脉冲磁场发生器中用Braunbeck线圈的分析

研制一台用于肿瘤治疗的脉冲磁场发生器的关键单元是磁场线圈的设计和研制。为设计一种均匀区域更大、均匀度更高、工作更稳定的磁场线圈,在总结课题组前期工作的基础上,提出用一种4线圈系统的Braunbeck线圈替代传统的Helmholtz线圈。并对Braunbeck线圈的几何参数和中心磁场进行了理论计算、用COMSOL Multiphysics有限元软件进行内部磁场分布仿真以及研制出实物并对其性能进行了实测,结果显示该Braunbeck线圈工作性能稳定,磁场均匀度>95%的区域达到了在线圈径向-0.18～0.18m、轴向-0.17～0.17m之间,较课题组前期设计的Helmholtz线圈有了较大改进,为后续医学实验奠定了基础。     

肿瘤治疗用陡脉冲磁场发生器的研制

为研究应用陡脉冲磁场治疗肿瘤,结合脉冲功率技术和现代电力电子控制技术研制了一套双指数衰减陡脉冲磁场发生器。在概述陡脉冲磁场发生器的基本原理的基础上,详细阐述了其两个主要组成部分陡脉冲形成电路和单匝Helmholtz线圈的具体设计要点和关键研制技术,其磁场磁感应强度幅值(0～1mT)、脉宽(160ns～55μs)、重复频率(1Hz～1kHz)大范围独立可调,通过选用快速开关器件、减小回路电感等措施提高陡度(上升时间为70～220ns),通过合理设计Helmholtz线圈结构与尺寸增大磁场均匀区域,该发生器的研制为陡脉冲磁场治疗肿瘤的进一步实验和机理研究奠定了基础。     

脉冲电流电磁场对淋巴细胞微核率影响的实验研究

通过不同模式的脉冲电流电磁场PCEMFs对离体的人体外周血淋巴细胞进行电磁辐射,初步得出PCEMFs对淋巴细胞微核率MNR的影响的规律:细胞MNR和破坏的程度与PCEMFs的磁感应强度Bm以及其变化梯度dB/dt呈正相关关系,并提出使细胞SCE发生变异的临界参考指标,其中Bm为0.15T,dB/dt为1.8×104T/s;而破坏的临界参考指标分别为2.64T和3.3×104T/s,为强电流脉冲放电环境的电磁防护研究提供了实验依据.细胞SCE和破坏的程度和PCEMFs中电场和磁场的空间相对位置有关,电场和磁场相互垂直的PCEMFs对细胞的影响程度比其它结构形式的PCEMFs显著.     

肿瘤治疗用脉冲磁场发生器中聚焦磁场线圈的研制

为了开展荷瘤动物的在体肿瘤治疗实验研究,并提高肿瘤治疗的有效性和安全性,要求脉冲磁场发生器的磁场线圈具有较好的聚焦性能。为此,在总结课题组前期工作的基础上,提出了一种球面型聚焦线圈阵列。首先通过COMSOL Multiphysics有限元软件对改进前和改进后2种球面型聚焦线圈的磁场分布进行了仿真分析;然后确定了聚焦线圈模型,并仿真分析了子线圈的半径和线径对磁场分布的影响,进而确定了线圈参数并完成了实物的研制;最后对聚焦磁场线圈的聚焦性能进行了实测与评估。研究结果表明,改进后的聚焦磁场线圈的聚焦性能比改进前有了很大提高,子线圈半径对聚焦线圈的磁场分布有较大的影响,而子线圈的线径影响较小。总之,所设计和研制的球面型聚焦线圈阵列的聚焦性能较好,满足设计要求,为下一步的脉冲磁场发生器的研制和医学实验奠定了坚实基础。     

