技术领域

本发明涉及一种生物频谱信号的产生和调制及混沌激光的产生的应 用装置，特别是涉及混沌光子医疗和生物种子优质化处理的一种混沌光子 装置。

                      背景技术

在二十世纪六十年代初激光器问世后，很快就应用到医学领域，发展 异常迅速。但弱激光，即功率为毫瓦级的低能量激光，在医学上较广泛的 应用却是近二十年的事。所谓弱激光是指激光直接照射生物体时，不会对 生物体组织造成不可逆的损伤。换句话说，不会破坏生物体组织，即弱激 光具有无伤害性的特点。在国际上，首先由前苏联于八十年代初期开始研 制弱激光医疗仪，并于八十年代后期生产出世界上第一台氦—氖弱激光医 疗仪。我国于一九八九年引进该医疗仪，九十年代初期，国内一些医疗器 械生产厂家，开始仿制生产该医疗仪，并在许多医院中使用，取得一定的 医疗效果。与此同时，国外也有许多厂家相继生产弱激光医疗仪。如英国 的达美德公司、美国的康奥公司、德国的视明公司、以色列的ESC Sharplan 等公司。不过，到目前为止，国内、外所有生产弱激光医疗仪的厂家，其 激光输出一般为连续输出或脉冲输出，均无信号调制。故其医疗适用范围 较窄，仅在消炎、消肿、镇痛、伤口愈合等方面有较好的医疗效果，而对 神经系统调节、心律调节、提高机体免疫功能等方面，医疗效果不是很显 著。因此，本发明针对上述的不足，并根据生物医学工程理论揭示的人体 功能的混沌特性，以及中华传统医学的经络学说和激光对生物体的作用、 生物控制论等理论进行开发研制。下面分别对激光与生物组织的相互作 用、非线性耗散系统的混沌行为特点、生物体组织和器官的混沌特性，以 及人体经络穴位与分形形态等作简要的分析，便于对后面的发明内容作较 深入的说明。

●激光与生物体组织的相互作用

对弱激光来说，激光与生物体组织的相互作用主要体现在生物刺激作 用和光热效应作用等。所谓生物刺激作用是指光子辐射效应，它不同于光 热效应，现已查明，生物体细胞有两类光子受体，一是细胞色素，一是含 有生色团分子。当它们受到弱激光照射后，吸收了光子的能量，激活了细 胞，其作用类似激素一样。如对细胞的功能起到调节作用，激活机体的免 疫系统，调节免疫应答等，这些已获得细胞实验的直接证实。

关于光热效应是指激光的光压作用和热效应。所谓光压作用是光子力 学效应的一种，当激光照射到生物体时，使被照射的相关部位的感受器， 如神经末梢等，受到光压作用，引起神经冲动，即感受器把光压能量转变 为相应的传入神经纤维上的动作电位，然后传输到神经中枢系统的相应部 位，经加工处理后再发出相应的调控信号对机体功能进行调节，达到提高 或恢复生物体组织和器官功能的目的。

关于热效应，当激光照射到生物体时，生物体组织将光子能量转化为 生物体组织内能，引起组织的分子或原子的震动和转动加剧，其宏观的效 果表现为温升。相当于热敷一样，使血液循环增强，营养代谢得到改善等， 达到调节机体功能。

●非线性耗散系统的混沌行为特征

混沌属于非线性科学范畴，是近四十年发展起来的学科。它是研究确 定性系统的内在随机性，或者说它是描述非线性耗散系统的通有行为，即 展现该系统运动的非周期性的有序性，称之为“混沌序”。也可以说混沌 是非线性耗散系统演化的归宿。因此，混沌决不是像日常用语中所理解的 杂乱无章的混乱，而是嵌在无序中的有序。其行为的主要特征是：

a.对初值的敏感依赖性。当系统的初始状态即使是极微小的变化也会 导致系统演化轨道呈指数型的分离，由此带来了对系统长时间的发展趋势 的不可预见性和内在的随机性。应用此特征，正好能克服生物体各类感受 器对外界固定信号刺激的适应性，即刺激感受器的信号虽然还在作用，但 随着时间的推移，感觉却逐渐消失，不会再引起神经冲动而传递信息。

b.当系统进入混沌区后，与其相对应的相空间图出现奇异吸引子，即 其轨道没有明显的规则或次序，而是呈永不闭合的来回折叠的无穷长曲 线，但整体轮廓却是相当稳定的。人体的某些组织和器官的活动规律都呈 现此特征。

