，在进行活体电磁生物效应研究中需要提供动物体内电磁辐照剂量的辐射平台。国际曾报道电磁辐照系统采用将研究对象——动物直接放入波导管中，并且为了腔内通风等，在腔壁上安装了小风扇。该系统具有如下不足之处：（1）不能马上给出动物体内重要器官的电场分布；（2）波导管中空间较小，并且不是动物日常生活的环境，容易引起非电磁辐射引起的应激反应；（3）腔壁安装风扇，将破坏波导腔中的电场均匀性，并且还引入了低频磁场噪声，无法满足单一均匀电磁场的需要。国内还没有相关辐照仪器的报道。

此外，目前的活体动物电磁辐照系统，均不具有专门的控制系统，在实验前需要手动调制各项发射参数，极为不便，且无法确保调制参数的精确度，也无法精准获知当前辐照条件下活体动物的辐照剂量，不便于研究的开展。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种活体动物电磁辐照系统及其应用方法，该电磁辐照系统在微波装置和三维载物平台之间设置电磁辐照控制系统，该电磁辐照控制系统由硬件设置模块、电磁辐照参数设置和输出模块、微波发射控制模块、辐照方式和辐照剂量显示模块构成，以实现电磁生物效应试验研究直观全面的参数设置和控制。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述电磁辐照系统由电磁辐照控制系统、微波装置、三维载物平台以及微波暗室构成，所述微波装置和三维载物平台均连接所述电磁辐照控制系统，所述微波装置由微波源和发射天线构成，两者相互连接，所述发射天线与所述三维载物平台位于所述微波暗室中，且所述三维载物平台位于所述发射天线的辐照区域内；其中所述电磁辐照控制系统至少包括硬件设置模块、电磁辐照参数设置和输出模块、微波发射控制模块、辐照方式和辐照剂量显示模块,各所述模块之间相互连接。

所述三维载物平台包括水平导轨、支架、竖向导轨、支撑板以及360°可旋转平台，所述支架活动连接于所述水平导轨上，所述竖向导轨固定于所述支架上，所述支撑板活动连接于所述竖向导轨上，所述360°可旋转平台固定于所述支撑板上。

所述三维载物平台由有机玻璃材料构成。

所述硬件设置模块由串口端验证子模块以及电磁场校准子模块构成，两者之间相互连接，所述串口端验证子模块还与计算机的各端口连接。

所述辐照参数设置和输出模块由放置方式子模块、辐射距离子模块、目标器官子模块、发射时间子模块、发射功率子模块构成，所述辐照参数设置和输出模块分别与所述微波装置、三维载物平台连接。

所述微波发射控制模块与所述微波装置连接。

所述辐照方式和辐照剂量显示模块由辐照方式展示子模块和辐照剂量显示子模块构成。

一种涉及上述活体动物电磁辐照系统的应用方法，其特征在于所述应用方法至少包括如下步骤：

   （1）将活体动物放置于所述三维载物平台上；

   （2）打开所述电磁辐照控制系统中的硬件设置模块，通过所述串口端验证子模块以验证所述微波装置、三维载物平台连接所述计算机的端口号，之后打开所述电磁场校准子模块，在其内输入所述微波装置输出功率为某一定值时距离其发射天线一定距离处的电场值，并保存；

   （3）待硬件设置模块设定完毕后，打开所述辐照参数设置和输出模块进行参数设置，通过所述放置方式子模块设置所述微波装置所发射的空间平面电磁波相对于所述活体动物的入射部位和极化方向，通过所述辐射距离子模块设定所述活体动物到喇叭口的距离，通过所述目标器官子模块选定所述活体动物的目标器官，通过所述发射时间子模块设定所述微波装置的发射持续时间，通过所述发射功率子模块设定所述微波装置的发射功率；将在所述辐照参数设置和输出模块中所设定的参数分别输出至所述微波装置、三维载物平台以及辐照方式和辐照剂量显示模块，从而实现所述微波装置硬件内部参数的调定，所述三维载物平台通过所述水平导轨移动至距所述微波装置喇叭口设定的距离，通过360°可旋转平台将所述活体动物旋转至设定的放置姿势；

   （4）所述辐照方式和辐照剂量显示模块在接收到所述设定的参数后进行数据处理，通过所述辐照方式展示子模块显示所述空间平面电磁波的波矢、极化方向以及大鼠放置姿势示意图，通过所述辐照剂量显示子模块以列表的形式给出所述目标器官的辐照剂量，这一辐照剂量即为当前辐照条件下所述活体动物体内目标器官的SAR_avg和1gSAR_max，单位为W/kg；

