干擾電治療設(shè)備頻率測試方法研究

蔣 碩，徐志洲，田 佳，付 麗，張 克

（山東省醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心醫(yī)用電器室，濟南 250101）

0 引言

干擾電治療設(shè)備是指同時將2 路以上（包含2路）不同頻率的中頻（頻率為1 000～100 000 Hz）交流電流交叉作用于人體，在組織內(nèi)形成低頻調(diào)制電流來進行治療的一種設(shè)備[1]，其通常由信號產(chǎn)生及控制裝置、電極、導(dǎo)線及其他附屬部件組成[2]，并基于運動神經(jīng)和肌肉的興奮對于該頻段脈沖的敏感反應(yīng)產(chǎn)生治療作用。而當2 路或2 路以上不同頻率的電流同時作用于人體，則將在電流交叉處形成干擾電磁場，形成一種新的電流。研究表明，該電流強度要比任一組電流更大，有效彌補了電流在人體深處減弱的不足[3-4]。干擾電治療設(shè)備自問世以來逐漸在臨床上廣泛應(yīng)用，越來越多的研究肯定了其對于消炎、鎮(zhèn)痛、骨骼愈合、失眠、尿潴留等癥狀的緩解作用[5-8]。干擾電治療設(shè)備的性能指標需要嚴格控制，因此對其中最核心的指標之一——頻率的準確評價有著重要意義。本文將對干擾電治療設(shè)備頻率測試的方法進行深入研究，為相關(guān)測試人員提出有效的測試方法建議。

1 相關(guān)標準解讀

根據(jù)YY 0951—2015《干擾電治療設(shè)備》的規(guī)定，在干擾電治療設(shè)備中，載波是指在調(diào)制波中被調(diào)制的中頻交流電流；調(diào)制是指用一個調(diào)制波去改變載波的某種特征（如振幅、頻率或相位）的過程；差頻是指2路載波的頻率之差。載波通常分為2 種，一種是固定頻率，另一種則是掃頻波，不同型號、不同治療模式下的掃頻幅度通常從幾赫茲到幾百赫茲不等。YY 0951—2015 中對于頻率的要求主要有工作頻率、調(diào)制頻率、差頻頻率和差頻變化周期。測試方法規(guī)定如下：

（1）工作頻率：將負載阻抗分別接入設(shè)備的每一輸出端，并在負載阻抗上接入頻率計或示波器，測量載波頻率。

（2）調(diào)制頻率：將負載阻抗分別接入設(shè)備的每一路輸出端，并在負載阻抗上接入示波器，觀察每一路的輸出波形，測量調(diào)制波頻率。

（3）差頻頻率范圍：將負載阻抗分別接入設(shè)備的每一路輸出端，并在負載阻抗上接入示波器，分別測量各輸出的頻率。

（4）差頻變化周期：將負載阻抗分別接入設(shè)備的每一路輸出端，并將2 路輸出接入雙蹤示波器，觀察輸出干擾波形變化，以示波器或電子秒表測量動態(tài)干擾波形的變化周期。

對于上述各參數(shù)，YY 0951—2015 大都規(guī)定允許誤差為±10%。實際測試中，在測量一些固定頻率的參數(shù)時，比如調(diào)制頻率，因為在標稱值的基礎(chǔ)上允許有±10%的相對誤差，這樣的要求還是較為容易達到的，沒有太大的難度和爭議，通常使用示波器觀察波形進行測試。而在測量工作頻率時，涉及到觀察掃頻幅度范圍，且這個范圍通常比較小，常在幾赫茲到幾百赫茲不等。測量差頻頻率和差頻變化周期時，涉及到的差頻值多在0～200 Hz。允許誤差按±10%計算，得到的絕對誤差可小至±1 Hz 以下。工作頻率要求測試載波頻率，YY 0951—2015 中規(guī)定的試驗方法為使用頻率計或示波器進行測試，差頻頻率和差頻變化周期則規(guī)定使用示波器進行測試。綜上所述，頻率主要采用示波器進行測試，但是在實際試驗中發(fā)現(xiàn)，因為干擾電治療設(shè)備獨特的掃頻、差頻特性，對于掃頻幅度較小的載波，用示波器測試時頻率測試結(jié)果顯示值的波動常常已經(jīng)超過掃頻幅度或頻率允許誤差，故效果并不理想。當然，除了采用示波器進行測試，YY 0951—2015 中亦提到了采用頻率計進行測試。下面將對幾種頻率測試方法進行探討。

