一种舰载激光磁能量治疗仪的研制*

孙 旭 尹晓峰* 吴 洋 张 伟 张谷敏

激光磁能量治疗仪是一种集激光、低频高强度脉冲磁场和高频电疗功能于一体的理疗仪，此类多功能理疗仪是近年来理疗设备发展的一个趋势，具有多功能、高集成化、体积小、便于操作使用等特点，深受广大患者青睐。

现代航空母舰是高科技的产物，以舰载作战飞机为主要武器，并整合通讯、情报、作战信息、反潜反导装置及后勤保障为一体的大型海上战斗机移动基地平台。航空母舰的诞生标志着世界海上力量发生了从制海到制空、制海相结合的一次革命性变化。航空母舰作为支持海军海空立体作战的平台，必须有强大的战斗力(舰载机)，总体空间的合理分配及大小决定了战斗能力与保障能力的强弱，航空母舰空间可谓寸土万金之称[1]。舰载医疗区又是航空母舰不可缺少的组成部分，对全舰官兵的身心健康负责。在战训一体化时代，考验后勤及医疗救护保障的能力；在日常的战训任务中，医疗区的理疗设备使用频率较高，对理疗设备的要求也更为严格。现有的理疗设备种类繁多，占用空间大，而航空母舰又是空间受到严重制约的领域。基于此，本研究研制了一种激光磁能量治疗仪，将光疗、磁疗及高频电三种理疗装置集合于一体，极大节省了空间占用比，简化了操作流程，便于医师操作。同时，通过仪器中的软件系统的控制，调节磁场强度、高频频率及理疗模式，以便适应患者的个人情况，达到更好的治疗效果。

1 理疗的基本原理

理疗学又称物理治疗学，是研究应用物理因子作用人体以提高健康水平，从而达到保健、预防和治疗疾病的效果，促进病后机体康复，延缓衰老等的专门学科。在电脉冲作用下，人体组织对外表现出一定的阻抗，并且呈容性，即阻抗主要表现为容抗，表现为电容性质。在外界电脉冲作用下，人体组织的阻抗与频率成反比，电脉冲幅值和频率的不同，作用于人体的效果不同。

1.1 激光磁能量治疗仪

激光磁能量治疗仪是采用高频电疗和磁疗及激光技术，作用于患者病处，起到理疗效果，而高频电疗法是应用高频电作用使人体达到防治疾病目的[2-3]。激光磁能量治疗仪的特点为：①无明显的电解作用；②对感觉及运动神经有很强的刺激作用；③具有良好的镇痛作用和热效应。

1.2 激光理疗

激光理疗是光疗的一种，是指用弱激光直接照射生物组织后引起一系列生物效应，从而达到治疗疾病目的。激光理疗其功能为：①促进神经修复；②加强机体的体液免疫功能，提高机体免疫力；③加速溃疡和伤口愈合；④有明显的抗炎及镇痛作用。

1.3 磁疗

磁疗是将磁场作用于人体，在适量磁场的作用下，通过特定部位的刺激，达到治疗疾病目的的一种物理疗法。人体内有各种生物电流，在磁场作用下，生物电流将受到磁场力的作用，即磁场将对生物电流的分布、电荷运动形式及其能量状态发生作用，因而引起有关组织器官的功能发生相应的变化，其具有镇静止痛、消炎消肿以及降压等作用[4]。

2 舰载激光磁能量治疗仪系统设计

2.1 总体设计

整台仪器处理系统按功能结构可分为7大部分，即主控系统、按键控制系统、显示界面系统、激光系统、高频系统、磁疗系统及冷却系统。其中按键控制系统和显示界面系统实现了人机交互；激光、高频及磁疗系统为设备提供了理疗输出；冷却系统对高温系统进行降温，以保证设备在最佳状态持续工作。激光磁能量治疗仪整体设计如图1所示。

图1 激光磁能量治疗仪整体设计框图

2.2 整机结构

激光磁能量治疗仪主要由不锈钢框架、高聚物聚丙烯控制面板构成。由上部分的显示控制面板和刺激手以及下部分的主机箱体和脚轮组成。显示控制面板的正面为PP塑料板，背面为环氧板。控制面板的夹层内包括控制电路板、控制处理器等。显示控制面板有启动开关、参数显示屏及数码管，功能选择键、参数调节键，急停开关等。刺激手为设备工作在磁疗模式下的磁场输出源。主机箱内包含大部分主要工作系统，有主控系统、激光系统、高频系统、磁疗系统和冷却系统等是治疗仪的重要组成部分。激光磁能量治疗仪底部安有4个脚轮，可以在任意方向上滚动，方便治疗仪移动(如图2所示)。

图2 激光磁能量治疗仪正面图

2.3 半导体泵浦激光器

泵浦激光器是用来发射655 nm波段附近的红外激光装置。半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同物质所产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦3种形式。本研制采用泵浦激光器，其具有效率高、寿命长、光束质量高、稳定性好、结构紧凑以及小型化等优点[5]。

2.4 稳流电源

泵浦激光器发射激光要求恒流，才可以得到稳定输出。治疗仪采用的脉冲激光稳流电源为单片机控制的数控电源，其具有控制精度高、紊波系数小、抗干扰能力强和超温自动保护等优点[6]。

2.5 主控系统

治疗仪主控系统控制治疗仪的开启、关闭、治疗(模式、时间、频率、强度)以及遇到危险时急停开关。主控系统模块采用两块CPU，一块专门用于系统内部所有硬件模块和装置的控制，如激光器、磁疗及高频电疗等(如图3所示)；另一块则控制输入/输出显示，以及通信等与外部的连接(如图4所示)。

