CN104922799A - 双脉冲磁敏增效仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双脉冲磁敏增效仪，包括磁头和控制电路，磁头利用磁性材料做为磁心，并利用激磁线圈产生较强磁场，控制电路控制设置在磁头中的线圈的脉冲电流，通过控制脉冲电流的大小、方向和变化频率达到控制磁场的强度和脉冲磁场频率的目的。本发明的技术方案利用正负双脉冲解决剩磁问题，大大增强磁通量的变化量，并保证磁场变化率的连续可调。同时，也可保留单向脉冲磁场的选择，以利根据需要灵活选择。

Description

双脉冲磁敏增效仪

技术领域

本发明属于医用电磁增敏技术，更加具体地说，具体涉及一种新的双脉冲磁场发生器，以利用脉冲磁场增强肿瘤放疗和化疗的效果。

背景技术

肿瘤是危害人类健康的常见和多发的疾病，其中恶性肿瘤亦即癌症是目前危害人类健康的最严重疾病之一。目前，放、化疗仍是肿瘤治疗的主要手段之一。但由于缺乏选择性和针对性，放化疗时射线、化疗药不仅杀灭癌细胞，也同样杀死人体的正常细胞，放化疗的毒副反应严重限制了其治疗作用的发挥，使患者生活质量明显下降，许多病人因而放弃放、化疗。实际上，不少肿瘤病人并不是死于肿瘤本身，而是死于放化疗引起的并发症。针对放化疗的毒副反应问题，放化疗增效减毒的理念被认为是短期内提高肿瘤治愈率的一个有效途径，要求放化疗增效方法具有安全、无毒、减轻症状和不影响原有治疗方案的特点，利用磁场非热生物效应(即频率较低的磁场生物效应)增强治疗效果正符合此特点。有多方面的研究磁场非热生物效应对肿瘤和癌症治疗作用，指出了磁场对癌细胞具有选择性杀伤或生长抑制作用。由于特定磁场的作用导致细胞内带电粒子或基因发生变化，使细胞内分子与电子之间的作用与传递受到干扰，甚至被破坏，从而影响癌细胞的生长繁殖，使其生长缓慢或停滞。磁场的非热生物效应具有非线性的特点，存在明显的“频率窗效应”和“功率窗效应”，磁场对癌细胞具有选择性杀伤或生长抑制作用。低频磁场非热生物效应存在“门槛”值、“频率或调制窗口”以及“强度窗口”。

目前国内也有用低频或直流磁场进行增敏效应研究，但效果远不如脉冲磁场好。关于脉冲磁场的增敏作用，研究指出，脉冲磁场的增效机理是依据癌细胞膜负电荷密度大于正常细胞的特性，利用脉冲磁场作用于癌细胞，电磁辐射在细胞中磁通量的瞬变，使癌细胞中的微电流较正常细胞产生更大变化，尤其对Ca^＋＋、K^＋离子通道的影响更大，进而改变其生物学特性，达到物理增敏效果的。此外，脉冲磁场对G₀期肿瘤细胞有诱导分化作用，因此在防止肿瘤复发、转移方面能够发挥更大的作用。也有研究指出，脉冲磁场能诱导肿瘤细胞凋亡、增强肿瘤细胞对放化疗敏感性及逆转肿瘤多药耐药等效应。

目前常用的脉冲磁敏增效仪器一般是单脉冲磁场和单向脉冲序列（连续脉冲）磁场，前者产生的磁场强度过大，后者采用单向电流，强度下降。产生磁场的线圈可以是空心线圈，无剩磁问题，磁感应强度较小；也可以利用磁性材料（如硅钢、铁氧体等）增强磁场，但有剩磁问题。

发明内容

本发明的技术目的在于克服现有技术的不足，基于磁场参数要求，提供新的磁场发生器亦即磁敏增效仪。本发明的技术方案利用正负双脉冲解决剩磁问题，大大增强磁通量的变化量，并保证磁场变化率的连续可调。同时，也可保留单向脉冲磁场的选择，以利根据需要灵活选择。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