2 頻率測試方法介紹

實驗室常用的頻率測試儀器主要有示波器、功率分析儀、頻率計和頻譜儀。電子測量發(fā)展的歷程中，最常用的頻率測試方法有直接測頻法、周期法、李薩如圖形法、信號疊加法和傅里葉變換法等[9-10]。李薩如圖形法和信號疊加法因為操作較為復(fù)雜，很少被測試實驗室采用。實際的應(yīng)用現(xiàn)狀歸結(jié)起來可以分為以功率分析儀為代表的直接測頻法以及以示波器為代表的周期法和傅里葉變換法。

（1）直接測頻法。

直接測頻法[9，11-12]是由時基振蕩器產(chǎn)生的經(jīng)分頻后的標準信號作為閘門觸發(fā)器的標準參考，將信號經(jīng)過整形電路之后變?yōu)橥l的晶體管-晶體管邏輯電平（transistor transistor logic，TTL）矩形波進入閘門，依靠閘門觸發(fā)器，通過脈沖計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)。直接測頻法的實質(zhì)就是記錄在確定閘門開啟時間T 內(nèi)待測信號經(jīng)過整流后的脈沖個數(shù)N，通過這2 項數(shù)據(jù)可計算待測頻率f，計算公式如下：

（2）周期法。

周期法是先測量出信號周期，再計算出頻率的一種方法，示波器就是一種采用周期法測試頻率的典型應(yīng)用。示波器是利用電子束的電偏轉(zhuǎn)來觀察電壓波形的一種常見電子儀器，主要用來觀察電信號隨時間變化的波形，進而定量測量波形的幅度、周期、頻率和相位等參數(shù)。其中頻率測量多采用一種間接測量的方法，即通過對記錄的波形進行分析，計算出信號的周期t，再根據(jù)公式（2）計算出頻率f[13]：

關(guān)于周期的計算，不同的示波器有著不同的計算方法。比較常用的方法是取信號中相鄰2 個上升沿上為最大幅值50%處2 點的時間間隔為信號周期。而這里涉及到的幅值在不同的示波器中定義也不盡相同，故據(jù)此計算出周期進而計算出頻率的過程必然會引入較大的不確定度。

（3）傅里葉變換法。

傅里葉變換法是先獲取被測信號的時域信息，再通過傅里葉變換將信號從時域轉(zhuǎn)化到頻域。近年來，示波器作為應(yīng)用最廣泛的電子測量儀器，其運算能力和分析能力不斷提升，尤其是現(xiàn)如今已應(yīng)廣大使用者的需求通過傅里葉變換實現(xiàn)了從單一的時域分析到時域、頻域并重的轉(zhuǎn)變。只要通過示波器運算功能中的傅里葉變換，即可輕松呈現(xiàn)信號的頻域信息。但其較真正的頻譜儀而言，還是有許多局限性，如不具備時間和頻率的定位功能，無法分析時變信號的頻率變化特征，以及時間分辨力和頻率分辨力無法同時滿足人們的需求等[14]。

3 不同頻率測試方法實驗對比

將某干擾電治療儀一個通道的輸出作為被測信號。被測信號為一個3 990～4 010 Hz 的單路掃頻波，包絡(luò)周期為7～8 s。在同一環(huán)境中使用直接測頻法、周期法、傅里葉變換法分別測試被測信號，并對測試結(jié)果進行分析。

（1）直接測頻法。

使用寬頻帶功率分析儀的電壓測量端連接被測信號，然后進行測試，測試部分截圖如圖1 所示。統(tǒng)計圖1 中各實驗數(shù)據(jù)可知，由寬頻帶功率分析儀測試的該信號的掃頻范圍為3 990～4 010 Hz，契合了該信號的標稱實際值。