   （5）最后，通过所述发射控制模块对所述微波装置进行控制发射和结束。

所述微波装置所发射的空间平面电磁波相对于所述活体动物的入射部位和极化方向具体可以是：背部、头到尾或尾到头；背部、左腹到右腹或右腹到左腹；头部、左腹到右腹或右腹到左腹；腹部、头到尾或尾到头；侧部、头到尾或尾到头。

本发明的优点是，该电磁辐照系统可放入微波暗室中，活体动物可处于正常环境中接受电磁波辐照，电磁场均匀区域大，通过电磁辐照控制系统可以设置影响动物体内辐照剂量的多个辐照参数，可直观给出相对于微波发射方向的活体动物放置姿势并通过三维载物平台完成调整，设置完辐照参数即可给出多达11种重要目标器官的辐照剂量，从而为建立辐照剂量与动物效应之间的精确量效关系提供数据，实现长距离控制微波装置发射，操控方便安全，可长时间工作0s-24h。

附图说明

图1为本发明中活体动物电磁辐照系统示意图；

图2为本发明中电磁辐照控制系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-2，图中标记1-12分别为：电磁辐照控制系统1、微波源2、发射天线3、喇叭口4、支撑底座5、活体动物6、支架7、竖向导轨8、360°可旋转平台9、支撑板10、水平导轨11、三维载物平台12。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种活体电磁辐照系统及其应用方法，该电磁辐照系统用于对活体动物进行射频电磁场生物效应研究，主要包括三维载物平台12、微波装置、微波暗室以及电磁辐照控制系统1，三维载物平台12和微波装置各自通过数据传输线与电磁辐照控制系统1相连接，以实现电磁辐照控制系统1对两者的远距离控制操作。

如图1所示，微波装置由微波源2和发射天线3构成，两者通过电缆连接，同时微波源2还与电磁辐照控制系统1通过数据传输线连接，其内置有单片机进行数据处理和控制，配有触摸显示屏，发射时间和功率可调，发射天线3固定设置于支撑底座5之上。

如图1所示，三维移动平台12可以在水平方向和竖直方向自由移动，也可以进行360°自由旋转，为了避免电磁场的畸变，选用介电参数相对较小的有机玻璃作为其原材料。三维移动平台12的底部是铺设于平面上的水平导轨11，在水平导轨11设置有支架7，支架7可在电机的驱动下沿水平导轨11自由滑动，在支架7的两根竖轴上分别固定有竖向导轨8，竖向导轨8上设置有水平姿态的支撑板10，支撑板10可在电机的驱动下沿竖向导轨8上下滑动，同时在支撑板10上固定有一个360°可旋转平台9，该360°可旋转平台9用于放置活体动物，并可在原地360°自由转动。

如图1所示，三维载物平台12和发射天线3均设置于微波暗室（图中未示出）中，微波暗室中装有吸波锥，发射天线3的喇叭口4正对三维载物平台12设置，设置于三维载物平台12上的活体动物6在本实施例中具体是大鼠，当然也可以是其它活体小动物。

如图1、2所示，电磁辐照控制系统1运行于计算机上，具体包括硬件设置模块、电磁辐照参数设置和输出模块、辐照方式和辐照剂量显示模块以及微波发射控制模块，各模块之间相互数据通讯连接。

如图1、2所示，硬件设置模块由串口端验证子模块和电磁场校准子模块组成，串口端验证子模块与计算机各端口存在数据通讯关系，只有在串口端验证子模块验证通过时才可以激活启动电磁场校准子模块。

电磁辐照参数设置和输出模块由五大子模块组成，它们分别是放置方式子模块、辐射距离子模块、目标器官子模块、发射时间子模块、发射功率子模块，该辐照参数设置和输出模块分别与微波装置、三维载物平台12连接。当微波源2摆放位置确定后，它所发射的空间平面电磁波的波矢（即传播方向）和极化方向（电场方向）也是确定的，但是研究对象（即实验用大鼠）的放置方式有很多种，如相对于波矢，电磁波入射部位有背部、腹部、头部、尾部、侧腹部等，而相对于极化方向，大鼠头<->尾或左腹部<->右腹部方向沿着极化方向等。不同的放置方式中大鼠各组织器官或者全身平均电磁辐照剂量不同，同一放置方式大鼠不用组织器官的电磁辐照剂量也不同。微波源发射功率P₀发生变化，空间确定点电磁场值与P₀的开方呈正比，该处大鼠组织器官的SAR_avg与P₀呈正比，而当P0不变时，空间确定点与到喇叭天线的距离有关，在远场区电场与P0的开放呈反比关系。辐照参数还包括辐照时间，这将决定电磁辐照作用于动物体的总能量。