c.奇异吸引子也称为混沌吸引子，具有分数维数，其几何体为分形， 即具有无穷嵌套的自相似性结构，称之为标度不变性。人体的神经网络， 心血管分布，肺气管支气管分布，经络穴位等都具有此特征。

d.混沌形态呈现出如同无穷多个频率耦合的振动，也就是说对混沌形 态进行时频分析，呈现出连续频谱，即具有广谱性。

●生物体器官的混沌特性

生物医学工程基础理论揭示出生物体的形态结构和生命活动的基本 单元是细胞。可以说一切生物都是由细胞组成的，如成年人由一百万亿个 细胞组成。因此，了解细胞活动的基本规律和机能至关重要。如植物细胞 吸收光子能量后，引起了细胞染色体的变异，从而实现品种的改良和抗病 害能力的增强。现代生物细胞学已证实，活细胞体就是一个“谐振腔”， 当微波或光波信号辐射到细胞时，这个“谐振腔”被激励出边廓“声-电” 的振荡波，这种振荡波的模式和频谱分布很广泛。它们代表着不同的生理 状态，其频谱主要在极高频段，构成生物信息系统的控制信号。这种广谱 性质的信号就是混沌特征的一种表现，说明了细胞体活动的混沌特征。现 已确认，世界万物的基本结构都是呈现非线性的形态，而人体具有最典 型的非线性特性。因此，人体的许多器官的活动规律，几乎都呈现混沌状 态。特别是大脑—人的行为司令部，它是人体中最具混沌形态的器官，生 理学家运用混沌学理论研究人脑的生理特征得出，正常健康人的脑电波呈 现混沌形态，而癫痫病患者和神经分裂症患者的脑电波呈现规整性即周期 性。说明了人的大脑工作是复杂的多层次的混沌动力系统，脑功能的物理 基础是混沌性质的过程。再就人体的心脏器官也是呈现明显的混沌特性， 如健康人的心博并非十分规则，而是有微小的涨落，若用相空间图描绘其 轨迹时，发现其轨迹交叉折叠在吸引子的周围，展现出奇异吸引子的特征， 体现了非线性系统所具有的自组织的混沌特性。这也是使人们的心律能从 诸如剧烈运动或突然遇到寒冷空气后的某种偏离状态恢复到正常。历史上 发生过这样的事件，加拿大的麦克基尔大学实验室人员，乔治·闵纳斯， 用有节律的即规整性电脉冲装置，刺激自己的心脏，作自我试验，结果当 晚就死去，这就证明了心脏博动和人体其它器官的活动节律等，绝对不允 许锁入规整的严格周期的变化规律之中。二十世纪八十年代后，国内流行 一些发出规整性信号的所谓练功仪，结果使不少练功者精神失常甚至走上 自杀之路。这些事例充分证明了，人体器官活动规律的混沌特性。因此， 只能用具有混沌变化规律的信号作用到人体才能改善人体的健康状态，达 到保健医疗的目的，否则将会导致相反的结果。

由上得出：生物体组织和器官受控于神经系统，因此，生物体组织和 器官的混沌行为与其神经系统的混沌特性有着紧密的联系，即生物体组织 和器官的混沌特性来源于神经系统的混沌形态，一旦神经系统的混沌形态 破坏，生物体将衰亡唉！

●人体经络穴位与分形的关系

中华传统医学中的经络学说已有二千多年的历史了，它是我们祖先长 期从医疗实践和人体解剖观察等辛勤劳动中总结出来的极其丰富和宝贵 的经验，并且为历代医家不断完善发展、升华，形成经络学说。而且逐渐 为西方医学所接受，应用到医疗上，取得令人信服的疗效。经络学说指出： 通过经络系统将人体的五脏六腑、四肢百骸、五官九窍、皮肉筋骨等组织 和器官进行联通，组成有机整体和协调活动，而且通过经络系统路径的穴 位，呈现出各种生理和病理的信息，也就是说人体的组织和器官活动的信 息在经络穴位中都可展现出来或检测出来。有学者用现代混沌学分形原理 对经络穴位进行论述，提出：经络是穴位有序的分布规律，它揭示了同类 穴位的连续性的分布，而穴位是人体某部位、节肢在分形元的反映，一个 穴位群则是人体的缩影，是一个分形元。所谓分形元是指生物体中具有分 形特性的相对独立部分，它包含着生物体的基本信息和功能。现代解剖学 研究也表明，人体经络系统与神经系统密不可分。如穴位处各层组织中具 有丰富的神经末梢、神经丛和神经束，而且其血管密度也超过非穴位的同 类组织。这就证实了经络穴位系统如同神经系统一样具有混沌形态的特 征。

