一种程序控制的肿瘤抑制装置的制作方法

本实用新型属于电子工程学、医学、生物学与物理学交叉领域，涉及医疗器械，尤其是一种程序控制的肿瘤抑制装置。

背景技术：

磁场具有复杂的生物效应和机制，与频率、强度、作用时间长短等有关(参见Anatoly Buchachenko，2016，Bioelectromagnetics)。不同频率、强度的磁场被广泛应用于生物医学领域疾病治疗、辅助治疗和保健中。工业的射频、工频电磁场具有一定环境和健康危害，可能与肿瘤、神经退行性疾病发生相关。以热效应为主的高能高频磁场，主要在微波频段，可用于热疗。特定频率段的脉冲磁场对细胞膜导电性、基因表达调控等具有显著影响，尤其骨重建、骨创伤修复。高频脉冲磁场则可对生物体造成明显损伤。

特定磁场可用于肿瘤临床治疗。基于100-300KHz中频电磁场的治疗仪(以色列Novocure公司)已经通过欧盟和美国FDA批准，应用于复发与初发的神经胶质母细胞瘤。基于0.1Hz至200KHz频段的电磁场辐照，被称为Low Energy Emission Therapy(LEET)，在欧洲已经有多年的临床应用历史，近年来发现对肝癌、乳腺癌等多种肿瘤具有疗效，并且对人体毒副作用低(参见Alexandre Barbault等，2009，J Exp Clin Cancer Res)。将直流电产生的静态磁场与工频交流电产生的交变磁场叠加，对多种肿瘤细胞的体内外生长也有显著抑制作用(参见Lin-Qing Yuan等，2018，Bioelectromagnetics)。

以色列Novocure公司用于多形性神经胶质母细胞瘤临床治疗的电磁场，其技术特征是采用100-300KHz的交变磁场(参见美国专利US8019414，US8406870)。另外，一个可产生1-1000Hz和1-100mT电磁场的装置也可以干预细胞存活(参见美国专利US8192969)。中国专利中也有多种设计具有肿瘤抑制效应的磁场发生装置和用途，其中包括一个大于0.4特斯拉(T)的强磁场(参见中国专利90100152.X)和一个射频脉冲磁场(参见中国专利94111668.9)，以及一个工频电磁场与直流磁场叠加的中等强度磁场(参见中国专利201720112204.3)等。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种程序控制的肿瘤抑制装置，是一种程序控制的具有肿瘤抑制作用的磁场发生装置，频率变化范围覆盖超低频至低频，可产生低到中强度磁场作用于生物体并诱导生物学效应，该装置可产生在体内外对肿瘤具有抑制作用的磁场。

本实用新型提供一种程序控制的肿瘤抑制装置，其组成包括一个交流电源1、第一升压变换器(交流AC/直流DC)2、第二升压变换器(交流AC/直流DC)3、第一频率震荡发生器4、第二频率震荡发生器5、DC/AC全波逆变器6、半波逆变器7、第一输出元件8、第二输出元件9、第一组线圈10、第二组线圈11、温度监测元件12、第一磁场强度监测元件(监测交变磁场)13、第二磁场强度监测元件(监测静态磁场)14、温度反馈元件15、第一磁场强度反馈元件(反馈交变磁场)16、第二磁场强度反馈元件(反馈静态磁场)17、中央处理器18、频率设定元件19、磁场强度设定元件20、时间设定元件21、显示器22、键盘23、通风接口24和上位计算机25；交流电源1分别与第一升压变换器(AC/DC)2和第二升压变换器(AC/DC)3的一端连接，第一升压变换器(AC/DC)2和第二升压变换器(AC/DC)3的另一端分别与第一频率震荡发生器4和第二频率震荡发生器5连接，第一频率震荡发生器4和第二频率震荡发生器5的另一端分别与DC/AC全波逆变器6和半波逆变器7连接，DC/AC全波逆变器6和半波逆变器7的另一端分别与第一输出元件8和第二输出元件9连接，第一输出元件8和第二输出元件9的另一端分别与第一组线圈10和第二组线圈11连接，在两组线圈之间内的受照区域内放置有温度监测元件12、第一磁场强度监测元件13和第二磁场强度监测元件14，温度监测元件12、第一磁场强度监测元件(监测交变磁场)13和第二磁场强度监测元件(监测静态磁场)14分别与温度反馈元件15、第一磁场强度反馈元件16和第二磁场强度反馈元件17连接，温度反馈元件15、第一磁场强度反馈元件16和第二磁场强度反馈元件17的另一端均与中央处理器18连接，中央处理器18另外连接频率设定元件19、磁场强度设定元件20和时间设定元件21，频率设定元件19的另一端分别连接第一频率震荡发生器4和第二频率震荡发生器5，磁场强度设定元件20和时间设定元件21的另一端分别连接DC/AC全波逆变器6和半波逆变器7，中央处理器18另外连接显示器22和键盘23，并通过通风接口24与上位计算机25相连。