不同磁感应强度的微秒脉冲磁场对卵巢癌细胞SKOV3的影响

雷电μs脉冲电磁场的危害越来越严重,却鲜有人研究此μs脉冲电磁场对人的影响。为研究μs脉冲磁场的生物电磁效应机制以及对人体健康的影响,使用人卵巢癌细胞株SKOV3作为实验对象,采用实验室自制的μs脉冲磁场发生器产生不同磁感应强度的μs脉冲磁场(磁感应强度为1~200 m T,上升时间为800 ns,脉冲宽度为8.4μs,频率为8 Hz)处理细胞3 d时间,每天间隔12 h时间处理1次,每次处理时间为1 h。处理结束后24 h时间分别使用噻唑蓝(MTT)和流式细胞术(flow cytometry method,FCM)来检测细胞的增殖抑制率和凋亡率。结果显示:增殖抑制率与脉冲磁场的磁感应强度不呈现趋势变化关系,且增殖抑制率均低于5%,μs脉冲磁场对SKOV3细胞的增殖抑制率不具有统计学意义(概率P0.05);肿瘤细胞的凋亡率与脉冲磁场的磁感应强度也不呈现趋势变化关系,且凋亡率均低于12%,脉冲磁场对SKOV3细胞的凋亡也不具有统计学意义(概率P0.05)。研究结果揭示:不同磁感应强度(1~200 m T)的μs脉冲磁场对卵巢癌细胞SKOV3无显著影响。     

细螺旋线圈的近场分析

为进一步了解细螺旋线圈在近场的磁场分布,本文首先分析了近场耦合的现状,研究了单螺旋线圈和多螺旋线圈的磁场分布,并在此基础上确定螺旋线圈中轴线上的磁场随线圈的半径先增加后减小;同时发现单螺旋线圈在中轴线上的最大磁场分布存在规律性,即中轴线上磁场在距离每增加0.005米,半径增加0.007米的情况下达到极值.文章结束部分用实验验证了此规律,与理论值符合良好.     

电容放电式脉冲磁场发生器

对用于稀土钴永磁饱和磁化的一种电容放电式脉冲磁场发生器进行了初步探讨。介绍了它的原理,给出了一个实验线路,叙述了元件的选择,确定了脉冲螺线圈的最佳匝数范围。本脉冲磁场发生器可在12×30mm~3空间产生宽度3毫秒,峰值100千奥斯特的磁场。     

单边核磁共振仪中射频线圈的优化

射频线圈是核磁共振系统中实施射频激励和接收核磁共振信号的核心结构,其性能直接决定了核磁共振信号的质量。针对单边核磁共振系统信噪比差的缺点,提出以空间均匀性和信噪比为优化参数的平面矩形螺旋线圈的优化方法。优化方法分为两步:1以射频磁场的均匀分布范围为优化目标,通过改变平面螺旋线圈的结构参数,运用毕奥-沙伐定律对RF线圈磁场进行计算,确定与目标区域匹配的线圈的基本结构。2以线圈的信噪比为优化目标,使用有限元仿真软件计算在步骤1中已确定的各种线圈的交流电阻,进而得到信噪比,从中选出信噪比最高的线圈。结果表明,最优的平面矩形螺旋线圈结构参数为:布线面积为17.2mm×17.2mm,线宽和线间距均为0.5mm,总匝数为10匝,均分在2mm厚电路板的双面,每个面上5匝;该射频线圈不仅能保证与主磁场B0均匀区域相匹配的激励区域,而且从信噪比测量实验可知,该线圈在目标区域内具有最好的信噪比。     

微毫秒脉冲电场致细胞DNA转染的仿真研究

为研究微毫秒脉冲电场对细胞摄取DNA的影响规律,基于孔密度、孔径及DNA迁移方程,建立脉冲电场作用下球形细胞DNA转染的数学模型,仿真计算典型脉冲参数作用下胞内DNA浓度的变化特性.仿真结果表明:在单个脉宽100μs、电场强度1kV/cm的脉冲作用下,胞内DNA浓度由0增至7.8×10?8mol/m3;而在单个脉宽1ms、电场强度0.5kV/cm的脉冲作用下,胞内DNA浓度增至1.1×10?8mol/m3.同时研究上述两种脉冲组成的双脉冲作用下,其时间间隔(0～1s)以及施加顺序对细胞摄取DNA的影响,结果显示,先施加100μs后再施加1ms脉冲时,不同时间间隔下胞内DNA浓度均为3.45×10?7mol/m3;而当改变脉冲施加顺序且脉冲时间间隔小于10ms时DNA浓度为8.9×10?8mol/m3,当间隔增至1s时,DNA浓度增至1.68×10?7mol/m3.此外,仿真结果显示,特定条件下DNA摄取浓度与脉冲幅值正相关.仿真结果为脉冲致细胞DNA转染的应用提供了脉冲参数优选指导.     

