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用于细胞活性研究的高重频脉冲磁场装置

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admin 发表于 2024-12-14 02:30 | 查看全部 阅读模式

文档名:用于细胞活性研究的高重频脉冲磁场装置
摘要:一定时间的脉冲磁场序列可刺激某些类型的细胞和组织产生有益的生物效应.由于磁体本质上是一个大感性负载,难以同时实现磁体电流的高di/dt和高精度调节.为此,该文提出一种两级联合调控拓扑,前级电路为同步降压电路,用于实现di/dt随磁场期望值同步调节,后级电路是桥式电路,用于实现脉冲磁场波形周期、振幅、稳定度、刺激间隔等参数的控制,为了实现电流从快速上升到稳定值的平滑过渡,引入一种由滞环控制器和PI控制器组成的混合型控制器.在此基础上,研制了频率范围为1Hz~5kHz、脉冲边沿小于50μs、可调精度为0.1mT、峰值强度高达10mT的便携式高频脉冲磁场发生装置样机,并应用于脉冲磁场对高龄小鼠的体外成熟卵母细胞受精和胚胎发育能力影响的研究.在脉冲磁场作用下囊胚形成率从15.15%提高至52.94%,表明脉冲磁场显著促进了高龄小鼠体外成熟卵母细胞的发育能力.

Abstract:Cellresponsestomagneticfieldsobeyanelectromagneticefficacywindowdefinedbyaspecificcombinationoffrequency,amplitudeandtimeofexposure.Previousstudiessuggestthatthespecificpulsedmagneticfieldsequenceshavethepotentialtomodulatetheregulationofcertaintypesofcellsandtissues.Basedontheneedsofcellresearch,itisnecessarytodevelopaprogrammablepulsedmagneticfieldgeneratorwithapeakmagneticfieldintensityupto10mT,ahighstability,awiderangeoffrequency,asteeppulseedgeandaconfigurableInter-StimulusInterval.However,themagnetisalargeinductiveload,themagnetvoltageintherisingedgeofthepulseneedstobetensoftimeshigherthanthatintheflattopstage,whichmakesitchallengetoadjustthemagnetcurrentwithbothhighrepetitivefrequencyandhighprecision.Inthispaper,ahighrepetitivefrequencypulsedmagneticfieldgeneratortosolvetheabovecontradictionwasdeveloped.Firstly,thestructureofthemagnetwasdesignedasadouble-layerhelicalcoil,andtheunevennessofthecellcultureareaatthecenterwas2.4%.Theratioofmagneticfieldtothecurrentinthemagnetwas2mT/A,andtherequirementsofthepowersupplywerepresentedbasedonthemagnetparameters.Secondly,atwo-stagejointtopologyconsistingofasynchronousBuckcircuitandabridgecircuitwasproposed.Theworkingprincipleofthetopologywasexplainedandthecalculationformulasfortheparametersofthemaincomponentswerederived.Lastly,inordertoachievethesmoothtransitionofthecurrentfromtherapidrisetothestablevalue,thesmall-signalanalysisofthepowersupplysystemwasperformedtoobtainthetransferfunctionofthedutycycleandtheoutputcurrent.Usingtheresults,thispaperconfiguredahybridcontrollerutilizingthetime-optimaldynamicresponseofthehysteresiscontrollerandthestrongsteady-statetrackingcapabilityofthePIcontroller.Thefeasibilityoftheschemewasverifiedbysimulations.Basedonthese,aportablehighrepetitivefrequencypulsedmagneticfieldgeneratorwithafrequencyrangeof1Hz~5kHz,pulseedgelessthan50μs,adjustableprecisionof0.1mT,andpeakintensityupto10mTwasfabricated.Auser-friendlyHuman-MachineInterfacewasdevelopedtofacilitatetheeffortlessrecordingofexperimentaldataandmonitoringofdevicestatus.Theratioofmagneticfieldtothecurrentwasmeasuredintheexperiments,andtheerrorwaslessthan0.15%comparedtothetheoreticalvalues.Thispapertestedthemagneticfieldwaveformsfordifferenttargetvalues,demonstratingtheflexibilityandthestabilityofthedevice.Tomitigatetheimpactofparasiticcapacitanceonthemagnetathighfrequencies,theparasiticcapacitancevaluewascalculatedfollowedbythedesignofacontinuouscurrentcircuittosuppresstheoscillationofthemagnetvoltage.Finally,biologicalexperimentswerecarriedouttoobservetheeffectofthemagneticfieldonthefertilizationabilityandembryodevelopmentabilityofoocytesfromagedmice.Exposedtothe1mTpulsedmagneticfieldsequencefor10minutes,theblastocystdevelopmentalrateincreasedfrom15.15%to52.94%.Theseresultsindicatethatthepulsedmagneticfieldsignificantlyenhancesthedevelopmentalabilityofoocytesinelderlymice.

作者:樊俊显   张绍哲   李可欣   相文佩   韩小涛 Author:FanJunxian   ZhangShaozhe   LiKexin   XiangWenpei   HanXiaotao
作者单位:华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心武汉430074;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)武汉430074华中科技大学同济医学院生殖健康研究所武汉430074
刊名:电工技术学报 ISTICEIPKU
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(13)
分类号:TM46Q28
关键词:重频脉冲磁场  细胞活性  磁场发生装置  混合型控制器  
Keywords:Repetitivepulsedmagneticfield  cellactivity  magneticfieldgenerator  hybridcontroller  
机标分类号:R3R735.7TN248
在线出版日期:2024年7月22日
基金项目:国家自然科学基金,国家自然科学基金用于细胞活性研究的高重频脉冲磁场装置[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(13)樊俊显  张绍哲  李可欣  相文佩  韩小涛一定时间的脉冲磁场序列可刺激某些类型的细胞和组织产生有益的生物效应.由于磁体本质上是一个大感性负载,难以同时实现磁体电流的高di/dt和高精度调节.为此,该文提出一种两级联合调控拓扑,前级电路为同步降压电路,用于...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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