一種艦載激光磁能量治療儀的研制*

孫 旭 尹曉峰* 吳 洋 張 偉 張谷敏

激光磁能量治療儀是一種集激光、低頻高強度脈沖磁場和高頻電療功能于一體的理療儀，此類多功能理療儀是近年來理療設備發展的一個趨勢，具有多功能、高集成化、體積小、便于操作使用等特點，深受廣大患者青睞。

現代航空母艦是高科技的產物，以艦載作戰飛機為主要武器，并整合通訊、情報、作戰信息、反潛反導裝置及后勤保障為一體的大型海上戰斗機移動基地平臺。航空母艦的誕生標志著世界海上力量發生了從制海到制空、制海相結合的一次革命性變化。航空母艦作為支持海軍?？樟Ⅲw作戰的平臺，必須有強大的戰斗力(艦載機)，總體空間的合理分配及大小決定了戰斗能力與保障能力的強弱，航空母艦空間可謂寸土萬金之稱[1]。艦載醫療區又是航空母艦不可缺少的組成部分，對全艦官兵的身心健康負責。在戰訓一體化時代，考驗后勤及醫療救護保障的能力；在日常的戰訓任務中，醫療區的理療設備使用頻率較高，對理療設備的要求也更為嚴格?，F有的理療設備種類繁多，占用空間大，而航空母艦又是空間受到嚴重制約的領域?；诖?，本研究研制了一種激光磁能量治療儀，將光療、磁療及高頻電三種理療裝置集合于一體，極大節省了空間占用比，簡化了操作流程，便于醫師操作。同時，通過儀器中的軟件系統的控制，調節磁場強度、高頻頻率及理療模式，以便適應患者的個人情況，達到更好的治療效果。

1 理療的基本原理

理療學又稱物理治療學，是研究應用物理因子作用人體以提高健康水平，從而達到保健、預防和治療疾病的效果，促進病后機體康復，延緩衰老等的專門學科。在電脈沖作用下，人體組織對外表現出一定的阻抗，并且呈容性，即阻抗主要表現為容抗，表現為電容性質。在外界電脈沖作用下，人體組織的阻抗與頻率成反比，電脈沖幅值和頻率的不同，作用于人體的效果不同。

1.1 激光磁能量治療儀

激光磁能量治療儀是采用高頻電療和磁療及激光技術，作用于患者病處，起到理療效果，而高頻電療法是應用高頻電作用使人體達到防治疾病目的[2-3]。激光磁能量治療儀的特點為：①無明顯的電解作用；②對感覺及運動神經有很強的刺激作用；③具有良好的鎮痛作用和熱效應。

1.2 激光理療

激光理療是光療的一種，是指用弱激光直接照射生物組織后引起一系列生物效應，從而達到治療疾病目的。激光理療其功能為：①促進神經修復；②加強機體的體液免疫功能，提高機體免疫力；③加速潰瘍和傷口愈合；④有明顯的抗炎及鎮痛作用。

1.3 磁療

磁療是將磁場作用于人體，在適量磁場的作用下，通過特定部位的刺激，達到治療疾病目的的一種物理療法。人體內有各種生物電流，在磁場作用下，生物電流將受到磁場力的作用，即磁場將對生物電流的分布、電荷運動形式及其能量狀態發生作用，因而引起有關組織器官的功能發生相應的變化，其具有鎮靜止痛、消炎消腫以及降壓等作用[4]。

2 艦載激光磁能量治療儀系統設計

2.1 總體設計

整臺儀器處理系統按功能結構可分為7大部分，即主控系統、按鍵控制系統、顯示界面系統、激光系統、高頻系統、磁療系統及冷卻系統。其中按鍵控制系統和顯示界面系統實現了人機交互；激光、高頻及磁療系統為設備提供了理療輸出；冷卻系統對高溫系統進行降溫，以保證設備在最佳狀態持續工作。激光磁能量治療儀整體設計如圖1所示。

圖1 激光磁能量治療儀整體設計框圖

2.2 整機結構

激光磁能量治療儀主要由不銹鋼框架、高聚物聚丙烯控制面板構成。由上部分的顯示控制面板和刺激手以及下部分的主機箱體和腳輪組成。顯示控制面板的正面為PP塑料板，背面為環氧板?？刂泼姘宓膴A層內包括控制電路板、控制處理器等。顯示控制面板有啟動開關、參數顯示屏及數碼管，功能選擇鍵、參數調節鍵，急停開關等。刺激手為設備工作在磁療模式下的磁場輸出源。主機箱內包含大部分主要工作系統，有主控系統、激光系統、高頻系統、磁療系統和冷卻系統等是治療儀的重要組成部分。激光磁能量治療儀底部安有4個腳輪，可以在任意方向上滾動，方便治療儀移動(如圖2所示)。

