用于康復治療的磁振熱理療儀設(shè)計

張向?qū)W，胡秀枋，張嬌嬌，徐秀林

1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海200093；2.河南省醫(yī)療器械檢驗所，河南鄭州450000

前言

人口老齡化嚴重，骨關(guān)節(jié)疾病、軟組織損傷等疾病直接影響著老年人的生活質(zhì)量［1］。在我國，有超過1億的人群患有骨關(guān)節(jié)疾病，其中60歲以上的老年人患有不同程度的骨關(guān)節(jié)疾病的比例超過50%。與此同時，在軟組織損傷的臨床治療中，占有較高比例的慢性、頑固性頸肩腰腿痛的患者，一般常規(guī)的藥物治療效果不佳［2-3］。近年來，在臨床實踐中涌現(xiàn)出許多新技術(shù)和新方法［4］，出現(xiàn)了多種物理治療儀器用于骨關(guān)節(jié)炎、軟組織扭損傷和腰肌勞損等相應疾病的醫(yī)治［5］。特別是一些多種物理治療因子融合于一體的治療儀，受到醫(yī)學工作者的廣泛關(guān)注，如磁振熱治療儀、超短波治療儀等［6］。磁振熱治療儀是將磁療、溫熱治療與微振動治療結(jié)合在一起的綜合性治療儀［7］。它融入了磁療原理和現(xiàn)代針灸，可以仿生出一種穩(wěn)定并符合人體的電磁環(huán)境，并借助于磁、振、熱3種物理因子對疾病進行治療［8］。

國外對磁振熱理療設(shè)備的研究較早。19世紀末，日本發(fā)明了HM-2SC-A型溫熱磁振治療儀，該治療儀磁場范圍0～38 mT，40℃、50℃、60℃、65℃共4級溫度可調(diào)，振動頻率50～120 Hz，初步實現(xiàn)了磁振熱理療儀在臨床中的運用［9］。2008年，日本伊藤研制了磁振熱理療儀，該理療儀具有恒定磁場范圍0～40 mT、4級溫度可選、3種振動模式可選和多通道使用等功能，實現(xiàn)了磁振熱理療儀走向家用［10］。在我國，由于治療模式下振動和熱療功能是伴隨產(chǎn)生的，磁振熱理療儀磁場強度、振動按摩強度、熱療功能3項技術(shù)參數(shù)均不能單獨調(diào)節(jié)到確定值，適用范圍窄且治療效率相對較低［11］。目前市場上的磁振熱理療儀治療溫度和磁場參數(shù)較單一，不利于皮膚耐熱差及對磁場環(huán)境需求較高的患者使用，而且預熱慢，實際治療時間少，影響療效［12］。針對上述缺陷，本研究設(shè)計一種預熱快、結(jié)構(gòu)簡單、治療溫度可調(diào)、4檔磁場強度可選，并具有持續(xù)與斷續(xù)兩種振動按摩方式的磁振熱理療儀。

1 功能及性能指標

本研究的磁振熱理療儀，其功能包括多檔磁場范圍、治療時間與治療溫度可調(diào)、兩種振動方式，為患者提供更多治療參數(shù)選擇，實現(xiàn)療效最大化。其性能指標如下：（1）為實現(xiàn)不同患者對治療磁場的要求，提供4檔磁場強度獨立可選，第一檔0～60 mT，第二檔60～120 mT，第三檔120～150 mT，第四檔150 mT及以上；（2）為實現(xiàn)不同患者治療時間的要求，治療時間1～99 min可預置；（3）為滿足不同患者治療溫度需求，同時保證治療中的安全性，治療溫度30℃～45℃可預置；（4）為適應不同患者振動按摩方式的需求，提供持續(xù)振動和斷續(xù)振動兩種振動按摩方式，振動頻率50 Hz；（5）電源：交流電（6±5）V，頻率50 Hz。

2 磁振熱理療儀總體設(shè)計

該磁振熱理療儀主要由磁熱振子和控制系統(tǒng)兩部分組成，磁熱振子主要作用于患者皮膚，提供磁、振、熱3種物理治療因子，控制系統(tǒng)能夠精確地控制磁熱振子治療溫度和治療時間，實現(xiàn)治療溫度實時監(jiān)控，設(shè)定治療時間和保證治療過程中的安全性、穩(wěn)定性。該磁振熱理療儀的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 磁振熱理療儀整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of the overall structure of magnetic resonance-guided thermal therapy device

3 磁熱振子設(shè)計

磁熱振子實物如圖2所示，該磁熱振子主要由固定裝置、磁鐵和含芯線圈組成。固定裝置上有多個平行分布的溝槽，兩端的溝槽內(nèi)固定安裝磁鐵，其余溝槽安裝平行設(shè)置的含芯線圈以及共振磁條。相鄰磁條的極性相反，產(chǎn)生恒定的磁場。當通入50 Hz交流電時，磁熱振子中的含芯線圈產(chǎn)生交變的磁場，受磁條產(chǎn)生的恒定磁場作用產(chǎn)生振動，含芯線圈周圍的共振磁條隨之發(fā)生共振。同時線圈內(nèi)鐵芯處于交變磁場中，交變的磁通量使其產(chǎn)生感應電流，由電流的渦流效應產(chǎn)生熱量。因此通過該磁熱振子可以得到磁、振、熱3種物理因子。

