調(diào)幅射頻電磁場人體輻照實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

藍茂英+蔡林波+鄧官華+段松+熊威+李曉東+辛學剛

摘 要： 設(shè)計可用于調(diào)幅射頻電磁場生物效應(yīng)研究的人體輻照平臺，分別從硬件系統(tǒng)部分和軟件系統(tǒng)部分兩方面進行介紹。硬件系統(tǒng)由射頻信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊以及發(fā)射天線構(gòu)成，其接收到由軟件系統(tǒng)發(fā)出的載波、調(diào)制頻率、調(diào)制深度以及功率參數(shù)指令后，進而實時產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)幅射頻電磁場。實際測量結(jié)果表明，設(shè)計的調(diào)幅射頻電磁場人體輻照實驗系統(tǒng)具有良好的性能參數(shù)，該系統(tǒng)為人體調(diào)幅射頻電磁場生物效應(yīng)研究提供一個使用方便、參數(shù)可控的電磁輻照平臺。

關(guān)鍵詞： 調(diào)幅射頻電磁場； 生物效應(yīng)； 電磁輻照系統(tǒng)； 電磁仿真； FDTD； 匹配電路

中圖分類號： TN761.2?34； R318 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0104?05

Abstract： A human body irradiation experimental system used for studying biological effects of amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field was designed. The system are introduced in the aspects of hardware system and software system respectively. The hardware system which is composed of radiofrequency signal generating module， power amplification module， impedance matching module and transmitting antenna receives parameter instructions of carrier wave， modulation frequency， modulation depth and power issued by the software system， and then generates the corresponding amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field in real time. The actual measurement results show that the designed human body irradiation experimental system for amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field has good performance parameters， and can provide an easy?to?use and parameter?controllable electromagnetic irradiation platform for biological effect research on human body amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field.

Keywords： amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field； biological effect； electromagnetic irradiation system； electromagnetic simulation； FDTD； matching circuit

電磁場與生物體相互作用時，會產(chǎn)生電磁生物效應(yīng)，包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)[1]。近年來，電磁場的生物效應(yīng)及治療作用愈加受到人們關(guān)注，成為了國際電磁學屆研究的熱點，包括低頻磁場[2]、腫瘤治療場[3]、毫米波[4]、調(diào)幅射頻電磁場[5?7]等，已運用于腫瘤和增生性疾病的治療研究。Costa和Pasche等給癌癥患者口含的勺狀天線施加特定頻率調(diào)制的調(diào)幅射頻電磁場[5?6]，發(fā)現(xiàn)可以對患者產(chǎn)生一定的治療作用，有望成為一種新的腫瘤治療方法，但其具體作用機制還不清楚，需要更加深入的研究。

輻照設(shè)備系統(tǒng)是開展電磁場生物效應(yīng)研究的基礎(chǔ)。目前，電磁場生物效應(yīng)研究的輻照設(shè)備按照生物實驗可分為在體照射和離體照射系統(tǒng)[8?10]，主要有橫電磁室、波導、喇叭天線和共振腔等輻照設(shè)備。其中大部分輻照設(shè)備主要用于細胞和動物的輻照研究，用于人體研究的較少，國內(nèi)目前尚無相關(guān)文獻報道調(diào)幅射頻電磁場人體輻照實驗系統(tǒng)。因此，研究一種參數(shù)可控的用于人體輻照的調(diào)幅射頻電磁場實驗系統(tǒng)，對于開展調(diào)幅射頻電磁場生物效應(yīng)研究具有重要意義。

針對上述問題，本文設(shè)計針對調(diào)幅射頻電磁場生物效應(yīng)研究的人體電磁輻照平臺。配合軟件部分和硬件部分，即可實時產(chǎn)生所需參數(shù)的調(diào)幅射頻電磁場，實現(xiàn)對發(fā)射參數(shù)的控制。通過示波器觀察波形，功率計監(jiān)控功率大小，網(wǎng)絡(luò)分析儀查看阻抗匹配程度。該系統(tǒng)為人體調(diào)幅射頻電磁場生物效應(yīng)研究提供了一個使用方便、參數(shù)可控的電磁輻照平臺。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)備系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分兩大部分組成，如圖1所示。其中硬件部分包括射頻信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊和發(fā)射天線，用于產(chǎn)生放大和發(fā)射所需的調(diào)幅射頻信號。軟件部分的功能是通過計算機完成對系統(tǒng)的控制、參數(shù)調(diào)節(jié)和實驗數(shù)據(jù)記錄處理。上位機軟件發(fā)出載波、調(diào)制頻率、調(diào)制深度和功率等參數(shù)指令給硬件系統(tǒng)，產(chǎn)生調(diào)幅射頻信號，經(jīng)過功率放大模塊和阻抗匹配后，經(jīng)發(fā)射天線刺激到人體，上位機軟件記錄輻照后的人體參數(shù)。endprint

