专利名称：一种全可调电磁场生物学效应加载装置以及电磁场加载方法
技术领域：
本发明涉及种全可调电磁场生物学效应加载装置以及电磁场加载方法，属于物理学和生物学交叉学科领域。
背景技术：
脉冲电磁场是一种高能非电离辐射，是由电流通过赫尔姆兹线圈所产生的具有脉冲间歇的磁场效应，其中低强度脉冲电磁场在医学领域的应用价值越来越受到广大科研工作者的重视。所谓低强度脉冲电磁场是指频率1 100HZ，强度低于IOOGs的低频、低强度调制磁场。以外的研究已经发现，电磁场对机体组织具有明显的生物学效应。电磁场在骨科领域使用最为广泛，研究证实特定设置下的电磁场可以促进骨折的愈合和骨质疏松的康复。研究证实，脉冲电磁场可以促进软骨组织代谢，刺激软骨细胞的增生和胞外基质的合成。体外实验证实脉冲电磁场可以改变软骨细胞的形态，延缓软骨细胞凋亡的发生。同时，脉冲电磁场可以通过促进内源性的TGF-β合成，有利于成软骨分化。在对贴壁培养的干细胞施加脉冲电磁场之后，可以促进小鼠胚胎干细胞向成骨细胞分化，而且脉冲电磁场和常规化学诱导剂联合应用会产生协同效应，其成骨诱导效果优于两者单独应用。在骨质疏松领域中，低频脉冲电磁场作用于骨组织，不产生热效应，而产生类似于流体机械塑形的作用，并通过不对称的宽幅脉冲影响许多异常的生物过程，进而改善骨骼、肌肉和其他系统的病理状态。实验研究已经证实，PEMFs可以提高卵巢切除大鼠的骨密度，改善松质骨骨小梁的显微结构，降低血清骨钙素。此外，脉冲电磁场还会对血液的凝血时间产生影响。研究发现，低强度脉冲电磁场可以明显延长盯和APTT，提高血液流动性。这使得电磁场的生物学效应的应用价值扩展到了心血管疾病的治疗领域。随着对电磁场研究的深入，越来越多的学者开始进入这一领域，但是由于电磁场的生物学效应受到电磁场本身属性的影响很大，电磁场加载时间、脉冲频率、占空比、载波频率、载波通电时间、载波断电时间以及电磁场加载间隔时间等都会影响其生物学效应。研究者多使用一些特定的预设值进行电磁场效应的研究，研究结果难以比较，结果一致性较差，难以形成对电磁场生物学效应的完整认识。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种全可调电磁场生物学效应加载装置以及电磁场加载方法，其特点是在体内、体外对实验对象在指定的条件下进行电磁场加载，对加载电磁场的电磁场加载时间、脉冲频率、占空比、载波频率、载波通电时间、载波断电时间，电磁场加载间隔时间以及磁场强度进行定量控制。它具有界面友好、性能稳定、 操作简单的优点。本发明所用的电磁场加载装置是全可控电磁场加载装置，用来全面研究和对比在生物安全范围内的电磁场生物学效应的不同。系统的工作原理是根据实验的设计和要求，在显示单元直视下，通过控制单元调节各项相关参数的设定。体外实验中，将培养板参考定位装置放置于下线圈骨架的定位装置上，以确保各受试体位于相同电磁场中加载，并将磁场机构置于培养孵箱内；在体内实验中，将磁场机构固定于受试部位。按下开始按钮，控制单元控制驱动单元使磁场机构产生预设的电磁场。发明的目的由以下技术措施实现该装置包括驱动电源、驱动单元、磁场机构、控制电源、控制单元和显示单元。驱动电源与驱动单元和磁场机构连接，驱动单元直接与磁场机构连接。控制电源与控制单元和显示单元连接，控制单元与驱动单元和显示单元连接。磁场机构的上线圈骨架和下线圈骨架可以围绕上下级电缆插座侧的活动关节旋转，在下线圈骨架的上部有定位装置。活动关节使得不仅可以实现体外电磁场加载，也可以实现动物体内实验所需的电磁场加载。定位装置可以协助在体外实验中精确计算加载区域的磁场强度和精确放置受试体。