双脉冲磁敏增效仪，包括磁头和控制电路，其中：

磁头利用磁性材料做为磁心，产生较强磁场；控制电路控制设置在磁头中的线圈的脉冲电流，通过控制脉冲电流的大小、方向和变化频率达到控制磁场的强度和脉冲磁场频率的目的。

所述磁头由激磁线圈和磁心组成，所述磁心呈现C形磁性材料，由第一竖直部件、第二竖直部件、第三竖直部件、第一水平部件和第二水平部件组成，第一水平部件的两端分别设置第一竖直部件和第三竖直部件，第二水平部件的两端分别设置第二竖直部件和第三竖直部件，第三竖直部件的两端分别设置第一水平部件和第二水平部件，第一竖直部件和第二竖直部件之间形成C形的开口，以保证磁力线在由磁性材料组成的C形磁心中分布均匀；所述激磁线圈缠绕在磁心上，即均匀缠绕在第一竖直部件、第二竖直部件、第三竖直部件、第一水平部件和第二水平部件之上，其数量为2—8组，每组线圈选择10～200匝；在进行绕线时，组成线圈的绕线采用截面直径在0.8～2mm之间，例如漆包线，根据可能的电流大小单股绕制或多股并绕成线圈；上述磁头结构中，各个激磁线圈之间可选择串联、并联或串并联结合的方式进行连接，然后将连接后的整体激磁线圈接入控制电路。

在上述磁头结构中，激磁线圈优选设置在靠近C形开口处的第一竖直部件和第二竖直部件上。

在上述磁头结构中，所述磁心采用软磁材料，选用的材料如硅钢片、铁氧体、非晶态磁性材料等；磁心的形成可根据所选用的磁性材料特点制作，如选用硅钢片，可采用迭片插装的方式制作，具体来说：

第一竖直部件的长度（b）为100—400mm；

第二竖直部件的长度（a）为100—400mm；

第三竖直部件的长度（e）为600—1200mm；

第一水平部件的长度（c）为200—600mm；

第二水平部件的长度（c）为200—600mm；

第一水平部件和第二水平部件的间距（d）为500—1000mm；

第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的长度（f）为400—600mm；

第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的截面积（A）为50～1600cm²；

其余位置上的横截面积为C形开口的截面积的1—0.3倍。

在上述磁头结构中，选择单股绕制或多股并绕的原则是工作在最大额定电流时发热量很小，在室内自然环境下长时间工作（4小时以上）的温度升高不超过30℃。

所述控制电路，包括脉冲发生器、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第一电子功率开关、第二电子功率开关、第三电子功率开关、第四电子功率开关、电阻：

所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第一电子功率开关、第二电子功率开关、第三电子功率开关和第四电子功率开关组成全桥逆变电路；所述第一驱动电路、第一电子功率开关、第四驱动电路和第四电子功率开关组成一组，所述第一驱动电路与第一电子功率开关相连，所述第四驱动电路与第四电子功率开关相连；所述第二驱动电路、第二电子功率开关、第三驱动电路和第三电子功率开关组成另一组，所述第二驱动电路与第二电子功率开关相连，所述第三驱动电路与第三电子功率开关相连；所述脉冲发生器的第一相脉冲与第二驱动电路、第三驱动电路相连，脉冲发生器的第二相脉冲与第一驱动电路、第四驱动电路相连；所述脉冲发生器的第一相脉冲与第二相脉冲的脉冲相位相差180°；激磁线圈（即磁头结构中的诸个激磁线圈经过串联或者并联后的整体激磁线圈）的一端与第一电子功率开关、第二电子功率开关相连，另一端与电阻串联后，与第三电子功率开关、第四电子功率开关相连。

采用的外接电源选用220伏电网电压经整流滤波得到（即在整个电路上并联电容C，以实现滤波作用），也可以直接采用可调开关电源供电（可多个低压电源串联达到要求的外接电源）。

第一、第二相脉冲由脉冲发生器电路产生和控制，并由脉冲发生器决定脉冲频率的大小，并控制两者；脉冲电流的大小通过外接电源和电阻来确定，从而确定脉冲磁场的强度。

所述第一电子功率开关、第二电子功率开关、第三电子功率开关和第四电子功率开关分别为IGBT，也可以更换为合适的场效应管；无论哪种，要求其内部包含具有钳位作用的体二极管。

