馬世宏，潘文勝，陳　明

碎石機(jī)高壓電容充電電源對碎石效果的影響

馬世宏，潘文勝，陳明

目的：分析碎石機(jī)高壓充電電源對碎石效果的影響以及高壓充電電源的選用原則。方法：通過測量高壓充電電源對電容的充放電曲線，判斷碎石效果。結(jié)果：全波整流工頻充電電源的輸出阻抗最小，對電容充電時間最短；半波整流次之；倍壓整流輸出阻抗最大，對電容的充電時間最長；當(dāng)放電頻率超過1 Hz時，3種工頻高壓電源對電容充電均不充分，使得碎石效果下降；高壓逆變恒流充電電源對電容充電徹底，碎石效果穩(wěn)定。結(jié)論：在放電頻率高于1 Hz時，工頻高壓電源不如高壓逆變恒流充電電源的碎石效果好。

體外碎石；電容器充電電源；輸出阻抗；高壓逆變電源

0　引言

體外沖擊波碎石機(jī)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有20多年的歷史[1]，其中前10 a年，碎石機(jī)的核心技術(shù)更新迅速，從最初的液電式發(fā)展到了各種電磁式碎石機(jī)；最近10 a，國外碎石機(jī)的核心技術(shù)趨于成熟，沒有出現(xiàn)大的技術(shù)突破。我國在2008年頒布了新碎石機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0001—2008《體外引發(fā)碎石設(shè)備技術(shù)要求》[2]，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了碎石機(jī)性能要求，包括壓力峰值、脈寬、上升沿等重要參數(shù)。在臨床使用上，醫(yī)生和患者更關(guān)心碎石效果。

影響碎石效果的因素很多[3]，如結(jié)石定位的準(zhǔn)確性、患者的選擇、碎石能量（kV）的大小、水中氣泡、液電反射杯的聚焦性能、電磁盤和聲透鏡的性能、放電的頻率等，其中最容易被醫(yī)生甚至生產(chǎn)廠家忽略的是放電頻率對碎石效果的影響。在結(jié)石患者眾多的醫(yī)院，碎石機(jī)操作醫(yī)生很自然地選擇較快的放電頻率，從而導(dǎo)致碎石效果下降，或者效果不穩(wěn)定。

在充電電容一定的條件下，高壓充電電源決定了充電時間和碎石機(jī)的最高放電頻率，超過最高放電頻率，高壓電容上的電壓（或者電荷）充不到設(shè)定值，高壓電容儲能降低，造成碎石效果變差。發(fā)達(dá)國家，如德國、美國、以色列、瑞士等國生產(chǎn)的體外碎石機(jī)都采用高壓逆變恒流充電電源，保證不同放電頻率條件下碎石效果的穩(wěn)定。我國是碎石機(jī)生產(chǎn)大國，目前除了深圳慧康醫(yī)療器械有限公司等一兩家公司的碎石機(jī)上采用了高壓逆變恒流充電電源外，其余碎石機(jī)廠家的充電電源幾乎都是工頻高壓電源，技術(shù)上落后于西方國家。國內(nèi)有些碎石機(jī)廠家甚至沒有覺察到充電電源和碎石效果之間的關(guān)系，沒有完全明白國外品牌的碎石機(jī)為什么都采用高壓逆變恒流充電電源。

工頻充電電源的特點(diǎn)是：技術(shù)簡單；體積大，質(zhì)量大；充電時間慢；當(dāng)放電頻率過快時，碎石效果下降。

高頻逆變恒流充電電源[4]的特點(diǎn)是：充電時間快，碎石效果不受放電頻率的影響；同樣功率條件下，體積只有工頻電源的五分之一左右，質(zhì)量只有工頻電源的十分之一左右；技術(shù)難度大。

總之，碎石機(jī)高壓電容充電電源決定了充電和放電頻率（放電頻率會影響碎石效果）。下面分析和比較工頻充電電源和高壓逆變恒流充電電源的充放電過程和充電時間。

1　工頻充電電源

1.1電容充電的基本原理

E為充電電源的電動勢，單位為V；R為充電回路的等效電阻，單位為Ω，其大小等于充電電源的輸出電阻與充電回路的限流電阻之和；C為充電電容，單位為F；Uo為電容C上的充電電壓，單位為V。如果電容C上的初始電壓為0，則電容C上的電壓和充電時間t（單位：s）的關(guān)系[5]如下：