综上所述，不论从现代医学解剖学或人体经络穴位现代仪器检测都证实 了，经络穴位系统与神经网络系统两者密不可分。中华传统医学的经络穴 位理论认为，经络是控制人体组织和器官机能的总枢纽总调控系统。而现 代医学认为神经系统直接间接对人体的脏腑机体进行调控。为保持人体整 体的稳态，需要对生理系统进行调节，这种调节是通过神经系统与被调节 对象间的相互作用而实现。说明两者的理论是相通相近的。而且为多年来 临床实践所证实。我们知道要进行良好的调节就需要输入生物体能接受的 起好作用的信息。控制论基本原理告诉我们此信号的变化规律需要与生物 体组织器官原有的信号变化规律相近，这样才能起到良好的调节作用。由 于生物体组织器官通常都呈现混沌的形态，故外来的作用信号也必需具有 混沌规律的特性。

                        发明内容

本发明的目的是针对现有的弱激光医疗仪输出的光波由于没有信号 调制，特别是没有混沌信号调制，而出现医疗适用范围和疗效等方面存在 的不足，根据生物体细胞组织和器官活动的混沌特性，应用混沌学理论和 中华传统医学经络学说以及光子的生物效应和生物控制论原理，进行一种 混沌光子装置的全新设计。

混沌光子装置由生物频谱发生器，调制器，驱动器，输出装置构成。

生物频谱发生器包括有混沌信号发生器、音乐语音发生器、极低频率 信号发生器、低频混频器。低频混频器将音乐语音发生器产生的音乐语音信号 和极低频率信号发生器产生的极低频信号混频后与依据E·N·Lorenz非 线性微分方程的电子线路所构成的，混沌信号发生器产生的混沌信号一起 输送到调制器，并经驱动器推动输出装置的光输出。

输出装置有三个输出端口和三种光子输出。三个输出端口包括直接调 制的激光输出端口，直接调制的普通光输出端口，外调制的混沌激光输出 端口。三种光子输出为直接调制的激光输出，直接调制的普通光输出，外 调制的激光输出。在三个输出端口和三种光子输出中，可任选一个端口一 种光子输出或两个端口两种光子输出或三个端口三种光子输出。

所说的外调制混沌激光输出端口，其所输出的混沌激光，是由驱动器 输出的驱动信号，通过三个频率不可公度的激光器输出三种激光，共同作 用到非线性晶体，并经透镜聚焦输出混沌激光。

混沌光子装置不仅对人体的保健医疗、延年益寿等方面有显著的效果， 而且对生物种子的优质化，抗病害能力的提高等方面也有明显的作用。特 别在医疗方面，不仅具有现有弱激光医疗仪在消炎、消肿、镇痛、伤口愈 合等方面的有益效果，而且在神经系统调节、心律调节、提高机体免疫功 能等方面也有较好的疗效，如治疗耳鸣、耳聋、早老年性痴呆病等均有疗 效。

                       附图说明

图1是本发明的总体结构框图

图2是本发明的混沌信号发生器结构框图

图3是本发明的音乐语音发生器、极低频率信号发生器、低频混频器 的联接关系框图

图4是本发明的极低频率信号发生器原理线路图

图5是本发明的外调制的混沌激光输出示意图

                      具体实施方式

本发明的核心是生物频谱的产生，包括混沌信号发生器、音乐语音发 生器、极低频率信号发生器，产生的生物频谱调制信号经调制器，包括内 调制和外调制，驱动器，对输出光进行调制。下面结合原理结构框图和示 意图对本发明的具体实施方式作详细说明：