圖2 激光磁能量治療儀正面圖

2.3 半導體泵浦激光器

泵浦激光器是用來發射655 nm波段附近的紅外激光裝置。半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作物質的激光器，由于物質結構上的差異，不同物質所產生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦3種形式。本研制采用泵浦激光器，其具有效率高、壽命長、光束質量高、穩定性好、結構緊湊以及小型化等優點[5]。

2.4 穩流電源

泵浦激光器發射激光要求恒流，才可以得到穩定輸出。治療儀采用的脈沖激光穩流電源為單片機控制的數控電源，其具有控制精度高、紊波系數小、抗干擾能力強和超溫自動保護等優點[6]。

2.5 主控系統

治療儀主控系統控制治療儀的開啟、關閉、治療(模式、時間、頻率、強度)以及遇到危險時急停開關。主控系統模塊采用兩塊CPU，一塊專門用于系統內部所有硬件模塊和裝置的控制，如激光器、磁療及高頻電療等(如圖3所示)；另一塊則控制輸入/輸出顯示，以及通信等與外部的連接(如圖4所示)。

圖3 激光磁能量治療儀電源及高頻電模塊接線圖

圖4 激光磁能量治療儀CPU控制面板接線圖

2.6 顯示輸出系統

顯示控制面板由一塊顯示屏、觸摸控制按鍵、參數調節旋鈕及多個顯示數碼管組成，用來顯示治療模式、參數以及治療時間等。通過參數選擇鍵及控制鍵來實現模式輸入，輸出則是通過顯示屏及數碼管進行顯示，與目前眾多的顯示方式相比較，具有更高的穩定性和可控性(如圖5所示)。

圖5 激光磁能量治療儀顯示控制面板圖

2.7 磁療治療模式系統

2.7.1 自動模式

根據不同的患者所耐受磁療脈沖程度的不同，自動模式分為A1～A4四種模式，各模式按周期運行，并在運行過程中重復輸出磁場。

(1)A1模式。該模式下輸出頻率隨時間波動；此模式下磁場強度在80%～100%之間變化，脈沖頻率變化范圍為3～15Hz，每個脈沖重復時間在3.5～16 s(如圖6所示，見表1)。

圖6 A1模式下頻率隨時間波動圖

(2)A2模式。此模式下磁場強度在70%～100%之間變化，脈沖頻率變化范圍為3～23 Hz，每個脈沖重復時間在3.3～16.7 s(如圖7所示，見表2)。

圖7 A2模式下頻率隨時間波動圖

(3)A3模式。此模式下磁場強度在70%～100%之間變化，脈沖頻率變化范圍為3～30 Hz，每個脈沖重復時間在3～16.7 s。如圖8所示，見表3。

(4)A4模式。此模式下磁場強度主要集中在95%～100%之間變化，脈沖頻率變化范圍為3～40 Hz，每個脈沖重復時間在1.6～16.7 s，如圖9所示，見表4。

表1 自動模式A1脈沖頻率、磁場強度百分比及重復時間(允許誤差：±10%)

表2 自動模式A2脈沖頻率、磁場強度百分比及重復時間(允許誤差：±10%)

注：表中①～⑦分別對應圖7中的序號，代表不同時間段工作時的脈沖頻率和磁場強度值。

表3 自動模式A3脈沖頻率、磁場強度百分比及重復時間(允許誤差：±10%)

注：表中①～⑦分別對應圖8中的序號，代表不同時間段工作時的脈沖頻率和磁場強度值。

表4 自動模式A4脈沖頻率、磁場強度百分比及重復時間(允許誤差：±10%)

圖8 A3模式下頻率隨時間波動圖

圖9 A4模式下頻率隨時間波動圖

2.7.2 手動模式

手動模式有M1～M4四種模式，四種模式的運行時間1～60 min可調，輸出強度0～100%可調，頻率F1、F2在1～50 Hz可調，運行時間0～4 s可調，間歇時間0～10 s可調，頻率F1和F2交替進行。