所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路和第四驱动电路采用光电耦合驱动电路，如EXB841。

所述脉冲发生器可以采用PWM（脉冲宽度调制）控制芯片，固定其输出脉冲宽度，产生所要求的脉冲。

脉冲磁场周期性的磁通量瞬变是影响肿瘤细胞的重要因素，这样对产生脉冲磁场的设备或称为磁敏增效仪的磁场参数要求至少应包含两个方面：一是磁通量的变化频率，一是磁通量的变化量。现有技术中采用单脉冲磁场和单向脉冲序列（连续脉冲）磁场。

一般磁性材料在单向激磁后都会有剩磁，通过反向激磁可以消除剩磁，使得磁场磁通量变化量增大。如附图1所示本发明技术方案的原理示意图，当一个方向脉冲电流停止后，由于磁性材料剩磁作用，仍有一定的磁场存在；当反向电流通过时，剩磁消失产生反向磁场。电流的大小决定所产生磁场的强度，脉冲，电流频率决定脉冲磁场的频率，所选择的磁性材料决定剩磁的大小，正负电流脉冲之间的时间间隔t_c即为每次剩磁持续的时间；通过选择高性能的电流变换器件，如场效应管、IGBT等，可将t_c缩短至微秒级，从而得到频率为0～1000Hz的近似方波的双脉冲电流波形。磁场的磁感应强度绝对值应在0～0.1T（特斯拉）的范围内，这样的双脉冲磁场变化率比同等条件下的单向脉冲磁场提高至少1倍。

本发明提出一种新的双脉冲磁敏增效的装置和方法，可获得频率为0～1000Hz的双脉冲磁场波形，磁场的磁感应强度绝对值应可达到0.1T（特斯拉），其变化量可达0.2T（特斯拉）；同样条件下可比单向脉冲磁场的强度的变化量大1倍；同时，如果只允许单向脉冲电流通过并选择剩磁较小的磁性材料，则可以获得单向脉冲磁场。这样该装置既可以获得正负双向脉冲磁场，也可以获得单向脉冲磁场，可根据需要灵活选择，为肿瘤治疗的磁场增敏研究提供了新的手段和方法，拓宽了磁场作用的范围，为进一步的研究奠定了基础。

附图说明

图1是本发明技术方案的原理示意图。

图2是本发明技术方案中磁头结构示意图，其中1为第一竖直部件、2为第二竖直部件、3为第三竖直部件、4为第一水平部件、5为第二水平部件、6为激磁线圈、a为第二竖直部件的长度、b为第一竖直部件的长度、c为第一水平部件的长度、c为第二水平部件的长度、d为第一水平部件和第二水平部件的间距、e为第三竖直部件的长度、f为第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的长度、A为第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的截面积。

图3是本发明技术方案中控制电路结构示意图，其中驱动电路1—4、脉冲发生器（A相脉冲、B相脉冲）、电子功率开关VT1～VT4、C为电容、R为电阻、U_d为电源、N₁为设置在磁头上的线圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如附图2所示本发明技术方案中磁头结构示意图（截面示意图），其中1为第一竖直部件、2为第二竖直部件、3为第三竖直部件、4为第一水平部件、5为第二水平部件、6为激磁线圈、a为第二竖直部件的长度、b为第一竖直部件的长度、c为第一水平部件的长度、c为第二水平部件的长度、d为第一水平部件和第二水平部件的间距、e为第三竖直部件的长度、f为第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的长度、A为第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的截面积。

磁头由激磁线圈和磁心组成，所述磁心呈现C形磁性材料，由第一竖直部件、第二竖直部件、第三竖直部件、第一水平部件和第二水平部件组成，第一水平部件的两端分别设置第一竖直部件和第三竖直部件，第二水平部件的两端分别设置第二竖直部件和第三竖直部件，第三竖直部件的两端分别设置第一水平部件和第二水平部件，第一竖直部件和第二竖直部件之间形成C形的开口，以保证磁力线在由磁性材料组成的C形磁心中分布均匀。所述磁心采用软磁材料，选用的材料如硅钢片、铁氧体、非晶态磁性材料等；磁心的形成可根据所选用的磁性材料特点制作，如选用硅钢片，可采用迭片插装的方式制作，具体来说：