Uo=E×[1-exp（-t/（RC））]

當(dāng)t=RC時，電容上的充電電壓Uo=0.63E。

如果放電頻率過快，電容上的電壓有可能充不滿，導(dǎo)致碎石效果下降。在電容恒定的條件下，充電速度受充電回路電阻R（充電電源的輸出電阻與限流電阻之和）的控制[6]。充電電源的輸出電阻可以借助示波器測量結(jié)果和上述公式計算出來，即讀取電容電壓Uo=0.63E時的時間t，根據(jù)t=RC計算出充電回路的電阻R，再將R減去限流電阻，其差值就是充電電源的輸出電阻。輸出電阻越小，充電時間越快。

1.2充放電電壓波形和高壓電源輸出電阻的測量

我們采用Tektronix TDS1012 100 MHz雙通道數(shù)字示波器，外加電源隔離變壓器；高壓測量采用分壓棒和數(shù)字萬用表。用上述設(shè)備測量了目前國內(nèi)常用的電磁式碎石機(jī)3種高壓充電電源（半波整流、全波整流、倍壓整流）的充放電波形和輸出電阻。

圖1為單次充電電壓波形，經(jīng)過3～5個RC后，充電基本結(jié)束。圖2為1 Hz連續(xù)充放電電壓波形（能夠充滿），這是我們希望的波形，在該放電頻率時，充電電壓沒有下降，碎石效果保持恒定。圖3為2 Hz連續(xù)充放電電壓波形（未能充滿），這種波形不理想，在該放電頻率時，電壓充不滿，碎石效果變差。

電容的最高充電電壓設(shè)置為18 kV，表1是實(shí)測3種高壓電源充電電壓和放電頻率之間的關(guān)系。

圖1　單次充電電壓波形

圖2　連續(xù)充放電電壓波形（能夠充滿）

圖3　連續(xù)充放電電壓波形（未能充滿）

表1　不同整流方式充電電壓和放電頻率之間的關(guān)系

根據(jù)以上測量結(jié)果，可以計算出全波整流電源、半波整流電源、倍壓整流電源的輸出阻抗分別是82、120和400 kΩ。從以上測量和計算結(jié)果可以看出：

（1）當(dāng)充放電頻率達(dá)到2 Hz時，全波整流充電電壓從18 kV下降到17 kV，醫(yī)生明顯感覺碎石效果變差；倍壓整流充電電壓從18 kV下降到12.1 kV，醫(yī)生感覺幾乎沒有碎石效果。因此，工頻碎石機(jī)放電頻率不宜高于2 Hz，頻率越慢，電容充電越徹底，碎石效果越好；綜合考慮，1 Hz放電頻率臨床上比較適宜。

（2）全波整流電源輸出電阻最小，充電速度最快；半波整流電源輸出電阻次之；倍壓整流電源輸出電阻最大，充電最慢。綜上，說明在相同充電電壓和頻率條件下，全波整流碎石效果最好，倍壓整流碎石效果最差。

2　高壓逆變恒流充電電源

2.1恒流充電原理

隨著脈沖功率技術(shù)在激光等領(lǐng)域中的應(yīng)用，高壓逆變恒流充電電源技術(shù)目前在我國是個熱門領(lǐng)域，具體的電子線路設(shè)計有大量的文獻(xiàn)可以參考[7-8]，本文不做深入分析，僅把與碎石機(jī)相關(guān)的部分進(jìn)行應(yīng)用性的介紹。