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 調(diào)幅射頻信號發(fā)生模塊

本設(shè)備系統(tǒng)發(fā)射的電磁場為調(diào)幅電磁場。調(diào)幅是用低頻信號去控制載波的幅度，使已調(diào)波的幅度隨調(diào)制信號的大小線性變化，而保持載波的角頻率不變。

為了實現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)所需要的射頻調(diào)幅信號，采用Agilent N5182A射頻矢量信號發(fā)生器，它具有數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制功能，幅度調(diào)制時，AM深度類型為線性或指數(shù)，調(diào)制深度最大為100%，分辨率為調(diào)制深度[11]的0.1%。幅度調(diào)制可以選擇內(nèi)置模擬調(diào)制源或者外部信號調(diào)制源。內(nèi)置模擬調(diào)制源頻率范圍從0.1 Hz～

3 MHz可調(diào)，分辨率為0.1 Hz。PC機通過通用接口總線（GPIB）接口卡和射頻信號發(fā)生器連接，以實現(xiàn)設(shè)備和計算機的連接，然后利用Matlab儀器控制工具箱控制信號源，使信號源產(chǎn)生所需的調(diào)幅波形，實現(xiàn)調(diào)制序列信號實時產(chǎn)生。

2.2 功率放大模塊

高頻功率放大器按工作狀態(tài)分為線性放大和非線性放大兩種。由于非線性放大的非線性作用，導致輸出會產(chǎn)生新的頻率分量，使被放大的信號頻譜發(fā)生變化，頻帶展寬。傳統(tǒng)的調(diào)幅模擬發(fā)射系統(tǒng)，要求線性功放，故本系統(tǒng)所使用的功放為A類線性放大器。功率放大模塊輸入/輸出阻抗均為50 Ω，接口為SMA射頻接頭，工作電壓為12 V，工作電流約為140 mA。圖2為不同信號源輸出功率經(jīng)過放大模塊放大后測得的功率，從圖2可以看出，本模塊具有較寬的線性功率輸出范圍，在輸入信號功率范圍從-30～5 dBm時，線性增益均約為19.6 dB。

2.3 阻抗匹配模塊

為了達到最大功率傳輸，功率放大模塊和負載之間需要進行阻抗匹配。阻抗匹配的優(yōu)劣可以通過駐波比衡量（Standing Wave Ratio，SWR）：

[SWR=（1+Г）（1-Г）] （1）

式中，[Г]為反射系數(shù)，其值為：

[Г=Zb-ZaZb+Za] （2）

式中：[Za]為負載阻抗；[Zb]傳輸線特性阻抗。駐波比越接近1，說明匹配效果越好。

在實際測量中，利用安捷倫4395A網(wǎng)絡(luò)分析儀進行負載阻抗和駐波比測量。首先，進行網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準，分別接上開路、短路和標準負載校準件進行校準。測試時，把1.5 m同軸線、發(fā)射天線和人體的阻抗看成一個整體，通過多次測量，取平均值，得出總復合阻抗，測出的阻抗結(jié)果顯示在史密斯圓圖上。由于功率放大模塊輸出阻抗為50 Ω，阻抗匹配需要把復合阻抗匹配到50 Ω。通過選擇合適的兩個電抗元件就可以完成匹配，常使用二元件匹配電路即L形匹配電路[12]把阻抗匹配到史密斯圓圖的任意一點上。選擇合適的電路和電容電感元件，通過觀察史密斯圓圖，不斷調(diào)試，即可完成阻抗匹配。本文采用漆包線自制電感、貼片電容和可調(diào)電容完成匹配電路模塊，如圖3所示。為了和前后端方便連接，匹配電路模塊輸入端采用SMA公頭接口，匹配電路輸出端采用SMA母頭接口。圖4a）顯示了某位志愿者的復合阻抗，為7.263 9-j17.458 Ω，經(jīng)過匹配后的駐波比如圖4b）所示，在載波頻率為27.12 MHz時，駐波比達到了1.163，符合設(shè)計要求。

2.4 功率和波形監(jiān)控模塊

為了確保功率放大模塊輸出的功率是正確的，采用Agilent N1913A功率計和E9301B功率傳感器測量功率放大模塊的輸出功率。首先，把30 dB固定衰減器和功率傳感器連接好，進行功率計的校準和歸零，然后接入功率放大模塊進行測試，即可進行功率監(jiān)控。為了觀察調(diào)幅射頻信號經(jīng)過功率放大后的波形，采用Agilent DSO7104B示波器，因為功率放大模塊輸出阻抗為50 Ω，所以把示波器的匹配阻抗設(shè)置為50 Ω進行測試，圖5是載波頻率為27.12 MHz，調(diào)制頻率為1 kHz，調(diào)制深度為85%時的調(diào)幅射頻信號。從圖5可以看出，經(jīng)過放大后，調(diào)幅射頻信號波形仍比較完好，說明功率放大模塊線性度比較好。