图1中，1为生物频谱发生器，包括混沌信号发生器6、音乐语音发 生器7、极低频率信号发生器8、低频混频器9，它们的联接关系：音乐 语音发生器7输出的音乐语音信号与极低频率信号发生器8输出的极低频 信号共同输送到低频混频器9，混频后输出的信号与混沌信号发生器6输 出的混沌信号一起输送到调制器2，并经驱动器3输出，推动输出装置4 的光输出。这样，输出装置4的输出光子同时受到三种信号，即混沌信号、 音乐语音信号、极低频信号的共同调制。这种调制的方式属于直接调制， 或叫内调制，即，加在发光器，包括激光器和普通发光器的电源按调制信 号的规律变化，从而使输出的光强度也按此规律变化。因此，这种调制方 式也称为电源调制。在输出装置4三个输出端口中，其中一个端口还加了 外调制，即由驱动器3输出的驱动信号，输送到三个频率不可公度的激光 器，如红光、绿光、兰光，或发出其它波长的激光器，然后将这三种激光 共同作用到非线性晶体上，如钛氧磷酸钾(KTP)晶体，或其它型号的非 线性晶体，并经透镜聚焦输出混沌激光。

采取上述的具体实施方式是为了实现本发明的目的，这是因为：第1， 对输出光子进行混沌信号的直接调制后，使其输出光的变化规律具有类随 机性，即其行为具有不可预测，将这种输出光作用到生物体时，使生物体 的感受器对此刺激不会产生适应性，因此，有用的作用信号不会被滤除。

第2，关于音乐语音信号对生物体的细胞组织和器官的功能具有良好 的调节作用，早有实例报导，国内、外有些医院还设有音乐治疗室，可见 它具有良好的医疗效果。本发明采用，一面对输出光子进行音乐语音调制 再对生物体进行照射，同时用音响设备播出该乐曲；这样在接受光照的同 时还能感受到美妙的歌曲，对身心都能起到良好的调节作用。另外，用现 代计算机对音乐节奏进行分析表明，音乐的节奏间隔如同健康人的心博一 样，具有微小的不规则，即很小的涨落，从来不像完全机械的节拍器那样 准确固定不变。这就说明了音乐的节奏间隔具有混沌特性的规律。因此， 增加了音乐语音信号的调制和音响的效果，必然会带来对生物体功能调节 作用的增强。

第3，生物医学工程理论指出：人体主要器官的生理参数中的频率分 布大多数在极低频段，如从0.01Hz到100Hz，因此，对输出光子进行极 低频信号的直接调制，使输出光照射到生物体时，提高了生物体器官对光 子能量的吸收，从而加强了对生物体功能的调节作用。

第4，增加外调制的混沌激光输出，就能获得无穷多个频率的激光输 出，这是茹勒-泰肯道路走向混沌。

图2给出了混沌信号发生器结构框图，它是依据E·N·Lorenz非线 性微分方程组成的电子线路。详细说明如下：

为便于电路实现，将E·N·Lorenz方程进行标度变换，整理后得：

＝б(v-u).....................(1)

$\stackrel{·}{v}=\mathrm{\rho u}-v-20\mathrm{uw}················\left(2\right)$

$\stackrel{·}{W}=5\mathrm{uv}-\mathrm{\beta w}················\left(3\right)$

根据以上非线性微分方程组成的电路框图如图2所示。该电路各级的 器件为常用的集成电路和电阻电容元件，现就其工作过程作一介绍。图中， 6.0为比较器，输入信号为v和u，信号v由三路分配器6.7输出反馈到比 较器6.0的反相输入端，信号u由积分器6.1输出反馈到比较器6.0的同 相输入端，这样，比较器6.0输出就满足了方程＝б(v-u)的要求。只 要适当调节电路元件参数值，满足б＝16，即可。比较器6.0输出经积分 器6.1积分后获得输出信号u，并经三路分配器6.2分别输送到运算放大 器6.3乘法器6.4和乘法器6.9。运算放大器6.3输出信号为ρu，经调节 使ρ＝45.6即可。乘法器6.4可选用普通常用的乘法集成电路，如 MC1496/MC1596或4302等，为非线性器件，其输入端信号为u和从三路 分配器6.12反馈来的信号w，经调节输出为20uw。此信号作为比较器6.5 的一路输入信号，另两路输入信号为运算放大器6.3的输出信号ρu和从 三路分配器6.7反馈来的信号v。故比较器6.5总输出信号为 $\stackrel{·}{v}=\mathrm{\rho u}-v-20\mathrm{vw},$ 满足方程组(2)的要求。最后经积分器6.6积分，获得输出 信号v，并经三路分配器6.7输送到功率放大器6.8。另一路为获得信号w 的通路，其工作过程为：从三路分配器6.2输出的信号u和从三路分配器 6.7反馈来的信号v，共同输入到乘法器6.9，其输出为5uv，并与三路分 配器6.12反馈来的信号w，共同输入到比较器6.10，获得总输出为 $\stackrel{·}{W}=5\mathrm{uv}-\mathrm{\beta w}$ 经调节β＝4，然后经积分器6.11积分，获得输出信号w，并 经三路分配器6.12输送到功率放大器6.13。至此，E·N·Lorenz非线性 微分方程的三个变量u，v，w在电路中均可获得。只要调节电路中有关元件 的参数值，使得σ＝16，ρ＝45.6，β＝4，就能获得混沌信号输出。从 本电路组成结构看有以下几个特点：一是经过多个反馈回路，这是从电路 中获得混沌信号的必要条件，另一是电路必需具有非线性元件，在此前提 下，适当调节电路元件参数值，就能使电路出现混沌现象。而且本电路调 节容易，工作稳定。