根據(jù)電工學(xué)基本原理[9]，電容的充電電流I=Q/T=C×U/T

式中，I為電容上的充電電流，單位為A；Q為電容上的電荷，單位為C；C為電容量，單位為F；U為電容上的電壓，單位為V；T為充電時間，單位為s。

恒流充電是指充電電源在給電容充電過程中，充電電流基本保持恒定，即上式中I保持不變，所以充電電壓U和充電時間T是線性函數(shù)關(guān)系，電壓隨時間的充電曲線是條斜線。如圖4所示，t1表示放電完成后的停頓時間，一般取50～100 ms，用來抑制電容放電后的反峰電壓，保護(hù)電源內(nèi)的電子元件；t2是電壓充滿后的休息時間，在一定的放電頻率下，充電電壓越高，充電時間越長，休息時間t2越小，最小可以是0。t為碎石機(jī)的放電周期。圖5和圖6為實(shí)測深圳慧康醫(yī)療器械有限公司碎石機(jī)充放電電壓波形，圖5為單次充放電電壓波形，圖6為2.94 Hz頻率條件下的連續(xù)充放電電壓波形。在最高放電頻率時，t2=0，電容電壓仍然能夠被充滿。

圖4　恒流充電電壓波形

圖5　實(shí)測單次充放電電壓波形

圖6　實(shí)測連續(xù)充放電電壓波形（t2=0）

2.2高壓逆變恒流充電電源的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和選用原則

（1）充電電流（mA）：它是最關(guān)鍵的一個技術(shù)指標(biāo)。充電電壓不變的條件下，充電電流越大，充電時間越快。在電磁式碎石機(jī)中，一般取50～90 mA。

（2）最高充電電壓（kV）：電磁式碎石機(jī)最高充電電壓一般不超過20 kV。

（3）最快放電頻率（Hz）：充電電流和最高充電電壓確定以后，最快放電頻率實(shí)際上就確定了。

根據(jù)電容充電電流I=Q/T=C×U/T，充電時間T= C×U/I。參照圖4，充電周期t=T+t1+t2，最快放電頻率f=1/t。因此，碎石機(jī)充電電源的充電電流和最高充電電壓確定后，最快放電頻率實(shí)際上就已經(jīng)確定了，如果實(shí)際放電頻率大于最快放電頻率，電容充電不徹底，碎石效果必然下降。

例如，國內(nèi)大部分電磁式碎石機(jī)[10]，電容C=1 μF，最高使用電壓U=20 kV，如果選用的充電電源電流是90 mA，放電停頓時間t1=50 ms，最快頻率放電時，t2=0，則可以計算出最快放電頻率f=3.7 Hz。

考慮到臨床的其他因素，碎石機(jī)放電頻率不應(yīng)超過2Hz。如果最高充電電壓U=20kV，電容C=1μF，放電停頓時間t1=50 ms，最快頻率放電時，t2=0，則可以計算出充電電源的最小電流I=44 mA。根據(jù)下面（4）的推導(dǎo)，充電電源的最大功率和平均功率分別是880和400 W。

體外沖擊波骨科治療機(jī)放電頻率可達(dá)3Hz，放電電壓U=13kV，電容C=0.5μF，放電停頓時間t1=50ms，最快頻率3 Hz放電時，t2=0，則可以計算出恒流充電電源的最低充電電流I=23 mA。根據(jù)下面（4）的推導(dǎo)，充電電源的最大功率和平均功率分別是299和127 W。

（4）最大功率和平均功率：

恒流充電電源的最大功率式中，I為充電電流，單位為A；U為最高充電電壓，單位為V；Pmax為最大功率，單位為W。

恒流充電電源的平均功率P=電容儲能/充電周期。將充電周期近似等于充電時間，則可以近似算出平均功率P=0.5×I×U，即平均功率近似等于但略小于最大功率的一半。

總之，必須選擇合適的充電電流、充電電壓和放電頻率，才能保證電容充電徹底以及碎石效果的穩(wěn)定。

2.3充電電壓波形測量

我們對深圳慧康醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的碎石機(jī)以及德國多尼爾公司的Dornier Delta型碎石機(jī)進(jìn)行了高壓充放電測量，如圖5～7所示。

Dornier Delta型碎石機(jī)高壓電容1.3 μF，最高使用電壓17 kV（6級能量），最慢放電頻率60次/min，最快放電頻率120次/min。放電后的停頓時間t1=56ms，充電時間T=0.292 s，電壓充滿后休息時間t2=152 ms。根據(jù)2.2的分析，可以計算出來高壓逆變恒流充電電源的充電電流為75.7 mA，最大功率為1.3 kW，平均功率為376 W。由于電壓充滿后有152 ms的休息時間，所以平均功率遠(yuǎn)小于最大功率的一半。