交流电源通过第一升压变换元件变为直流电，通过频率震荡发生器变频后输出，继而通过DC/AC全波逆变器与第一输出元件将直流电通过4个程序控制的开关作为交流电输出到第一线圈，产生方向变化的交变磁场。

交流电源通过第二升压变换元件变为直流电，通过频率震荡发生器变频后输出，继而通过半波逆变器与第二输出元件将直流电输出到第二线圈，产生方向不变的静态磁场。

通过变压器、频率震荡发生器、DC/AC全波逆变器、半波逆变器与线圈，在两组线圈之间的受照区域内部产生叠加的静态(来自直流)与交变(来自交流)电磁场，其中交变磁场的强度变化范围是0-10mT，静态磁场强度变化范围是0-50mT。

可通过键盘对中央处理器下达指令，通过频率设定元件、磁场强度设定元件以及时间设定元件，对两组线圈之间的受照区域内部产生的磁场进行程序化设定，其中交变磁场的频率变化范围是0.1Hz至200kHz，电压变化范围是0至450V，时间变化范围是30秒至999分钟，程序运行循环数1至200，可实现每天24小时程序化连续磁场辐照。

可将中央处理器与上位计算机进行整合，通过计算机进行程序设定和储存，以替代键盘和显示器的功能。

在程序设定环节，可以通过键盘输入任意数字，对数字大小进行编辑调节，并确认输入，显示器或计算机屏幕可以显示设定的程序编号、电压、频率、时间、循环数。

设置好的程序可以编号存储入中央处理器，并随时直接调出运行。

两组线圈之间的受照区域内部具有温度监测元件、交变磁场强度监测元件和静态磁场强度监测元件，并通过温度反馈元件、交变磁场强度反馈元件和静态磁场强度反馈元件，分别将数据实时返回中央处理器，实现对受照区域内温度和磁场强度的动态监控，同时收集的信息被存入中央处理器，供后期追踪调取。

在设备运行环节，显示器或计算机屏幕可以动态显示当前运行程序编号、运行时长、受照区域内实时温度(℃)，交变磁场强度(mT)，以及静态磁场强度(mT)。

本实用新型提供的一种程序控制的肿瘤抑制装置可在抑制肿瘤细胞活力中应用，所述肿瘤细胞为人肾母细胞瘤细胞。装置产生交变磁场与静态磁场叠加的磁场，或单一的交变磁场或静态磁场，实施连续磁场辐照后，对人肿瘤细胞生长产生显著的抑制作用，抑制作用强弱与磁场辐照时间长短呈正相关。

本实用新型覆盖了有效的具有肿瘤抑制作用的电磁场频率段，整合了交变磁场与静态磁场，在磁场暴露区域内设置实时监控和反馈，通过中央控制系统，可对时间、频率、磁场强度进行预设，实现持续磁场辐照、周期性调频和改变磁场强度，使用后对人肿瘤细胞具有明显抑制作用。本实用新型具体有益效果如下：(1)本实用新型装置设计合理，操作简便，通过改变电压、频率、时间、循环数，可存储多个不同加载方案，随时调出运行；(2)仪器按照设定程序可以每天24小时自动运行，可实现程序化磁场连续辐照；(3)对受照区域内磁场的温度和磁场强度做连续监测和实时反馈，有可追溯记录，安全可靠；(4)置于受照区域内的生物体所受干扰小，无创伤；(5)对人肿瘤具有显著的抑制作用。

附图说明

图1是本实用新型程序控制的肿瘤抑制装置结构示意图。

图2是本实用新型装置第一输出元件结构示意图。

图3是本实用新型装置第二输出元件结构示意图。

图4是本实用新型装置显示器示意图，在程序设定和仪器自动运行环节显示不同参数。

图5是本实用新型装置键盘示意图。

图6是应用本实用新型装置实施磁场辐照的方案图。

图7是本装置应用于人肾母细胞瘤细胞G401三天细胞生长曲线和抑制率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的描述。