为了获得较大的混沌信号的功率输出，以满足发光器，包括激光器和 普通发光器输出功率的要求，为此，需加功率放大器6.8和功率放大器 6.13。

图3是本发明的音乐语音发生器、极低频率信号发生器、低频混频器 的联接关系框图。关于音乐语音信号的产生，本发明采用内置和外接两种 方法。内置方法是在本装置内部设置已录好音乐语音的集成电路，这种方 法优点是简单方便，但音乐语音固定不变，不能由使用者随意选择。外接 方法是外接CD机或其它录放机等，只要在装置的面板上加装插口和转换 开关K即可，优点是可按使用者的需要任选乐曲等，但价格贵些。关于 联接关系说明如下：通过开关K接通外或内音乐语音发生器，将音乐语 音信号传送到多路分配器。一路输出到音响电路，驱动扬声器放出乐曲； 一路输出到光电耦合器，再传送到低频混频器，与极低频率信号发生器传 送来的极低频信号混频后，输出到调制器，并与混沌信号发生器输出的混 沌信号，共同对输出光的强度进行调制。

多路分配器、光电耦合器、低频混频器、调制器、功率放大器等电路 均为常用普通电路。

图4给出了极低频率信号发生器原理线路图。此电路能产生极低频率 的信号输出，如可低到0.001Hz；本电路由于采用集成运算放大器组成振 荡电路，故能克服一般用文氏电桥组成的RC振荡电路因电阻值和电容值 过大而不能起振的缺点。电路中A2级反馈回路加了二极管VD1、VD2， 保证了该电路容易满足起振条件，因为当振荡刚建立时，由于输出电压较 小，加在二极管两端的电压较低，因此，流过二极管的电流小，其等效电 阻较大，这样就使A2的增益提高，使振荡所需的振幅条件易于满足；当 建立振荡后，输出电压较高，流过二极管的电流增大，使其等效电阻降低， 相应的也使A2增益下降，从而确保了输出的振荡振幅稳定。另外，为满 足输出信号的频率可在0.01Hz到100Hz范围内调节，本电路采取调节接 在A1级反相输入端的反馈回路的电阻和电容的数值。

图5是本发明的外调制混沌激光输出示意图。

生物的医学工程基本理论根据医学测试指出：对生物体组织器官而言， 其生理参数具有的信息均在极低频率的范围。而对细胞而言，其活动信息 的频率均为极高频段，通常，其频谱从可见光到的近紫外线的范围。因此， 为恢复和改善生物体细胞和组织器官的正常活动功能，外来作用信号的频 谱必须极其宽广，这样，其输入的能量才能更有效的被生物体细胞和组织 器官吸收，从而通过其自身的调节环节，达到优化或医疗的目的。为此， 就要获得宽广频谱结构的激光输出。如何才能获得此类的激光呢？本发明 具体实施例中，采用三个频率不可公度的激光器，将其输出共同作用到非 线性晶体上，如KTP，适当调节激光强度，使其输出实现混沌规律变化， 然后将此激光通过聚焦透镜输出。

所述的非线性晶体，选用钛氧磷酸钾(KTP)为双轴晶体，非线性系 数较大，透光波段为350-4500nm。

本发明所述的混沌光子装置输出的频谱范围从0.01Hz到1×1014Hz。