第一竖直部件的长度（b）为100—400mm；

第二竖直部件的长度（a）为100—400mm；

第三竖直部件的长度（e）为600—1200mm；

第一水平部件的长度（c）为200—600mm；

第二水平部件的长度（c）为200—600mm；

第一水平部件和第二水平部件的间距（d）为500—1000mm；

第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的长度（f）为400—600mm；

第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的截面积（A）为50～1600cm²；

其余位置上的横截面积为C形开口的截面积的1—0.3倍。

激磁线圈缠绕在磁心上，即均匀缠绕在第一竖直部件、第二竖直部件、第三竖直部件、第一水平部件和第二水平部件之上，其数量为2—8组（图示为6组），每组线圈选择10～200匝；在进行绕线时，组成线圈的绕线采用截面直径在0.8～2mm之间，例如漆包线，根据可能的电流大小单股绕制或多股并绕成线圈，选择单股绕制或多股并绕的原则是工作在最大额定电流时发热量很小，在室内自然环境下长时间工作（4小时以上）的温度升高不超过30℃。

激磁线圈优选设置在靠近C形开口处的第一竖直部件和第二竖直部件上。在上述各个激磁线圈之间可选择串联、并联或串并联结合的方式。

如附图3所示本发明技术方案中控制电路结构示意图，其中驱动电路1—4、脉冲发生器（A相脉冲、B相脉冲）、电子功率开关VT1～VT4、C为电容、R为电阻、U_d为电源、N₁为设置在磁头上的线圈。

所述N₁为前述磁头上的激磁线圈，线圈可以是前述磁头上线圈的串联、并联或串并联结合；控制电路主要由4个电子功率开关VT₁～VT₄组成的全桥逆变电路组成，VT1、VT4为一组，VT2、VT3为另一组，电子功率开关VT1～VT4分别与驱动电路1—4相连。所述脉冲发生器的A相脉冲与驱动电路2、驱动电路3相连；脉冲发生器的B相脉冲与驱动电路1、驱动电路4相连；激磁线圈N₁的一端与VT1、VT2相连，另一端与电阻R串联后，与VT4、VT3相连；A、B相脉冲由脉冲发生器电路产生和控制，并由脉冲发生器决定脉冲频率的大小，并控制两者脉冲相位相差180°；脉冲电流的大小通过U_d和R来确定，从而确定脉冲磁场的强度。

相位相差180°的A、B两相脉冲驱动而交替导通，产生正反向电流作用于N1，电流大小取决于电阻R和直流电压U_d。当VT1、VT4同时导通时，电流经VT1、N1、R、VT4闭合，直流电压U_d加在N1上，N1上的电压为左正右负，VT2、VT3未导通；随后，VT1、VT4关断，VT2、VT3同时导通，电流经VT3、R、N1、VT2闭合，N1上的电压为右正左负，N1上电压极性反转过来。这样就在线圈上产生了正负双脉冲电流，从而产生双脉冲磁场。

图中VT1～VT4选用的是IGBT，也可以更换为合适的场效应管；无论哪种，要求其内部包含具有钳位作用的体二极管。4个驱动电路采用光电耦合驱动电路，如EXB841；U_d可以是220伏电网电压经整流滤波得到（即电容C滤波作用），也可以直接采用可调开关电源供电（可多个低压电源串联达到要求的U_d）。脉冲发生器可以采用PWM（脉冲宽度调制）控制芯片，如SG3525，也可以采用数字与模拟电路结合组合而成，固定其输出脉冲宽度，产生所要求的脉冲。PWM控制芯片输出脉冲可以是两相脉冲（A、B两相），相位差180°，控制双向脉冲磁场输出；也可以只输出单相脉冲（A或B相）输出，控制单向脉冲磁场输出。