图3 激光磁能量治疗仪电源及高频电模块接线图

图4 激光磁能量治疗仪CPU控制面板接线图

2.6 显示输出系统

显示控制面板由一块显示屏、触摸控制按键、参数调节旋钮及多个显示数码管组成，用来显示治疗模式、参数以及治疗时间等。通过参数选择键及控制键来实现模式输入，输出则是通过显示屏及数码管进行显示，与目前众多的显示方式相比较，具有更高的稳定性和可控性(如图5所示)。

图5 激光磁能量治疗仪显示控制面板图

2.7 磁疗治疗模式系统

2.7.1 自动模式

根据不同的患者所耐受磁疗脉冲程度的不同，自动模式分为A1～A4四种模式，各模式按周期运行，并在运行过程中重复输出磁场。

(1)A1模式。该模式下输出频率随时间波动；此模式下磁场强度在80%～100%之间变化，脉冲频率变化范围为3～15Hz，每个脉冲重复时间在3.5～16 s(如图6所示，见表1)。

图6 A1模式下频率随时间波动图

(2)A2模式。此模式下磁场强度在70%～100%之间变化，脉冲频率变化范围为3～23 Hz，每个脉冲重复时间在3.3～16.7 s(如图7所示，见表2)。

图7 A2模式下频率随时间波动图

(3)A3模式。此模式下磁场强度在70%～100%之间变化，脉冲频率变化范围为3～30 Hz，每个脉冲重复时间在3～16.7 s。如图8所示，见表3。

(4)A4模式。此模式下磁场强度主要集中在95%～100%之间变化，脉冲频率变化范围为3～40 Hz，每个脉冲重复时间在1.6～16.7 s，如图9所示，见表4。

表1 自动模式A1脉冲频率、磁场强度百分比及重复时间(允许误差：±10%)

表2 自动模式A2脉冲频率、磁场强度百分比及重复时间(允许误差：±10%)

注：表中①～⑦分别对应图7中的序号，代表不同时间段工作时的脉冲频率和磁场强度值。

表3 自动模式A3脉冲频率、磁场强度百分比及重复时间(允许误差：±10%)

注：表中①～⑦分别对应图8中的序号，代表不同时间段工作时的脉冲频率和磁场强度值。

表4 自动模式A4脉冲频率、磁场强度百分比及重复时间(允许误差：±10%)

图8 A3模式下频率随时间波动图

图9 A4模式下频率随时间波动图

2.7.2 手动模式

手动模式有M1～M4四种模式，四种模式的运行时间1～60 min可调，输出强度0～100%可调，频率F1、F2在1～50 Hz可调，运行时间0～4 s可调，间歇时间0～10 s可调，频率F1和F2交替进行。

2.8 软件流程

本系统软件编写过程中，采用模块化设计思想，使整个程序的编写快速有效。系统程序主要实现数据的采集、处理、传输以及显示等功能，是治疗仪的重要组成部分，负责调度系统的各应用程序模块，并与系统的设备及时交换信息，实现系统软、硬件资源的整体管理。系统主程序流程如图10所示。

3 舰载激光磁能量治疗仪技术参数

根据国家食品药品监督管理总局相关标准及规定，激光磁治疗仪类医疗器械产品，必须符合治疗危险性控制、生物学评价、电气安全标准、临床研究数据、医疗器械标准化、医疗器械质量体系控制及市场反馈与不良事件控制等方面的严格规定，特制定了以下技术参数与产品标准。

图10 系统主程序软件编程流程图

(1)激光波长为655 nm，允差±10%。

(2)激光输出功率为4.2 mW×3个，允差±20%。

(3)激光输出方式为连续输出；输出不稳定度(St)应优于±10%；输出功率复现性(Rp)应优于±10%。

(4)磁感应强度：最大磁感应强度为2.0 T，0～100%可调，步进2%，允差±20%。

(5)磁场安全范围：环境中距磁垫20 cm以外，磁场强度应≤0.5 mT。

(6)脉冲频率：1～50 Hz，允差±10%。(7)脉冲宽度：310 μs，允差±10%。(8)定时器：1～60 min，步进1 min，允差±10%。

(9)整机噪音：≤60 dB(A)。

4 舰载激光磁量治疗仪应用效果

自2017年8-11月，激光磁治疗仪样机在航母医务中心进行试用，经过临床应用具有以下特点。

(1)治疗效果明显。在较短的时间内病患处有明显缓解，治疗效果显著[7]。

(2)使用方便。操作面板简洁明了，使医生的操作更加方便灵活。急停开关设置在明显位置，提高了治疗仪使用中的安全性。

(3)移动摆放便利。治疗仪底部设计有4个滑轮，可以方便移动到任何需要的科室，并且集多种功能于一体，占用空间小，达到了航母上节约空间的目的，方便摆放[8]。

(4)功能稳定。质量检测合格，通过有效技术措施保证程序运行的稳定性，确保正常工作。同时，合金金属机壳既保证有效的机械强度，又可以起到很好的屏蔽干扰的作用[9]。

5 结语

激光磁能量治疗仪是一种集激光、低频高强度脉冲磁场和高频电疗功能于一体的理疗仪，满足了舰上康复理疗的需要，有效解决了当前理疗设备多而杂的问题，且该治疗仪具有多功能、高集成化、体积小、便于操作使用等特点，节约了航空母舰空间，间接增强了其后勤保障能力。并能够更好的适应患者的个人情况，提高治疗效果，在康复理疗领域具有良好的推广前景[10-11]。

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