医用远红外治疗舱的研制

潘跃红 许少波 深圳恩鹏健康产业股份有限公司 （广东 深圳 518116）

医用远红外治疗舱的研制

潘跃红 许少波 深圳恩鹏健康产业股份有限公司 （广东 深圳 518116）

文章介绍了一种医用红外线治疗舱，该治疗舱利用远红外线的生理效应，采用3个高精度NTC实时监控舱内温度，结合PWM方式调节发热体中的电流值，实现对产品温度的精确控制。模拟升温实验证实了产品的升温速度和内部空间温度的均匀性均符合要求，红外线相关性能测试结果为产品的使用效果提供了保障。

远红外线 治疗舱 医疗器械

红外线位于光谱的可见光红光以外，波长范围为0.76～1000.00µm，临床将红外线分为近红外线（0.76～1.5µm）和远红外线（1.5～400µm）。人体是一个天然辐射体，也是一个吸收体。人体皮肤在环境温度下的比辐射率为0.98，基于人体的平均温度37˚C，根据维恩唯一定律，可以算出人体辐射的峰值波长为9.35μm，处于远红外波段，2～15μm的红外波长区域约占人体总辐射能的80%以上[1]。按照“光谱匹配共振”原理，波长为4～14µm的远红外线对人类生存和健康有重要意义[2]。

红外线因为拥有较长的波长，所以具有很强的穿透力，可将远红外热能传递到人体皮下较深的部分；远红外线被人体吸收后，与体内分子产生共振，使生物体细胞处于最高振动能级，产生共振效应；通过共振，产生温热效应；产生的温热由内向外散发，使毛细血管扩张，促进微循环，强化各组织之间的新陈代谢，增加组织的再生能力，提高机体的免疫能力，从而起到医疗保健的作用[3]。远红外线对人体组织的活化作用，适用于肩周炎、腰肌劳损、膝骨性关节炎、筋膜疼痛以及颈椎病引起的疼痛及不适的辅助治疗[4,5]。在前期的研究中，采用远红外理疗舱对督脉进行作用的实验结果发现，远红外线可增加督脉的微循环血流[6]。为适应临床使用，在原有远红外理疗舱的基础上，设计了一款符合医疗器械法规要求，可以实现对人体安全使用的医用远红外治疗舱，并测试了其主要性能。

1.主要技术特点

医用远红外治疗舱的设计首先考虑了家庭理疗保健时用的需求，采用便携式的设计以方便运输和收纳。依据红外线作用原理和对有源医疗器械的要求，为实现产品的安全性和治疗理疗效果，远红外治疗舱的设计主要考虑以下技术要求：

（1）产品的安全性：在控制模块的主控板上串联过流熔断器，当内部电路发生短路等异常，可以有效保护其他部件不受损坏；在设计的所有红外线发热负载上均设计有过热保护，且采用双重保护，第1级为可恢复超温保护，第2级为不可恢复超温保护器。

（2）温度控制：温度检测采用高精度NTC（Negative Temperature Coefficient）热敏电阻控温，可将空间温度误差控制在±3˚C以内；治疗舱的内部工作空间温升速度要求在15min内达到设定温度，各部位的最高温度限值中，内部空间温度不高于45˚C，外表面温度不高于40˚C，发热负载表面温度不高于60˚C。

（3）红外线相关性能：红外线发热负载的远红外光谱主要范围应在4～14μm，法向全发射率应大于等于0.85。

2.设计方案

在符合医疗器械法规要求的基础上，医用远红外治疗舱采用DIP-28封装PIC16F72作为MCU，交流电源通过隔离变压器、经过稳压后得到DC5V电源给整个单片机系统、显示系统供电，单片机通过带AD口，检测热敏电阻与一个3.9K的上拉电阻进行分压后得到的电压值，通过软件读取AD值换算为温度，判断温度值，决定是否控温。另设计普通单片机I/O口的高低电平输出，通过控制光耦的通断来控制双向可控硅的开关。显示部分采用一个单8数码管进行温度等级的显示，一个双8数码管进行时间的显示，1个红色LED指示灯显示设备是否通电，两个绿灯作为工作状态指示灯分别对应发热板、脚垫；按键部分与显示部分共用I/O口，显示是做输出，读取按键时作为输入，采用部定时器进行定时，其工作原理见图1。