锥形线圈无线电能传输特性优化

锥形线圈具有平面螺旋线圈与柱形螺旋线圈的综合特性,可用于无线电能传输系统中的磁耦合机构。本文首先基于电路理论建立模型,推导出磁耦合机构参数与系统输出参数的关系;然后利用Maxwell软件,从磁感应强度与互感的角度分析与比较传统平面螺旋线圈与圆柱螺旋线圈,提出匝间距不同的两种锥形线圈,两种线圈分别使用铁氧体板及铁氧体条;最后搭建无线电能传输系统实验样机。实验与仿真结果表明,与柱形螺旋线圈相比,锥形线圈结构作为发射线圈时,接收线圈在偏移距离为0～75mm内可获得最高达85.5%的电能传输效率,最高提升4.9%;偏移距离为0～50mm内输出功率也较高,最高达264W,提升15.3%。     

神经系统感应式电刺激方法的研究

植入式电刺激器由于体积较大给患者活动带来诸多不便,而磁刺激由于磁场衰减快使其很难应用于深部神经刺激.本文提出了一种感应式电刺激的方法,将一个很小的感应线圈埋入皮下,线圈两端接有与神经相接触的电极.刺激时,在体外放置一个与感应线圈同轴的激励线圈,激励线圈在脉冲电流的作用下产生脉冲磁场,使感应线圈中产生感应电动势并在两电极之间的神经上形成电场,从而使神经兴奋.本文通过理论推导,有限元软件仿真和实验的方法对比了采用感应式电刺激和直接磁刺激两种方法时作用在神经上的电场强度大小,结果均表明在增加感应线圈后受刺激神经上的电场强度明显提高.     

高强度皮秒脉冲电场抑制HUVEC迁移、增殖及小管形成的实验研究

目前,国内外关于皮秒脉冲电场(picosecond pulsed electric field,ps PEF)治疗肿瘤的研究多集中于ps PEF对肿瘤的杀伤效应,对肿瘤所赖以生存的血管生成的研究鲜有提及。为此,采用脉冲宽度为800 ps,重复频率为3 Hz,脉冲个数为2 000,电场强度分别为20 MV/m、30 MV/m,40 MV/m的皮秒脉冲电场处理人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVEC),利用划痕实验、Transwell小室法、cell counting kit-8(CCK-8)法及体外小管形成实验,初步探究了ps PEF对血管生成的影响。实验结果表明:ps PEF可以有效降低HUVEC的迁移率和增殖率,且存在明显的剂量依赖关系,细胞迁移抑制率、细胞增殖抑制率均随ps PEF的增强而逐渐增大,其中细胞增殖抑制率在脉冲处理12 h后达峰值,细胞迁移和增殖抑制率最大可达73.68%,95.54%(40 MV/m);ps PEF可抑制HUVEC小管的形成,ps PEF场强越大,脉冲处理后小管形成抑制率越高,最高可达95.83%(40MV/m)。实验结果初步验证了高强度ps PEF对血管生成的抑制效果。     

多级电磁感应线圈炮的级间耦合特性

多级电磁感应线圈炮在发射过程中,前面各级驱动线圈放电产生的磁场和电枢自身感应电流产生的磁场都会耦合进入下一级驱动线圈,对驱动线圈的加速性能产生影响。基于多级感应线圈炮等效电路模型,建立了带有续流二极管的多级感应线圈炮数学模型,得到了其推力方程和运动方程。基于电磁感应定律,分析了2种耦合因素作用时下一级驱动线圈中感应电动势和感应电流的变化。基于场路耦合,对多级感应线圈炮进行了仿真,得到了不同情况下的耦合特性。研究结果表明:多级线圈发射中存在耦合效应;根据耦合磁通的不同,后面各级驱动线圈上会产生正向或反向串联的电动势;正向串联电动势有利于线圈炮的加速。     

用于糖尿病并发症研究的极低频脉冲磁场设计与实现

糖尿病作为一种终身代谢性疾病,并发症高达一百多种。研究表明,脉冲磁场能促进胶原纤维沉积,改善胶原纤维排列和取向,有助于糖尿病伤口愈合,能有效地促进糖尿病患者的溃疡静脉愈合。为了进一步探索脉冲磁场在糖尿病治疗中的场强、脉冲宽度、频率和治疗时间,本文提出了一种脉冲磁场发生方案,应用此方案设计了基于STM32单片机控制的低频脉冲磁场发生装置,其可以输出0~100Hz连续可调,最大磁感应强度100m T的脉冲磁场。利用ANSYS软件进行仿真,确定并优化磁场产生线圈的结构与尺寸。用STM32单片机对磁场进行控制,设计出相应的硬件及其接口,实现了对磁感应强度的实时控制与检测。通过选择开关器件、设计线圈和续流回路等措施减少脉冲磁场宽度,通过对螺线管线圈结构的设计,减少线圈发热对生物实验的影响。试验表明,该装置操作简便,性能稳定可靠,已在糖尿病并发症治疗的研究中得到应用。     