2.8 軟件流程

本系統軟件編寫過程中，采用模塊化設計思想，使整個程序的編寫快速有效。系統程序主要實現數據的采集、處理、傳輸以及顯示等功能，是治療儀的重要組成部分，負責調度系統的各應用程序模塊，并與系統的設備及時交換信息，實現系統軟、硬件資源的整體管理。系統主程序流程如圖10所示。

3 艦載激光磁能量治療儀技術參數

根據國家食品藥品監督管理總局相關標準及規定，激光磁治療儀類醫療器械產品，必須符合治療危險性控制、生物學評價、電氣安全標準、臨床研究數據、醫療器械標準化、醫療器械質量體系控制及市場反饋與不良事件控制等方面的嚴格規定，特制定了以下技術參數與產品標準。

圖10 系統主程序軟件編程流程圖

(1)激光波長為655 nm，允差±10%。

(2)激光輸出功率為4.2 mW×3個，允差±20%。

(3)激光輸出方式為連續輸出；輸出不穩定度(St)應優于±10%；輸出功率復現性(Rp)應優于±10%。

(4)磁感應強度：最大磁感應強度為2.0 T，0～100%可調，步進2%，允差±20%。

(5)磁場安全范圍：環境中距磁墊20 cm以外，磁場強度應≤0.5 mT。

(6)脈沖頻率：1～50 Hz，允差±10%。(7)脈沖寬度：310 μs，允差±10%。(8)定時器：1～60 min，步進1 min，允差±10%。

(9)整機噪音：≤60 dB(A)。

4 艦載激光磁量治療儀應用效果

自2017年8-11月，激光磁治療儀樣機在航母醫務中心進行試用，經過臨床應用具有以下特點。

(1)治療效果明顯。在較短的時間內病患處有明顯緩解，治療效果顯著[7]。

(2)使用方便。操作面板簡潔明了，使醫生的操作更加方便靈活。急停開關設置在明顯位置，提高了治療儀使用中的安全性。

(3)移動擺放便利。治療儀底部設計有4個滑輪，可以方便移動到任何需要的科室，并且集多種功能于一體，占用空間小，達到了航母上節約空間的目的，方便擺放[8]。

(4)功能穩定。質量檢測合格，通過有效技術措施保證程序運行的穩定性，確保正常工作。同時，合金金屬機殼既保證有效的機械強度，又可以起到很好的屏蔽干擾的作用[9]。

5 結語

激光磁能量治療儀是一種集激光、低頻高強度脈沖磁場和高頻電療功能于一體的理療儀，滿足了艦上康復理療的需要，有效解決了當前理療設備多而雜的問題，且該治療儀具有多功能、高集成化、體積小、便于操作使用等特點，節約了航空母艦空間，間接增強了其后勤保障能力。并能夠更好的適應患者的個人情況，提高治療效果，在康復理療領域具有良好的推廣前景[10-11]。

[1]王明剛，毛英軍，魏立.環境因素對艦載衛生裝備性能影響的研究[J].醫療衛生裝備，2014，35(7)：85-87.

[2]余學飛，柳先鋒，彭達明.基于單片機的調制中頻電療系統設計[J].生物醫學工程學雜志，2010，27(6)：1233-1236.

[3]遲戈，馬艷彬，李非，等.直流電療法的臨床應用[J].中國醫療器械信息，2012，16(10)：42-44，53.

[4]金和俊，馮春燕，張春紅.磁療的研究現狀[J].醫學綜述，2008，14(18)：2832-2834.

[5]張磊.一種泵浦激光器穩定控制電路設計[D].聊城：聊城大學，2014：68.

[6]阮穎，葉波.EFDA泵浦源半導體激光器驅動電源的設計[J].光通信技術，2011，15(10)：60-62.

[7]韓鎮中.磁療的臨床應用[J].中國針灸，2013(S1)：107.

[8]江玉柱，井賽，楊博，等.戰時復雜環境對衛生裝備質量影響及裝備環境適應性研究[J].醫療衛生裝備，2012，33(9)：92-93.

[9]路超.多功能電脈沖理療儀的設計與實現[D].大連：大連理工大學，2011.

[10]張紅.穴位磁療的作用機制及臨床應用[J].山東中醫雜志，2009，28(6)：438-439.

[11]王清波，虞成，朱雋典，等.基于Node.JS的遠程實時虛擬康復訓練系統研究[J].中國醫學裝備，2016，13(8)：7-10.