辐照方式和辐照剂量显示模块由两大子模块组成，它们分别是辐照方式展示子模块和辐照剂量显示子模块。

微波发射控制模块还与外部的微波源2连接，用以对微波源2进行控制发射和结束的操作。

如图1、2所示，上述活体动物电磁辐照系统的应用方法操作流程如下：

（1）检视微波源2和发射天线3之间的线路连接，无误后打开微波源2的电源开关，预热30min；并将活体动物6（即大鼠）放置于360°可旋转平台9上；

（2）打开计算机，点击启动其上的软件：电磁辐照控制系统1，进入其内的硬件设置模块，通过串口端验证子模块分别验证微波源2和三维载物平台12连接计算机的端口号并记录，之后通过电磁场校准子模块进行电磁场校准，即在其窗口选项内输入微波源2的输出功率为1W时距离喇叭口4的1.0m处的电场值，输入后需要按“输入确定”按钮，如需重新输入，按“重新输入”按钮，通过实时校准，可以有效消除地面反射或空间散射对场分布的影响，保证了器官中电磁辐照剂量的可靠性；

（3）待硬件设置模块设定完毕后，进入软件内的辐照参数设置和输出模块进行参数设置，各辐照参数可选择内容如下：

a.通过放置方式子模块对微波装置所发射的空间平面电磁波相对于大鼠的入射部位和极化方向这两项内容进行设定，共五种方式：背部、头<->尾；背部、左腹<->右腹；头部、左腹<->右腹；腹部、头<->尾；侧部、头<->尾；

b.通过辐射距离子模块设定大鼠到喇叭口的距离：1.0m、1.5m和2.0m；

c.通过目标器官子模块选定大鼠的目标器官，共11种，包括脑、心脏、肝脏、脾脏、肾脏、肺、舌、皮肤、脂肪、骨骼和全身；

d. 通过发射时间子模块设定微波装置的发射持续时间：1s—24h；

e．通过发射功率子模块设定微波装置的发射功率，当发射功率为1-10W时，间隔为1W，当发射功率为10-200W时，间隔为10W；

待辐照参数设定完毕后，将所设定的辐照参数分别输出至微波源2、三维载物平台12以及辐照方式和辐照剂量显示模块，并保存为HTML格式；

（4）软件内的辐照方式和辐照剂量显示模块在接收到各项辐照参数设定后，对其进行数据处理，数据处理完毕后通过辐照方式展示子模块显示空间平面电磁波的波矢、极化方向以及大鼠放置姿势示意图，通过辐照剂量显示子模块以列表的形式给出目标器官的辐照剂量，这一辐照剂量即为当前辐照条件下大鼠体内目标器官的SAR_avg和1gSAR_max，单位为W/kg；

（5）微波源2通过数据传输线收到发射持续时间和发射功率这两个参数后，将其内部硬件调定至相应参数；三维载物平台12经由数据传输线收到大鼠放置方式和辐射距离这（即步骤3中的a、b项内容）两个参数后，通过水平导轨11将大鼠移动至距喇叭口4设定的距离，通过竖向导轨8将支撑板10升至正对喇叭口4的高度，通过360°可旋转平台9将大鼠旋转至设定的放置姿势，以使空间平面电磁波能按设定的入射部位和极化方向辐照大鼠；如果在试验中三维载物平台12发生故障或是采用其它二维平台时，则可按照辐照方式展示子模块中所展示的大鼠放置姿势示意图手动放置大鼠的位置；

（6）软件内的发射控制模块用于对已经进行硬件设置的微波源2进行控制发射和结束，在该发射控制模块中具有以下按钮选项：单次发射、连续发射、连续结束、发射时间和状态指示灯；当实验仅需发射已经设置的辐照参数“发射时间”，按下“单次发射”按钮，同时发射控制模块中的“发射时间”窗口开始正计时，单位为s，状态指示灯由“暗”转为“绿”，微波源2开始发射；当发射时间已经到了设置的发射时间时，计时停止，状态指示灯由“绿”转为“暗”，微波源2停止发射；当实验需要连续发射时，按下“连续发射”按钮，同时发射控制模块中的“发射时间”窗口开始正计时，单位为s，状态指示灯由“暗”转为“绿”，微波源开始发射；当实验需要结束发射时，按下“连续停止”按钮，计时停止，状态指示灯由“绿”转为“暗”，微波源停止发射；

（7）取出实验大鼠，关闭微波源2和计算机。

本实施例中的活体动物电磁辐照系统及其应用方法具有以下有益效果：

①通过长距离自动控制三维载物平台的姿态调整，免去了进入微波暗室手动放置调整大鼠姿势的弊端，从而使电磁辐照控制系统实现了计算机长距离控制微波源的参数设置和发射；

②电磁辐照控制系统中包括了影响动物体内辐照剂量的多个辐照参数可以设置，设置完辐照参数即可给出多达11种重要目标器官的辐照剂量，从而为建立辐照剂量与动物效应之间的精确的量效关系提供数据，同时直观给出了相对于微波发射方向的动物放置姿势，以便实验中参考；

