磁刺激治疗仪的设计与仿真

　　近年来磁场对人体的生物效应越来越受到研究者及广大群众的关注。随着电刺激在医学领域的广泛应用,特别是与中医针灸相结合的医学革新,使越来越多的研究者开始研究电磁等外部刺激与生物信息的关系。

　　1　磁场的生物效应

　　关于磁场与细胞作用的机制,目前趋向认为电磁场使细胞表面蛋白分子产生电泳作用,改变了细胞膜的电荷分布,从而调节受配体结合信号转导系统,最终导致改变细胞的生物学行为^[1] 。

　　研究表明低于0.5 T的磁场对生物的神经系统有明显的生物效应。郭云琴等报道0.4 mT的脉冲磁场可明显提高脑梗塞大鼠的神经功能。磁场对离子通透性的影响:法国Bordeaux大学神经生理实验室发现在50 Hz,1 mT的正弦磁场照射下,细胞膜对Ca ²⁺的通透性增加,胞内Ca ^{2 +}浓度上升。实验结果分析表明,磁场对细胞的作用不是1种线性关系,存在着频率、场强及脉宽的窗口效应^[1] 。

　　2　信号发生电路的设计

　　本设计产生磁场的激励源信号,由信号发生器MAX038产生,通过功率放大器和光电耦合隔离,输出电流供给探头线圈,以产生所需磁场。

　　MAX038是MAXIM公司生产的1种具有高频、高精度、低输出电阻而且驱动能力很强的函数信号发生器芯片。MAX038芯片可以产生三角波、方波、正弦波3种波形,由波形设置端A0,A1控制,其中当A ₁为1,A ₀为任意时,输出正弦波。MAX038的输出频率f0由I _in,FADJ端电压和主振荡器COSC的外界电容器C共同确定^[2] 。

　　由于磁刺激治疗仪所用信号为低频,所以COSC外接电容选择10μF,DADJ和FADJ引脚接地,则输出频率f ₀=I _{i n}/CF,I _in=U _in/R _in=2.5/R _in。因此在REF与I _in之间接入数字电位器,进而实现输出信号的频率调节。图1所示为信号发生与调频电路。表1给出了数字电位器中不同阻值与输出频率的对应关系。

　　3　信号放大电路的设计

　　由于信号发生器输出的信号范围是2 V(P-P),因此要对MAX038的输出信号进行放大。图2所示为信号放大电路和调幅电路。设计中采用两级放大,首先采用LM324对电压信号进行放大,再经过功率放大器OPA549进行功率放大。其中通过数字电位器改变放大倍数,从而实现调幅功能。表2给出了电压幅值与电阻值的对应关系。OPA549是一款高压、高电流功率运算放大器。该放大器具有体积小、电源范围宽、输出电流大、输出功率大、转换效率高、输出电压幅度宽、单位增益稳定、带有过热过流保护功能以及功率频带宽等特点[3]。