高压交流输电线路电场生态效应研究

为研究高压交流输电线路电场生态效应问题,对其工频电场特性、生态效应及改善措施进行分析,并建立模型,对电场中人体感应电流、人体内部电场强度及人体离子移动幅度进行了计算。结果表明：高压交流输电线路产生的工频电场强度为4 kV/m时,通过人体脚部的总感应电流为60μA,人体内部电场强度为0.176×10^-3V/m,人体头部离子移动幅度为8.01×10^-12m。     

变电所的瞬态电磁环境分析

变电所的瞬态电磁环境威胁二次系统的安全运行。采用现场测试和数值计算的方法分析了开关操作时和雷电作用时产生的瞬态电磁场。开关操作时产生的瞬态电场的频率范围为小于15 MHz,持续时间为8μs,主频为DC～1 MHz,上升时间为0.5～1.5μs;瞬态磁场的频率范围为小于20 MHz,持续时间为8～10μs,主频为0.5～3 MHz,上升时间为0.25μs。建议的最大瞬态磁感应强度为400 A/m,电场强度为20 kV/m。雷击变电所的雷电瞬态磁场建议取1 000 A/m。国家推荐性标准GB/T17626.9-1998的要求无法满足变电所实际雷电电磁环境的要求,建议变电所电子设备电磁兼容测试的脉冲磁场抗扰度的要求取1 000 A/m,另外建议对变电所的电子设备的抗扰度试验要增加瞬态电场测试,其强度取20 kV/m。     

用于SF_6电器设备的现场试验装置

最近由瑞士lIaefely公司制造的用于SF_6电器设备现场试验的操作波电压发生器在法国首次被投入使用。该套试验装置采用高效率的振荡脉冲电压进行工作,其原理是:在一个标准的冲击电压发生器上,用感应线圈代替电阻接入回路产生250/2500μs的标准操作波电压。这样做     

基于时控方法的感应线圈发射器研究

基于电磁感应原理和仿真分析结果,设计和制作了感应线圈型电磁发射器模型。该模型利用控制电路放电时间的方法,克服了传统线圈发射器要在线圈内部加装传感器而使结构复杂的弊病。借助SIMPLORER和Maxwell仿真软件对发射器进行分析。根据仿真结果所设计的模型,在74V电压下,可把质量40g的铁磁材料弹丸加速到4．67m／s。并对模型实验结果和系统性能进行分析讨论。结果表明该发射器线圈内部磁场分布均匀,可较好地消除弹丸在线圈中抖动的现象,大大提高了系统的稳定性。     

基于矩形亥姆霍兹线圈的大均匀区改进型三维磁场发生器设计与特性

为了克服传统磁场发生器空间利用率低的缺陷,提出了改进的三维磁场发生器,具有结构紧凑、更大的均匀区。相比传统的亥姆霍兹线圈,每个维度引入了一双辅助线圈。要设计这紧凑场发生器,五个模型参数需要根据用户的要求对均匀性进行优化。最后,研发了一台磁场发生器,用于测试新型线圈的性能以验证其设计方法。实验结果表明,测试的磁场结果与设计值吻合得很好,最大的设计偏差仅为0.12%。更重要的是,产生相同体积的均匀区,这种磁场发生器的体积仅为传统亥姆霍兹线圈的1/13.6。     

ns脉冲电场诱导裸小鼠皮下人黑色素移植瘤凋亡

为研究ns脉冲电场对在体肿瘤的诱导凋亡效应,以接种人黑色素瘤细胞A375的BALB/c裸小鼠为对象,采用电场强度20kV/cm、脉冲宽度300ns的脉冲电场处理后,抑瘤效应宏观观察到肿瘤组织的生长受到显著抑制(P<0.01),透射电子显微镜观察到典型的凋亡细胞超微结构形态,免疫荧光染色法定性检测到caspase-3蛋白表达明显增强,用RT-PCR方法定量检测到caspase-3 mRNA表达明显增强(P<0.01)。实验结果证实了ns脉冲电场能有效抑制在体肿瘤组织生长,机制在于其通过活化肿瘤细胞caspase-3蛋白酶而诱导肿瘤细胞调亡,为ns脉冲电场治疗肿瘤提供了依据。