对白血病HL－60细胞进行实验，采用单独γ射线作用的细胞凋亡率为18.6%；同样条件下，单向脉冲磁场（10mT，250Hz）与γ射线联合作用的细胞凋亡率为33.4%，双向脉冲磁场（5mT，250Hz）与γ射线联合作用的细胞凋亡率为34.1%。可以看出，脉冲磁场对γ射线作用明显的增敏效果以及双脉冲磁场在减弱磁场强度的条件下同样的增敏效果。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，包括磁头和控制电路，磁头以磁性材料做为磁心，利用激磁线圈产生磁场；控制电路控制设置在磁头中的激磁线圈的脉冲电流，通过控制脉冲电流的大小、方向和变化频率达到控制磁场的强度和脉冲磁场频率的目的，其中：

所述磁头由激磁线圈和磁心组成，所述磁心呈现C形磁性材料，由第一竖直部件、第二竖直部件、第三竖直部件、第一水平部件和第二水平部件组成，第一水平部件的两端分别设置第一竖直部件和第三竖直部件，第二水平部件的两端分别设置第二竖直部件和第三竖直部件，第三竖直部件的两端分别设置第一水平部件和第二水平部件，第一竖直部件和第二竖直部件之间形成C形的开口；所述激磁线圈缠绕在磁心上，即均匀缠绕在第一竖直部件、第二竖直部件、第三竖直部件、第一水平部件和第二水平部件之上；

所述控制电路，包括脉冲发生器、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第一电子功率开关、第二电子功率开关、第三电子功率开关、第四电子功率开关、电阻：

所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第一电子功率开关、第二电子功率开关、第三电子功率开关和第四电子功率开关组成全桥逆变电路；所述第一驱动电路、第一电子功率开关、第四驱动电路和第四电子功率开关组成一组，所述第一驱动电路与第一电子功率开关相连，所述第四驱动电路与第四电子功率开关相连；所述第二驱动电路、第二电子功率开关、第三驱动电路和第三电子功率开关组成另一组，所述第二驱动电路与第二电子功率开关相连，所述第三驱动电路与第三电子功率开关相连；所述脉冲发生器的第一相脉冲与第二驱动电路、第三驱动电路相连，脉冲发生器的第二相脉冲与第一驱动电路、第四驱动电路相连；所述脉冲发生器的第一相脉冲与第二相脉冲的脉冲相位相差180°；激磁线圈的一端与第一电子功率开关、第二电子功率开关相连，另一端与电阻串联后，与第三电子功率开关、第四电子功率开关相连。

2.根据权利要求1所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述激磁线圈优选设置在靠近C形开口处的第一竖直部件和第二竖直部件上。

3.根据权利要求1或者2所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述激磁线圈数量为2—8组，每组线圈选择10～200匝；在进行绕线时，组成线圈的绕线采用截面直径在0.8～2mm之间的漆包线。

4.根据权利要求1或者2所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，在所述磁头结构中，各个激磁线圈之间选择串联、并联或串并联结合的方式进行连接；在控制电路中，将磁头结构中连接后的整体激磁线圈接入控制电路。

5.根据权利要求1所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述磁心采用软磁材料，第一竖直部件的长度为100—400mm；第二竖直部件的长度为100—400mm；第三竖直部件的长度为600—1200mm；第一水平部件的长度为200—600mm；第二水平部件的长度为200—600mm；第一水平部件和第二水平部件的间距为500—1000mm；第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的长度为400—600mm；第一竖直部件和第二竖直部件之间形成的C形开口的截面积为50～1600cm²；其余位置上的横截面积为C形开口的截面积的1—0.3倍。

6.根据权利要求1所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述第一电子功率开关、第二电子功率开关、第三电子功率开关和第四电子功率开关为场效应管。

7.根据权利要求6所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述第一电子功率开关、第二电子功率开关、第三电子功率开关和第四电子功率开关为IGBT。

8.根据权利要求1所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路和第四驱动电路采用光电耦合驱动电路。

9.根据权利要求1所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路和第四驱动电路采用光电耦合驱动电路EXB841。

10.根据权利要求1所述的双脉冲磁敏增效仪，其特征在于，所述脉冲发生器采用PWM控制芯片，控制双向脉冲磁场输出，第一相脉冲与第二相脉冲的脉冲相位相差180°，或者控制输出单相脉冲。