上下线圈骨架的中心部分采用镂空设计，有利于对小动物进行体内实验时直视下固定和加载。由控制电源为控制电路提供控制电路和显示单元直流电压。控制单元提供定时、 频率、延时启动、自动工作、显示等状态控制，并生产不同频率的控制脉冲。显示单元提供系统设置参数和工作状态的信息。驱动电源为驱动单元提供动力。驱动单元根据控制单元提供的信号为磁场机构生产相应的电流。磁场机构为生物和细胞提供磁场空间。全可调电磁场生物学效应加载装置的电磁场加载方法包括以下步骤(1)接通电源，根据实验需要调试各相关电磁场参数。(2)将体外受试细胞、组织连同培养皿放置在下线圈骨架的定位装置的恰当位置； 或者将磁场机构(3)固定在体内研究动物的研究部位。(3)按下开始按钮，通过控制电路精细调控驱动电路，控制磁场单元产生所需要的电磁场，达到实验要求。软件设计是数字调控的核心，使用C语言编写的中央处理器控制电磁场加载，利用VB语言编写的计算机程序理论上计算空间磁场强度，其功能如下电磁场加载时间通过按键设置利用中央处理器计算实现电磁场加载的通断。脉冲频率通过按键设置利用中央处理器计算实现脉冲频率的改变。占空比通过按键设置利用中央处理器计算实现对占空比的调节。载波频率通过按键设置利用中央处理器计算实现载波频率变化。电磁场加载间隔时间通过按键设置利用中央处理器计算实现加减。磁场强度通过调节预设旋钮调节电压实现增减。本发明具有如下优点1.本装置将系统分成两个部分，互相以导线连接，做到远程操作，能够在不影响整个培养系统连续性的前提下，对实验进行适时调控。2.采用中央处理器来控制加载的电磁场加载时间、脉冲频率、占空比、载波频率、 载波通电时间、载波断电时间，电磁场加载间隔时间以及磁场强度。3.友好控制面板也使得操作简便；能够准确地控制各项电磁场参数，实验过程可根据需要设定。4.定位装置有利于精确的定位受试体，可以精确测量计算受试体所处的电磁场环境。
图1为磁场机构立面图。1上线圈骨架，2上部线圈，3中间支柱，4定位槽，5下部线圈，6下线圈骨架图2为主机外观图。1运行指示灯，2电源指示灯，3状态指示灯，4电压/频率/ 占空比指示，5时间指示，6磁场调节旋钮，7电源开关，8启/停键，9减少键，10增加键，11 确认键，12设置键。 图3为磁场机构顶视4为驱动单元主要电气原理图。m为整个驱动单元提供动力；VTl接受控制单元控制，为磁场机构提供各种预设磁场；HLl模拟显示各类磁场。图5为控制单元主要电气原理图。Dl采集各设置开关、磁场机构及驱动单元的信息，控制驱动单元达到磁场机构所需要的磁场强度；Sl S5为设置开关，进行设置各类参数设置；LEDl LED7为显示器，为使用者提供各种工作状态；HLl为工作状态指示，HL2为电源指示。图6原理方框图，工作原理为由控制电源为控制电路提供控制电路和显示单元直流电压。控制单元提供定时、频率、延时启动、自动工作、显示等状态控制，并生产不同频率的控制脉冲。显示单元提供系统设置参数和工作状态的信息。驱动电源为驱动单元提供动力。驱动单元根据控制单元提供的信号为磁场机构生产相应的电流。磁场机构为生物和细胞提供磁场空间。图7为体外实验研究电磁场对成软骨分化的作用。图8为体外电磁场对骨髓基质干细胞成软骨分化的作用效果。A比较PEMF and TGF-β对间充质干细胞collagen type II alpha 1基因表达的影响，B比较PEMF and TGF-β对间充质干细胞aggrecan基因表达的影响，C比较PEMF and TGF-β对间充质干细胞S0X9基因表达的影响。