实施例1，本实用新型提供一种程序控制的肿瘤抑制装置

参见图1，装置组成包括一个交流电源1、第一升压变换器(交流AC/直流DC)2、第二升压变换器(交流AC/直流DC)3、第一频率震荡发生器4、第二频率震荡发生器5、DC/AC全波逆变器6、半波逆变器7、第一输出元件8、第二输出元件9、第一组线圈10、第二组线圈11、温度监测元件12、第一磁场强度监测元件(监测交变磁场)13、第二磁场强度监测元件(监测静态磁场)14、温度反馈元件15、第一磁场强度反馈元件(反馈交变磁场)16、第二磁场强度反馈元件(反馈静态磁场)17、中央处理器18、频率设定元件19、磁场强度设定元件20、时间设定元件21、显示器22、键盘23、通风接口24和上位计算机25，交流电源1与第一升压变换器(AC/DC)2和第二升压变换器(AC/DC)3的一端连接，第一升压变换器(AC/DC)2和第二升压变换器(AC/DC)3的另一端分别与第一频率震荡发生器4和第二频率震荡发生器5连接，第一频率震荡发生器4和第二频率震荡发生器5的另一端分别与DC/AC全波逆变器6和半波逆变器7连接，DC/AC全波逆变器6和半波逆变器7的另一端分别与第一输出元件8和第二输出元件9连接，第一输出元件8和第二输出元件9的另一端分别与第一组线圈10和第二组线圈11连接，两组线圈之间内的受照区域内放置有温度监测元件12、第一磁场强度监测元件13和第二磁场强度监测元件14，温度监测元件12、第一磁场强度监测元件(监测交变磁场)13和第二磁场强度监测元件(监测静态磁场)14分别与温度反馈元件15、第一磁场强度反馈元件16和第二磁场强度反馈元件17连接，温度反馈元件15、第一磁场强度反馈元件16和第二磁场强度反馈元件17的另一端均与中央处理器18连接，中央处理器18另外连接频率设定元件19、磁场强度设定元件20和时间设定元件21，频率设定元件19的另一端分别连接第一频率震荡发生器4和第二频率震荡发生器5，磁场强度设定元件20和时间设定元件21的另一端分别连接DC/AC全波逆变器6和半波逆变器7，中央处理器18另外连接显示器22和键盘23，或者使用通风接口24与上位计算机25相连，以取代显示器22和键盘23。

交流电源通过第一升压变换元件变为直流电，通过频率震荡发生器变频后输出，继而如图2所示，通过DC/AC全波逆变器与第一输出元件将直流电通过4个程序控制的开关作为交流电，开关1、3组合与开关2、4组合轮流自动开启和关闭，仅开关1、3开启时，第一组线圈中电流方向为自上而下，而仅开关2、4开启时，第一组线圈中电流方向为自下而上，如此第一组线圈中为交流电，产生方向变化的交变磁场。

交流电源通过第二升压变换元件变为直流电，通过频率震荡发生器变频后输出，继而如图3所示，通过半波逆变器与仅有一个开关控制的第二输出元件将直流电输出到第二组线圈，产生方向不变的静态磁场。

通过变压器、频率震荡发生器、DC/AC全波逆变器、半波逆变器与线圈，在两组线圈之间的受照区域内部产生叠加的静态(来自直流)与交变(来自交流)电磁场，其中交变磁场的强度变化范围是0-10mT，静态磁场强度变化范围是0-50mT。

通过如图4所示显示器与图5所示键盘，或通过上位计算机，经中央处理器进行频率、磁场强度、辐照时间设定，其中交变磁场的频率变化范围是0.1Hz至200kHz，电压变化范围是0至450V，时间变化范围是30秒至999分钟，程序运行循环数1至200，可实现每天24小时程序化连续磁场辐照，在编辑程序时，可以通过键盘或上位计算机输入任意数字，对数字大小进行编辑调节，并确认输入，设置好的程序可以编号存储入中央处理器，并随时直接调出运行。

在设备运行特定的程序时，同时对受照区域内温度和磁场强度做连续监控和记录：传感器包括放置于两组线圈之间的受照区域内的温度监测元件、交变磁场强度监测元件和静态磁场强度监测元件，并通过温度反馈元件、交变磁场强度反馈元件和静态磁场强度反馈元件，分别将数据实时返回中央处理器，显示器或计算机屏幕可以动态显示当前运行程序编号、运行时长、受照区域内实时温度(℃)，交变磁场强度(mT)，以及静态磁场强度(mT)，实现对受照区域内温度和磁场强度的实时监控，同时信息被存储入中央处理器，供日后追踪。