從圖7中可以看出，即使選擇最快放電頻率和最高放電電壓，碎石機(jī)電容上的電壓或者能量每次都能夠充滿，所以無論是采用最低放電頻率或者最高放電頻率治療患者，碎石效果都能保持穩(wěn)定。

圖7　德國Dornier Delta碎石機(jī)充放電波形

2.4總結(jié)

高壓逆變恒流充電電源不但體積小、質(zhì)量輕，而且不同放電頻率下碎石效果穩(wěn)定。隨著我國體外沖擊波碎石機(jī)技術(shù)的升級以及沖擊波在其他醫(yī)療領(lǐng)域（如骨科、運(yùn)動醫(yī)學(xué)、心臟治療、男性治療、美容等）應(yīng)用時對產(chǎn)品小型化、便攜化的要求，高壓逆變恒流充電電源將得到廣泛的應(yīng)用。如何設(shè)計和選用充電電源，事關(guān)碎石效果。

在具體的體外沖擊波碎石機(jī)或者治療機(jī)中，高壓電容的容量是固定的。我們可以根據(jù)臨床的要求，確定最高充電電壓和最大放電頻率，然后計算出高壓逆變恒流充電電源的電流和功率，確保在指定的放電頻率范圍內(nèi)，電容上的電壓或者能量每次都能夠充滿，碎石效果穩(wěn)定。

3　結(jié)語

根據(jù)以上實(shí)測和分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）工頻充電電源在放電頻率大于1 Hz時，電容充電不充分，將導(dǎo)致碎石效果下降。放電頻率越高，碎石效果越差。

（2）選定合適的高壓逆變恒流充電電源，能夠保證在指定的放電頻率范圍內(nèi)，電容充電徹底，碎石效果穩(wěn)定。

[1]馬世宏.體外碎石機(jī)放電噪聲的測試和分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2012，33（5）：116-117.

[2]YY 0001—2008體外引發(fā)碎石設(shè)備技術(shù)要求[S].

[3]馬世宏.體外碎石機(jī)防松傳輸線的改進(jìn)設(shè)計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（10）：86-87.

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[8] 鐘和清，徐至新，鄒云屏，等.軟開關(guān)高壓開關(guān)電源設(shè)計方法研究[J].高電壓技術(shù)，2005，31（1）：20-23.

[9]蘇永昌.電工原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[10]馬世宏.體外沖擊波碎石機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（12）：37-38.

（收稿：2014-11-11修回：2015-03-05）

《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志“研究與設(shè)計”欄目征稿

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本刊編輯部

Influence of high-voltage capacitor charging power supply on lithotripsy

MA Shi-hong,PAN Wen-sheng,CHEN Ming
（Shenzhen Huikang Medical Apparatus Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,Guangdong Province,China）

Objective To analyze the influence of the high-voltage capacitor charging power supply on the lithotripsy effectiveness and to introduce the guidance to select the charging power supply.Methods The lithotripsy effectiveness was judged on the basis of the measurement of the charging-discharging curves of the lithotripter.Results The full-wave rectifier gained the least output impedance and the shortest charging time,and voltage-doubling rectifier had the highest output impedance and the longest charging time,with half-wave rectifier being between the two ones above.When the discharge frequency was less than 1 Hz,the three rectifiers had decreased lithotripsy effectiveness due to inadequate charging.Constant-current inverter high-voltage power supply might result in stable lithotripsy due to full charging. Conclusion Constant-current switch-mode high-voltage power supply behaves better than line-frequency high-voltage source for lithotripsy in case the discharge frequency is higher than 1 Hz.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（10）：116-119]

lithotripsy;capacitor charging power supply;output impedance;high-voltage inverter power supply

[中國圖書資料分類號]R318.6；TH772.1A

1003-8868（2015）10-0116-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.116

馬世宏（1966—），男，高級工程師，主要從事體外沖擊波碎石機(jī)核心技術(shù)方面的研究工作，E-mail：mash@eswl.cn。

518000廣東深圳，深圳市慧康醫(yī)療器械有限公司研發(fā)中心（馬世宏，潘文勝，陳明）