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。实施例全可调电磁场生物学效应加载装置包括驱动电源、驱动单元、磁场机构、控制电源、控制单元和显示单元。驱动电源与驱动单元和磁场机构连接，驱动单元直接与磁场机构连接。控制电源与控制单元和显示单元连接，控制单元与驱动单元和显示单元连接。磁场机构的上线圈骨架和下线圈骨架可以围绕上下级电缆插座侧的活动关节旋转，在下线圈骨架的上部有定位装置。活动关节使得不仅可以实现体外电磁场加载，也可以实现动物体内实验所需的电磁场加载。定位装置可以协助在体外实验中精确计算加载区域的磁场强度和精确放置受试体。上下线圈骨架的中心部分采用镂空设计，有利于对小动物进行体内实验时直视下固定和加载。由控制电源为控制电路提供控制电路和显示单元直流电压。控制单元提供定时、 频率、延时启动、自动工作、显示等状态控制，并生产不同频率的控制脉冲。显示单元提供系统设置参数和工作状态的信息。驱动电源为驱动单元提供动力。驱动单元根据控制单元提供的信号为磁场机构生产相应的电流。磁场机构为生物和细胞提供磁场空间。全可调电磁场生物学效应加载装置的电磁场加载方法包括以下步骤(1)接通电源，根据实验需要调试各相关电磁场参数。(2)将体外受试细胞、组织连同培养皿放置在下线圈骨架的定位装置的恰当位置； 或者将磁场机构(3)固定在体内研究动物的研究部位。(3)按下开始按钮，通过控制电路精细调控驱动电路，控制磁场单元产生所需要的电磁场，达到实验要求。软件设计是数字调控的核心，使用C语言编写的中央处理器控制电磁场加载，利用VB语言编写的计算机程序理论上计算空间磁场强度，其功能如下电磁场加载时间通过按键设置利用中央处理器计算实现电磁场加载的通断。脉冲频率通过按键设置利用中央处理器计算实现脉冲频率的改变。占空比通过按键设置利用中央处理器计算实现对占空比的调节。载波频率通过按键设置利用中央处理器计算实现载波频率变化。电磁场加载间隔时间通过按键设置利用中央处理器计算实现加减。磁场强度通过调节预设旋钮调节电压实现增减。全可调电磁场生物学效应加载装置的电磁场加载方法包括以下步骤(1)接通电源，根据实验需要调试各相关电磁场参数。(2)将体外受试细胞、组织连同培养皿放置在下线圈骨架的定位装置的恰当位置； 或者将磁场机构(3)固定在体内研究动物的研究部位。(3)按下开始按钮，通过控制电路精细调控驱动电路，控制磁场单元产生所需要的电磁场，达到实验要求。以下为本加载装置在骨髓间充质干细胞(MSCs)成软骨分化早期阶段对成软骨分化相关因子基因表达的影响。1.实验细胞生长良好的第三代2-3周龄雄性大鼠骨髓间充质干细胞2.放置磁场机构细胞孵箱条件温度37摄氏度气体环境5% C02和95%空气混合气体湿度饱和湿度3.电磁场加载数据设置加载时间2小时脉冲频率315Hz占空比1 11载波频率15Hz
载波通电时间5.5ms载波断电时间61. 5ms电磁场加载间隔时间22小时最大磁场强度1. 365 X 10_3特斯拉。3.实验流程收集第三代骨髓间充质干细胞，按照8XlO6Ail的密度将干细胞均勻悬浮在1. 2% 的海藻酸盐中，制成海藻酸盐颗粒。在常规无血清成软骨培养基中培养。对实验组施加预设好的脉冲电磁场，在同样培养条件下不施加电磁场干预的作为对照组。4.实验结果示例A.实验分组空白对照组相同培养基，在同样培养条件下培养；阳性对照组在基础培养基中加入lOng/ml的TGF-β诱导成软骨分化；实验组在基础培养基培养下，施加预设好的脉冲电磁场，诱导成软骨分化。B.在电磁场作用下，三位培养的骨髓间充质干细胞分化情况阳性对照组中，成软骨分化相关的因子collagen type II alpha 1，aggrecan以及S0X9基因都发生了升高，骨髓基质干细胞出现成软骨分化。脉冲电磁场作用下的骨髓间充质干细胞相较空白对照组也发生了明显的成软骨分化的变化，但是其变化趋势比生长因子TGF-β作用下要小。本实验研究证实，在特定的脉冲电磁场作用下，可以促进三维培养状态下的骨髓基质干细胞发生成软骨分化。