实施例2，本实用新型作用于培养的人肾母细胞瘤细胞G401，使用图1-图5所示装置，不同强度的静态磁场与交变磁场叠加整合，每天辐照2-8小时；对照组将相同培养状态的细胞置于未通电不产生磁场的同样装置的受照区域，时间相同。

具体实施过程是：

细胞系和培养方法：人肾母细胞瘤细胞G401，使用含10％胎牛血清的McCoy培养基，培养于含5％二氧化碳和饱和水蒸气的37℃孵箱中。

主要设备：程序控制的肿瘤抑制装置，细胞培养箱，活细胞计数仪，多功能酶标仪。

主要试剂：CCK8试剂盒，台盼蓝溶液。

磁场加载方式：T1 5mT，T2 4.5mT，T3 4mT，T4 3.5mT，T5 3mT，T6 4.5mT，T7 4mT，T8 3.5mT，T9 3mT，T10 5mT，T11 4mT，T12 3.5mT，T13 3mT，T14 5mT，T15 4.5mT，T16 3.5mT，T17 3mT，T18 5mT，T19 4.5mT，T20 4mT，T21 3mT，T22 5mT，T23 4.5mT，T24 4mT，T25 3.5mT。

交变磁场加载方式：频率50Hz，T1 1mT，T2 1.5mT，T3 2mT，T4 2.5mT，T5 3mT，T6 1mT，T7 1.5mT，T8 2mT，T9 2.5mT，T10 3mT，T11 1mT，T12 1.5mT，T13 2mT，T14 2.5mT，T15 3mT，T16 1mT，T17 1.5mT，T18 2mT，T19 2.5mT，T20 3mT，T21 1mT，T22 1.5mT，T23 2mT，T24 2.5mT，T25 3mT。

受照物暴露于静态磁场与交变磁场同步叠加整合的磁场环境中，具体方案如图6所示。

T1-T25：每个周期5分钟；2小时/天磁场辐照实验组每天1个循环；4小时/天磁场辐照实验组每天2个循环；8小时/天磁场辐照实验组每天4个循环。

细胞活力实验(活细胞计数法)：将人肾母细胞瘤细胞G401以1×10∧5个/孔的密度接种于6孔板，实验组细胞按照图6所示方案，分别给予2小时/天、4小时/天、和8小时/天磁场辐照，对照组细胞放置于不产生磁场的受照区域中，连续施加磁场辐照3天，每天辐照后立刻收集细胞，台盼蓝染色后，用活细胞计数仪计数，做出细胞增殖曲线和磁场辐照对细胞的抑制曲线。

细胞活力实验(CCK8法)：将人肾母细胞瘤细胞G401以1×10∧5个/孔的密度接种于6孔板，实验组细胞按照图6所示方案，分别给予2小时/天、4小时/天、和8小时/天磁场辐照，对照组细胞放置于不产生磁场的受照区域中，连续施加磁场辐照3天，每天辐照后，用CCK8试剂盒测量吸光度，根据读数计算细胞相对数目，做出细胞增殖曲线和磁场对细胞的抑制曲线。

统计分析：每种磁场辐照条件重复3次，每次3个复孔，结果以平均值±标准误表示，结果做T检验，以P<0.05作为具有显著性差异指标。

如图7所示，左侧图为G401细胞生长曲线，其中X轴为磁场辐照天数，Y轴为细胞数，曲线一为对照组细胞生长曲线，曲线二为2小时/天磁场辐照组细胞生长曲线，曲线三为4小时/天磁场辐照组细胞生长曲线，曲线四为8小时/天磁场辐照组细胞生长曲线；右侧图为G401细胞抑制曲线，其中X轴为磁场辐照天数，Y轴为肿瘤细胞抑制率(％)，柱一为2小时/天磁场辐照组抑制率，柱二为4小时/天磁场辐照组细胞抑制率，柱三为8小时/天磁场辐照组细胞抑制率；*表示与对照组比较有显著性差异；#表示组间比较有显著性差异；图中结果显示，磁场辐照组细胞生长受到抑制，生长速度减慢；抑制率随辐照时间延长而上升，辐照时间8小时/天组对细胞的抑制率显著高于2小时与4小时/天组。