2.5 發(fā)射天線

為了方便使用和連接前一級模塊，發(fā)射天線采用SMA公頭射頻接口，如圖6所示。發(fā)射天線采用不銹鋼勺子制成，材料對人體無害，耐用性好且容易清洗消毒，并且可以防止發(fā)生霉變或滋生細菌。

3 軟件部分

軟件部分的功能是通過計算機完成對系統(tǒng)的控制、參數(shù)調(diào)節(jié)和實驗數(shù)據(jù)記錄處理。本設(shè)備系統(tǒng)軟件主要分為兩個功能模塊：信號輸出控制模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊。軟件設(shè)計流程如圖7所示。

啟動程序，通過儀器控制工具箱可以實現(xiàn)PC機與設(shè)備間的通信，然后進行儀器初始化，設(shè)置好所需的調(diào)幅射頻電磁場參數(shù)如載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制深度和功率大小等。初始化和參數(shù)設(shè)置完畢后開始輸出波形，輸出波形時軟件自動記錄時間點和對應(yīng)的調(diào)制頻率。完成波形輸出后進行數(shù)據(jù)分析處理和存儲，程序結(jié)束。

4 電磁仿真

生物電磁學研究中通常采用比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）作為劑量學量。目前，常采用數(shù)值計算方法得到SAR值。為了得到實驗系統(tǒng)發(fā)射的電磁場在人體的SAR值分布，本文采用基于時域有限差分算法（Finite Difference Time Domain， FDTD）的商用軟件SEMCAD X（www.speag.com， version 14.6）來計算SAR值。在實際計算過程中，空間中位置r處的SAR（r）可通過式（3）計算得出：

[SAR（r）=12?σ（r）ρ（r）E2（r）] （3）

式中：[σ（r）]和[ρ（r）]分別是空間位置r處的電容率和電導率；[E（r）]為電場。

根據(jù)實際使用的勺狀天線尺寸大小，利用電磁仿真軟件SEMCAD建立天線模型，如圖8所示。人體模型采用DUKE模型，在三維人體模型的基礎(chǔ)上，給人體模型的組織賦予相應(yīng)的電導率、介電常數(shù)和密度值[13]，可以得到用于電磁仿真計算的模型，表1給出了27.12 MHz時各主要器官的電導率、相對介電常數(shù)和密度值。endprint

完成天線模型建立和人體模型導入后，設(shè)置好電磁參數(shù)，在進行電磁計算時將人體模型和勺狀發(fā)射天線構(gòu)成的整體作為計算域，數(shù)值計算區(qū)域的邊界吸收條件設(shè)置為完全匹配層，層數(shù)[14]設(shè)置為8。在網(wǎng)格化過程中，將模型分割為250×249×249共15 500 250個元胞，仿真頻率為27.12 MHz，仿真時間為30個仿真周期。進行仿真計算，得到SAR值分布。仿真結(jié)果顯示，全身平均SAR值為1.127 05 mW/kg，遠低于國際安全標準[15]。SAR值最大為3.67 mW/g，最大SAR值位置坐標為x=0.000 481，y=0.261 707，z=0.763 5（單位：m），位置在發(fā)射天線與舌頭接觸的地方。圖9顯示了在27.12 MHz時不同截面的DUKE人體模型表面的SAR值分布，SAR值采用dB值顯示，其中圖9a）為yz平面的SAR值，x=0.051 7；圖9b）為xz平面的SAR值，y=0.103；圖9c）為xy平面的SAR值，z=0.738；圖9d）為xy平面的SAR值，z=0.532。通過電磁仿真實驗，得到了系統(tǒng)發(fā)射的電磁場在人體的SAR值分布。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計一種可用于調(diào)幅射頻電磁場生物效應(yīng)研究的人體輻照平臺，分別從硬件和軟件系統(tǒng)進行了詳細介紹，并對設(shè)計的設(shè)備系統(tǒng)進行了測試，通過電磁仿真得出人體SAR值分布。實驗結(jié)果表明本設(shè)備系統(tǒng)具有良好的性能參數(shù)，通過軟件系統(tǒng)可調(diào)節(jié)調(diào)幅信號的載波、調(diào)制頻率、調(diào)制深度和功率大小，可以實時改變調(diào)幅射頻電磁場參數(shù)，為促進調(diào)幅射頻電磁場生物效應(yīng)的基礎(chǔ)研究提供一種操作方便、參數(shù)可控的輻照系統(tǒng)平臺。

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