生物電磁輻射實驗裝置的設(shè)計

楊思凡, 龐小峰*，李斌

（電子科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610054）

引言

當(dāng)前國內(nèi)外生物電磁效應(yīng)的研究主要集中在兩個方面：流行病學(xué)調(diào)查和細(xì)胞實驗研究。其中流行病學(xué)研究處于整體和器官的水平上，它基于統(tǒng)計學(xué)原理，利用大樣本數(shù)的統(tǒng)計來排除個體差異，雖然有一定的局限性，但是卻可以給后來的研究指出大概思路，為細(xì)胞實驗指明方向。而細(xì)胞實驗則可以在細(xì)胞水平上較為精確地研究細(xì)胞生理變化，提供精確的數(shù)據(jù)供研究人員分析，從而得出更加精確的結(jié)論。然而目前的研究手法、對象以及研究條件各不相同，有很多的研究結(jié)果并不完全一致，有較多的不確定因素在里面。本文的研究意義在于建立一個較規(guī)范、較合理的電磁輻射實驗裝置以滿足從生物體組織電磁參數(shù)測量角度研究電磁場的生物效應(yīng)[1,2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的設(shè)計主要包括以下幾個部分，硬件部分主要工作是構(gòu)建空間電磁輻射環(huán)境。軟件部分的功能是在計算機(jī)上完成對系統(tǒng)的控制、參數(shù)調(diào)節(jié)和實驗數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1所示：

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 硬件部分

其中硬件部分為電磁輻射環(huán)境發(fā)生裝置，作用是產(chǎn)生需要強(qiáng)度的電場、磁場環(huán)境。劃分含有三個主要模塊：一是電場和磁場照射裝置模塊，二是電磁檢測子系統(tǒng)，三是控制子系統(tǒng)。

2.1.1 電場和磁場照射裝置模塊

該裝置主要作用是把實驗動物放入其中進(jìn)行電磁場照射，由電場輻照裝置和磁場輻照裝置組成：

電場輻照裝置的構(gòu)建：兩張2×1m2的鍍鋅鐵板，8根環(huán)氧樹脂木棒，8個高度調(diào)節(jié)閥如圖2所示構(gòu)建在一起。根據(jù)人和輸電線路的高度比和所承受的輻照強(qiáng)度，在實驗中將動物的和上板的高度比調(diào)節(jié)到相當(dāng)比值來模擬空間電場輻照環(huán)境，也可以調(diào)節(jié)電壓加大電場強(qiáng)度來得到更多的電場環(huán)境。

磁場輻照裝置的構(gòu)建：方形木制框100×50×20cm，矩形漆包銅線圈800匝，面積50×20cm2，銅線 Φ 1.22 ，可通過的最大電流為2.5A。如圖3所示構(gòu)建在一起。

實驗時將實驗動物飼養(yǎng)在此環(huán)境中，觀察動物的行為以及一段時間后測量其活體組織電磁參數(shù)的變化來確定不同強(qiáng)度的電場、磁場對生物體的危害程度。

2.1.2 電磁檢測子系統(tǒng)

電磁檢測子系統(tǒng)包含各種測試儀器，其作用是測試電磁場強(qiáng)度。包含的儀器有H2型全向智能工頻場強(qiáng)儀。其測量范圍：10~2×105kV/m，測量誤差：±5%；頻帶寬度：30Hz-100kHz。

LBJ-LZT-1160工頻磁場測試儀，測試精度：低頻0.01μT，高頻1μW/cm2；測試頻寬：低頻5Hz—400KHz 高頻 30MHz—2000MHz【3】。

2.1.3 控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)完成實驗裝置和計算機(jī)的連接，通過手動調(diào)節(jié)和計算機(jī)控制共同來完成。如手動調(diào)節(jié)電極板的高度，計算機(jī)設(shè)置參數(shù)來產(chǎn)生指定強(qiáng)度的電場、磁場。

2.1.4 實驗安全與屏蔽

因為實驗中用到了高壓，實驗中產(chǎn)生的電磁場輻射如果不采取措施也會對實驗人員造成影響。因此需要一個較大的空間來搭建實驗裝置，裝置周圍采用鐵絲網(wǎng)封閉隔離起來。在實驗參數(shù)調(diào)節(jié)好之后，再通過計算機(jī)啟動繼電器通電，實驗過程中，人員應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離實驗裝置，待照射時間到后將系統(tǒng)放電后才能靠近【4】

3.2 軟件部分

軟件部分利用VC編程，實現(xiàn)計算機(jī)對系統(tǒng)的控制。其中主要包含三個軟件模塊。系統(tǒng)狀態(tài)實現(xiàn)主機(jī)對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，設(shè)置電場、磁場強(qiáng)度參數(shù)的，啟動輻照系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理主要作用是實現(xiàn)非紙化實驗和數(shù)據(jù)的永久儲存，實驗人員可以隨時打開已保存的數(shù)據(jù)或者將新的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)中。數(shù)據(jù)分析部分主要功能是對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行一些算法分析，這一部分作為系統(tǒng)的擴(kuò)展，需要根據(jù)實際的分析方法來完善。

4 應(yīng)用及展望

本文比較系統(tǒng)的闡述了一種生物電磁輻射實驗裝置的設(shè)計，從硬件和配套軟件兩方面說明的實驗裝置的搭建方法。旨在設(shè)計出一種較為規(guī)范，較為科學(xué)的安全的輻照裝置，為研究生物電磁效應(yīng)提供了一個可控、可以重復(fù)的實驗平臺。

在實際應(yīng)用中，因為空間電磁環(huán)境本身很復(fù)雜，在研究過程中，可以通過單一輻照和不同強(qiáng)度的照射來研究電和磁環(huán)境的生物效應(yīng)。在以后的研究過程中，需要增加其他的實驗裝置，提高空間電磁環(huán)境的模擬程度以提供更為準(zhǔn)確的實驗環(huán)境。同時根據(jù)實際需求不斷完善系統(tǒng)的硬件和軟件，逐步形成一個更加廣泛更加規(guī)范的實驗裝置。

[1] Quirino Balzano et al，“Electromagnetic Energy Exposure of Simulated Users of Portable Cellular Telephones,”IEEE Trans.On Vehicular Technology，V01.4，No.3，August.1995:22~24

[2] 李剛，楊英超等“電磁場的生物效應(yīng)的研究現(xiàn)狀與展望”生命科學(xué)儀器2008年第6卷：56~58

[3] 楊盛祥“高頻和微波場強(qiáng)的計量和測試”計量學(xué)報，PP.118.242，1989

[4] 高攸綱，刁慶安“電磁環(huán)境對生態(tài)的危害及防護(hù)”《基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床》第20卷第1期，2000年2月,20(1):62~65

[5] 謝處方，饒克謹(jǐn)編著 電磁場與電磁波【M】.北京：高等教育出版社，1995:102~156

[6] 高攸綱等“談電磁環(huán)境對人體健康的危害效應(yīng)”中國電機(jī)工程學(xué)會電磁干擾委員會三亞學(xué)術(shù)會議，2004年11月

[7] 王亞楠“電磁生物效應(yīng)和電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”北京郵電大學(xué)碩士論文，2007

[8] 劉亞寧主編《電磁生物效應(yīng)》，北京郵電大學(xué)出版社，2002年