（2）周期法。

使用示波器對被測信號進行測試。先將滿屏?xí)r間范圍設(shè)置為20 s 進行觀察，結(jié)果如圖2 所示。

圖1 寬頻帶功率分析儀測試的頻率

圖2 20 s 滿屏?xí)r間范圍下示波器測試的頻率

由圖2 可知，利用自帶的測量功能進行頻率的讀數(shù)，結(jié)果分別為1.4 Hz 和905.8 mHz 2個截然不同的結(jié)果，而且與被測信號的頻率皆相去甚遠，可見在此時間軸設(shè)置下無法獲取正確的載波頻率信息。

將以20 s 滿屏?xí)r間設(shè)置下采集到的信號分開至滿屏?xí)r間分別為2 s 和20 ms 再進行觀察，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 2 s 和20 ms 滿屏?xí)r間范圍下示波器測試的頻率

由圖3 可知，2 s 滿屏?xí)r間設(shè)置下的頻率測試結(jié)果為4.5 Hz，而20 ms 滿屏?xí)r間設(shè)置下的頻率測試結(jié)果為3 986.7 Hz。故前者的滿屏?xí)r間設(shè)置仍不可取，而后者的測試結(jié)果比較接近實際值。

隨后將滿屏?xí)r間的設(shè)置固定在20 ms，再進行連續(xù)采集，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，除圖4（f）為2 000.4 Hz 的異常值外，其他測試結(jié)果在3 982.0～4 030.9 Hz，遠超出了3 990～4 010 Hz 的范圍。

（3）傅里葉變換法。

利用示波器的傅里葉變換功能進行時域到頻域的轉(zhuǎn)化，測試被測信號，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，峰值頻率確實出現(xiàn)在4 000 Hz 附近，但是峰值位置比較模糊，峰值讀數(shù)系統(tǒng)對于峰值頻率的讀數(shù)僅精確到3.98 kHz，并未測得更準確的頻率值。

4 討論

圖4 示波器周期法測試的頻率

圖5 示波器傅里葉變換法測試的頻率

本研究通過選用寬頻帶功率分析儀和示波器測試同一個中頻掃頻信號對比驗證了直接測頻法、周期法和傅立葉變換法測試頻率的效果。其中，使用寬頻帶功率分析儀進行測試，頻率示值穩(wěn)定，數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性佳，測試結(jié)果良好。使用示波器直接測試頻率的示值波動大，復(fù)現(xiàn)性欠佳，而且不同滿屏?xí)r間設(shè)置下的測試結(jié)果存在差異。而使用示波器運算功能中的傅里葉變換進行頻率測試，測試精度僅能精確到10 Hz，不能滿足測試需要，而且先在時域上采樣再轉(zhuǎn)化成頻域的過程會引入新的測量不確定度，故也不宜被選作干擾電治療設(shè)備頻率測試的方法。

試驗結(jié)果表明，采用寬頻帶功率分析儀的直接測頻法為各測試方案中的最佳方法，效果要優(yōu)于采用示波器測試的方法，尤其對于掃頻幅度較窄的掃頻信號。究其原因，這與各種儀器不同的測量機理和軟、硬件特性有關(guān)。寬頻帶功率分析儀是用于測試電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率等參數(shù)的儀器，故須對每一時刻的輸入信號都進行采集和計算。而示波器適用于分析波形，其采樣率很高，但是存在死區(qū)時間。即示波器雖然采樣率很高，但是需要采集完數(shù)據(jù)后再進行處理，處理數(shù)據(jù)的采樣芯片會停止采集數(shù)據(jù)，這個時間業(yè)界稱為死區(qū)時間[15]，這也是示波器測試準確性受限的重要因素，因此大大影響了被測信號頻率測試的精度。

本研究中的試驗是對載波信號的測試，而差頻頻率、頻率變化周期常常需要測試2 個掃頻信號之間的差異，對于測試準確度要求更高，故可采用寬頻帶功率分析儀的多個通道進行測試。

綜上所述，在測量干擾電治療設(shè)備的頻率，尤其是掃頻信號相關(guān)的頻率測試時，建議采用直接測頻法，該方法有利于提高測試準確度。但是干擾電治療設(shè)備種類繁多、調(diào)制方式多變，本文選取的示例難以代表所有情況，實際檢測中還是要根據(jù)具體產(chǎn)品特征綜合考慮，選取最適合的測試手段，以提高檢測質(zhì)量。