权利要求
1.一种全可调电磁场生物学效应加载装置，其特征在于该装置包括驱动电源(1)、驱动单元O)、磁场机构(3)、控制电源0)、控制单元( 和显示单元(6)；驱动电源(1)与驱动单元( 和磁场机构( 连接，驱动单元( 直接与磁场机构( 连接；控制电源(4)与控制单元( 和显示单元(6)连接，控制单元(5)与驱动单元( 和显示单元(6)连接。
2.如权利要求1所述全可调电磁场生物学效应加载装置，其特征在于通过控制电源 (4)为控制单元( 和显示单元(6)供电，在不同的调整状态下，可以对目前已知的可能影响电磁场生物学效应的电磁场相关属性，在确保电磁场生物安全性的前提下，在监视下直接设定或调整，包括电磁场加载时间、脉冲频率、占空比、载波频率、载波通电时间、载波断电时间以及电磁场加载间隔时间。
3.如权利要求1所述全可调电磁场生物学效应加载装置，其特征在于控制电路主要由中央处理器D1、发光二极管HL1、HL2、按键开关Sl S5，数码管LEDl LED7等；HLl为工作状态指示，HL2为电源指示；通过调节设置开关Sl S5，进行各类参数的设置。通过显示器LEDl LED7，可以直观的了解加载装置大的各种工作状态；Dl采集各设置开关、磁场机构(3)及驱动单元O)的信息，控制驱动单元(2)达到磁场机构(3)所需要的磁场强度。
4.如权利1所述全可调电磁场生物学效应加载装置，其特征在于驱动电路(电路图) 主要由驱动控制管附、控制管VT1、发光二极管HLI组成；m为整个驱动单元( 提供动力； VTl接受控制单元( 控制，为磁场机构( 提供各种预设磁场；HLl模拟显示各类磁场。
5.如权利1所述全可调电磁场生物学效应加载装置，其特征在于磁场机构(3)上线圈骨架和下线圈骨架可以围绕上下级电缆插座侧的活动关节旋转，在下线圈骨架的上部有定位装置；不仅可以实现体外电磁场加载，也可以实现动物体内实验所需的电磁场加载；定位装置可以协助在体外实验中精确计算加载区域的磁场强度。
6.如权利要求1-5所述全可调电磁场生物学效应加载装置的加载方法，其特征在于(1)接通电源，根据实验需要调试各相关电磁场参数。(2)将体外受试细胞、组织连同培养皿放置在下线圈骨架的定位装置的恰当位置；或者将磁场机构(3)固定在体内研究动物的研究部位。(3)按下开始按钮，通过控制电路精细调控驱动电路，控制磁场单元产生所需要的电磁场，达到实验要求。
全文摘要
本发明公开了一种全可调电磁场生物学效应加载装置及其体内、体外电磁场加载方法其特点是该装置包括驱动电源(1)、驱动单元(2)、磁场机构(3)、控制电源(4)、控制单元(5)和显示单元(6)，驱动电源(1)与驱动单元(2)和磁场机构(3)连接；驱动单元(2)直接与磁场机构(3)连接；控制电源(4)与控制单元(5)和显示单元(6)连接；控制单元(5)与驱动单元(2)和显示单元(6)连接。
文档编号A61N5/00GK102533545SQ20101061781
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者唐娜, 唐海, 曾军, 李娟 , 谭理军, 赵志河 申请人:四川大学, 成都幂瑞科技有限公司