3.软件设计

远红外光谱理疗舱的软件程序采用汇编语言编写，开发平台为MPLAB IDE v8.92。主程序流程如图2所示。主要完成系统初始化、温度和时间设置及显示、温度采集、温度控制等功能。理疗舱在工作的过程中，按照设计要求对人体左右侧面和背部进行远红外照射和全身加热。工作初始阶段，需要舱体温度快速达到设定值，采用全功率输出实时检测温度的方式判断温度是否快达到设定温度，如果快达到设定温度则进行功率输出调整使温度平滑达到设定温度，达到设定温度值后进行实时温度控制，使舱体温度达到平衡状态。采用本方式工作，舱体工作全流程温度波动范围小，算法可靠性高、鲁棒性好、容易实现。由于是采用PWM（Pulse Width Modulation）方式调节发热体中的电流值，达到温度控制的目的，PWM占空比的调节存在量化误差，但是在整个加热过程中由于PWM造成的误差对温度控制的影响基本可以忽略不计。

图1.医用远红外治疗舱工作原理图

图2.主程序流程图

4.测试与分析

医用远红外治疗舱的检测包括温度和红外线的性能，其中温度的检测通过设计模拟人体实际使用的状态，在人体模型上放置多个温度探头，利用多路数据记录仪（TOPPIETP700）记录人体几个部位，包括颈、肩、臀和膝盖等部位的温度变化，其测试结果如图3所示，测试结果显示在设定温度40˚C的条件下，肩膀温度最高，接近43˚C，而膝盖的温度相对最低，达到37.5˚C，所有测试结果均符合设计要求。

红外线发热负载的光谱决定着该发热体是否能够发挥红外线的理疗作用，为此经国家红外及工业电热产品质量监督检验中心对该治疗舱所使用红外线发热负载进行能谱测量和法相全反射率测量，检测结果法向全发射率达到了0.88，能谱测量如图4所示，图中显示红外线发热负载的红外线辐射涵盖比较宽的光谱带，最小从3μm产生，在15μm以上呈现相对平缓的曲线，代表该发热负载产生的红外线涵盖了3μm以上，且超过20μm相对宽泛的波长范围，而且其红外辐射的峰值约9.0，符合产品的设计要求和物理治疗的要求。

图3.医用远红外治疗舱模拟升温曲线

5.结论

医用远红外理疗舱的便携式设计，可以方便满足家庭和医疗机构的保健康复需求，对产品安全性和效果是基本的要求。本研究开发的医用远红外线治疗舱，基于远红外线对人体的温热效应和促进代谢等作用，通过采用汇编语言编写软件程序，实现PWM方式调节发热体中的电流值，达到温度控制的目的，保证了产品温度需求；选用合适的红外线发热负载确保产生的红外线能够适用于保健治疗，预期将产生很好的应用效果。进一步的研究将集中在医用远红外治疗舱应用于缓解颈椎、腰椎和膝关节等部位疼痛效果方面。

图4.红外线发热负载的相对辐射能谱曲线

[1] 杨景发,徐景智,赵庆勋,等.红外理疗的机理探讨与红外理疗仪的发展前景分析[J].红外,1999,6(11):9-13.

[2] Dominguez-Vidal A1,Kaun N,Ayora-Cañada MJ,et al.Probing intermolecular interactions in water/ionic liquid mixtures by far-infrared spectroscopy[J].Phys Chem.B,2007,111 (17):4446-4452.

[3] 季冠芳,杨子彬.远红外线的生物学效应及其应用[J].天津医药,2007,35(1):78-80.

[4] 姜清海.浅析肩周炎的物理疗法[J].中国民族民间医药,2010,19(1):97-97.

[5] 苏佳灿,张春才.肌筋膜疼痛综合征的诊治与康复[J].中国临床康复,2002,6(12):1726-1727.

[6] 郑淑霞,潘晓华,萨喆燕.远红外光谱理疗舱对督脉微循环血流量实验观察的影响[J].福建中医药,2017,48(1):31-32.

The Preparation of Medical Far-infrared Therapy Cabin

PAN Yue-hong XU Shao-bo Shenzhen Anpan Health Industry Co., Ltd. (Guangdong Shenzhen 518116)

A medical infrared treatment cabin has been introduced in this paper, Based on the physiological effects of far infrared, the cabin attained the real-time temperature in it with the help of the three high precision NTC, also realized accurate control of temperature using the PWM function.The simulated temperature experiment confirmed that the heating speed and the uniformity of internal space temperature meet the requirements.the results of Infrared performance confirmed the effect of the products.

far infrared ray, therapy cabin, medical apparatus and instruments

1006-6586(2017)23-0005-03

R459.6

A

2017-09-15

潘跃红，高级工程师，深圳恩鹏健康产业股份有限公司总工程师，北京市中和亚健康科学研究院红外技术研究所所长，深圳亚健康干预效果测评中心主任，主要从事远红外线设备制造和红外医学的研究。