圖2 磁熱振子實物圖Fig.2 Magnetothermal oscillator

為了提供安全可靠的治療環(huán)境，固定裝置選用防高溫材料進行制作，避免通電時含芯線圈發(fā)熱而造成裝置變形、融化以及與線圈粘連；與此同時，因通電后含芯線圈與共振磁鐵會不斷振動，會與固定裝置之間進行高頻率碰撞，易使裝置變形、可用性降低，所以選擇的材料還需要有一定的強度和耐磨的特性。為了實現(xiàn)磁熱振子的快速預熱，保證患者的治療時間，采用導磁好、內(nèi)阻大、損耗小的硅鋼材料作為線圈鐵芯，可以快速發(fā)熱，還可減小渦流，提高溫度的可控性。

4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

該控制系統(tǒng)主要功能包括控制治療溫度范圍和治療時間、實時顯示當前溫度以及通過反饋控制使溫度保持穩(wěn)定，確保磁熱振子進行安全可靠的工作。當治療時間與治療溫度上限下限值等參數(shù)設(shè)置完畢，磁熱振子開始工作，溫度傳感器采集到溫度數(shù)據(jù)，通過C52單片機處理并顯示。當治療時間未結(jié)束時，治療溫度大于設(shè)定上限值時，繼電器斷開停止加熱，反之，繼電器閉合開始加熱，治療溫度在上限與下限值之間進入保溫狀態(tài)；當治療時間結(jié)束，蜂鳴器鳴叫并切斷繼電器，磁熱振子工作結(jié)束。

4.1 治療溫度采集裝置設(shè)計

磁振熱理療儀實際治療溫度設(shè)置為30℃～45℃。溫度采集裝置采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器進行溫度數(shù)據(jù)采集［13］。工作時溫度傳感器DS18B20探頭固定安裝于磁熱振子旁，將溫度變化的模擬量信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號傳入單片機，然后經(jīng)過單片機處理單元內(nèi)部的程序算法將這個數(shù)字信號和溫度值相關(guān)聯(lián)，最后得到可以顯示出來的溫度值［14］。通過對治療溫度的實時監(jiān)控，可以為患者提供更安全、穩(wěn)定和精確的溫度選擇，實現(xiàn)治療時溫度范圍的控制。

4.2 計時功能設(shè)計

本文采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的實時時鐘芯片DS1302實現(xiàn)計時［15］。磁振熱理療儀可為患者提供不同治療時間的選擇，根據(jù)患病程度不一，患者皮膚敏感程度不同，選擇相應的治療時長。該計時功能可以實現(xiàn)1～99 min的時長設(shè)定，當?shù)竭_設(shè)定時間時，系統(tǒng)自動切斷磁熱振子工作電源，停止治療。

4.3 顯示界面設(shè)計

本文采用DS1602顯示治療時間和治療溫度。顯示界面主要包括工作界面和參數(shù)設(shè)置界面。圖3為控制電路及其實物圖，此時為工作界面，Time為治療時間，顯示時、分、秒；Temperature為磁熱振子治療溫度實時跟蹤顯示。設(shè)置界面包括Up、Down、Z、Q這4個參數(shù)值。其中Up為治療溫度上限值，Down為治療溫度下限值，當溫度傳感器獲得的溫度值低于Down下限值時，磁熱振子繼續(xù)加熱；當溫度值達到Up上限值時，磁熱振子停止加熱；當溫度值為Up與Down之間時，磁熱振子為穩(wěn)定的保溫狀態(tài)。Q為治療時間起始值，Z為治療時間終止值，可根據(jù)患者需求進行設(shè)置。

圖3 控制電路及其實物圖Fig.3 Picture of control circuit

4.4 按鍵控制設(shè)計

本文的磁振熱理療儀有5個主要功能按鍵，編號分別為1～5。按鍵1為界面切換與選中設(shè)置位置按鈕，按第一下按鈕進入設(shè)置界面Up值設(shè)定位置，再按一下進入Down值設(shè)定位置，然后依次進入治療時間終止值的小時位置與分鐘位置，最后回到工作界面，如此循環(huán)即可實現(xiàn)選中設(shè)定值位置；按鍵2和按鍵3為加鍵和減鍵，當按鍵1選中設(shè)定位置時，實現(xiàn)加減功能，如果按鍵1沒有選中，按鍵2和按鍵3功能鎖死；按鍵4為執(zhí)行按鈕，當治療時間與治療溫度值設(shè)置完畢，點擊按鍵4，回到工作界面，并執(zhí)行；按鍵5為振動按摩方式選擇鍵，當被選中時提供一個8 V的AC電壓源，根據(jù)溫度變化切換繼電器的工作狀態(tài)實現(xiàn)斷續(xù)振動，并保持溫度穩(wěn)定。當未被選中時，根據(jù)患者治療溫度需求選擇不同交流電壓源，實現(xiàn)持續(xù)振動。