③三维载物平台可放入微波暗室中，活体动物处于正常生长环境中接收电磁波辐照；

④计算机控制微波发射，操控方便、安全，可通过计算机上的电磁辐照控制系统实时查询动物体内重要器官的电磁辐照剂量；

⑤电磁辐照系统可长时间工作，0s-24h；

⑥电磁场均匀区域大，比如在距离发射天线喇叭口1.0m处电场不均匀度为10%的空间范围为：10×20cm²，满足辐照要求，并且随着距离的加大，不均匀度为10%的空间范围也在加大。

Claims (9)

1.一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述电磁辐照系统由电磁辐照控制系统、微波装置、三维载物平台以及微波暗室构成，所述微波装置和三维载物平台均连接所述电磁辐照控制系统，所述微波装置由微波源和发射天线构成，两者相互连接，所述发射天线与所述三维载物平台位于所述微波暗室中，且所述三维载物平台位于所述发射天线的辐照区域内；其中所述电磁辐照控制系统至少包括硬件设置模块、电磁辐照参数设置和输出模块、微波发射控制模块、辐照方式和辐照剂量显示模块,各所述模块之间相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述三维载物平台包括水平导轨、支架、竖向导轨、支撑板以及360°可旋转平台，所述支架活动连接于所述水平导轨上，所述竖向导轨固定于所述支架上，所述支撑板活动连接于所述竖向导轨上，所述360°可旋转平台固定于所述支撑板上。

3.根据权利要求1或2所述的一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述三维载物平台由有机玻璃材料构成。

4.根据权利要求1所述的一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述硬件设置模块由串口端验证子模块以及电磁场校准子模块构成，两者之间相互连接，所述串口端验证子模块还与计算机的各端口连接。

5.根据权利要求1所述的一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述辐照参数设置和输出模块由放置方式子模块、辐射距离子模块、目标器官子模块、发射时间子模块、发射功率子模块构成，所述辐照参数设置和输出模块分别与所述微波装置、三维载物平台连接。

6.根据权利要求1所述的一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述微波发射控制模块与所述微波装置连接。

7.根据权利要求1所述的一种活体动物电磁辐照系统，其特征在于所述辐照方式和辐照剂量显示模块由辐照方式展示子模块和辐照剂量显示子模块构成。

8.一种涉及权利要求1-7中所述的活体动物电磁辐照系统的应用方法，其特征在于所述应用方法至少包括如下步骤：

   （1）将活体动物放置于所述三维载物平台上；

   （2）打开所述电磁辐照控制系统中的硬件设置模块，通过所述串口端验证子模块以验证所述微波装置、三维载物平台连接所述计算机的端口号，之后打开所述电磁场校准子模块，在其内输入所述微波装置输出功率为某一定值时距离其发射天线一定距离处的电场值，并保存；

   （3）待硬件设置模块设定完毕后，打开所述辐照参数设置和输出模块进行参数设置，通过所述放置方式子模块设置所述微波装置所发射的空间平面电磁波相对于所述活体动物的入射部位和极化方向，通过所述辐射距离子模块设定所述活体动物到喇叭口的距离，通过所述目标器官子模块选定所述活体动物的目标器官，通过所述发射时间子模块设定所述微波装置的发射持续时间，通过所述发射功率子模块设定所述微波装置的发射功率；将在所述辐照参数设置和输出模块中所设定的参数分别输出至所述微波装置、三维载物平台以及辐照方式和辐照剂量显示模块，从而实现所述微波装置硬件内部参数的调定，所述三维载物平台通过所述水平导轨移动至距所述微波装置喇叭口设定的距离，通过360°可旋转平台将所述活体动物旋转至设定的放置姿势；

   （4）所述辐照方式和辐照剂量显示模块在接收到所述设定的参数后进行数据处理，通过所述辐照方式展示子模块显示所述空间平面电磁波的波矢、极化方向以及大鼠放置姿势示意图，通过所述辐照剂量显示子模块以列表的形式给出所述目标器官的辐照剂量，这一辐照剂量即为当前辐照条件下所述活体动物体内目标器官的SAR_avg和1gSAR_max，单位为W/kg；

   （5）最后，通过所述发射控制模块对所述微波装置进行控制发射和结束。

9.根据权利要求8所述的一种活体动物电磁辐照系统的应用方法，其特征在于所述微波装置所发射的空间平面电磁波相对于所述活体动物的入射部位和极化方向具体可以是：背部、头到尾或尾到头；背部、左腹到右腹或右腹到左腹；头部、左腹到右腹或右腹到左腹；腹部、头到尾或尾到头；侧部、头到尾或尾到头。

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