5 治療溫度功能測試

磁振熱理療儀是進行與人體接觸式治療，磁熱振子是重要的組成部分，磁熱溫度是磁振熱理療的重要參數(shù)。Greenhalgh等［16］發(fā)現(xiàn)當人體皮膚接觸44℃的熱源達8 h時，可以造成輕度的燙傷，如皮膚被燙紅、起水泡等。Herndon［17］認為當溫度達到44℃或更高時，積累的損傷便超過了細胞自身的修復能力，當達到足夠的時間時，可能會最終導致組織壞死。Moritz等［18］通過研究發(fā)現(xiàn)，當與溫度為49℃的熱源保持接觸持續(xù)3 min時只產(chǎn)生局部紅斑而無明顯的表皮損傷，而同樣的溫度接觸9 min時，則可能導致明顯的皮膚壞死。這就對磁振熱理療儀的溫度控制和磁熱振子產(chǎn)熱的機制有很高的要求，所以需要對該磁熱振子產(chǎn)生的溫度是否達到設(shè)定的有效治療溫度進行測試。

將DS18B20接觸式溫度傳感器探頭固定好放在磁熱振子線圈旁邊，DS1602實時顯示測量得到的治療溫度數(shù)據(jù)。每次測量時間為100 min，環(huán)境溫度為22℃，工作電源電壓交流電1.6 V，經(jīng)過15次實驗測量，結(jié)果顯示該磁熱振子線圈在通電工作時，溫度在開始時上升5 min左右到達一個穩(wěn)定不變的狀態(tài)直到實驗結(jié)束。將采集到的數(shù)據(jù)通過MATLAB進行擬合曲線，得到磁熱振子工作時治療溫度曲線如圖4所示。由此可知，該磁熱振子在工作時能夠?qū)崿F(xiàn)快速預熱，并提供穩(wěn)定的治療溫度。

圖4 磁熱振子工作時治療溫度變化過程Fig.4 Temperature change during operation of a magnetothermal oscillator

根據(jù)渦流效應可知線圈中鐵芯的熱能與線圈中的交流電壓值有關(guān)，所以改變磁熱振子產(chǎn)生的熱能可以通過改變線圈兩端的交流電壓實現(xiàn)。實驗設(shè)計如下：環(huán)境溫度22℃，選取15個不同的交流電壓值，每組交流電壓值進行兩次實驗，磁熱振子工作時間100 min，并記錄每次實驗得到的最終平衡溫度值，取出兩次實驗溫度結(jié)果的平均值。通過MATLAB將交流電壓值、溫度平均值導入進行擬合得到如圖5所示的電壓-溫度曲線圖。其方程為：

由圖5可知，該磁熱振子兩端的AC電壓增大鐵芯表面的溫度也隨著增大，呈上升趨勢，說明磁熱振子的治療溫度與電源電壓呈正相關(guān)，因此通過調(diào)節(jié)電源電壓的大小來調(diào)節(jié)治療溫度以實現(xiàn)安全可靠的治療。

6 討論

磁振熱理療儀在物理康復治療領(lǐng)域是一種可靠的手段，能有效幫助患者消除疼痛，快速恢復，目前已經(jīng)越來越多被運用到慢性軟組織損傷和頸肩腰腿痛的輔助治療中。適應癥包括軟組織挫傷、腰肌勞損、慢性支氣管炎、坐骨神經(jīng)痛、各種關(guān)節(jié)炎癥以及緩解術(shù)后傷口愈合等［19］。

現(xiàn)有的磁振熱理療儀多數(shù)為磁場、溫度、振動等參數(shù)選擇單一，適用范圍低，預熱慢。本文設(shè)計的磁振熱理療儀，采用磁熱振子多模塊，根據(jù)不同的磁鐵材料表磁特性，提供更多的磁場參數(shù)選擇，如采用鐵氧體、普通磁鐵、強磁等材料相互搭配，可產(chǎn)生不同的治療磁場環(huán)境，有助于使磁振熱理療儀中的磁療療效最大化。選擇硅鋼材料放在線圈里，因硅鋼材料內(nèi)阻大，能實現(xiàn)快速預熱。溫度獨立調(diào)節(jié)、實時監(jiān)控，避免不同患者皮膚承受能力不同而造成灼傷或燙傷，可以更好地滿足患者需求。提供持續(xù)振動與斷續(xù)振動兩種振動模式，避免部分患者長時間持續(xù)的振動治療帶來的不舒適而影響治療效果。該磁振熱理療儀多參數(shù)可調(diào)節(jié)，但該產(chǎn)品的穿戴方式尚需進一步開發(fā)研究。