一種用于磁振熱理療儀的磁熱振子設(shè)計(jì)與分析*

張向?qū)W，胡秀枋，徐秀林△，鄒任玲，安美君，張嬌嬌

（1.上海理工大學(xué)，上海200093；2.上海健康醫(yī)學(xué)院，上海201318；3河南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，鄭州450000）

1 引 言

隨著物理治療的廣泛運(yùn)用與臨床專家學(xué)者的共同努力，出現(xiàn)了各種物理治療儀器用于骨關(guān)節(jié)炎、軟組織扭挫傷和腰肌勞損等相應(yīng)疾病的治療[1]。尤其是近幾年，出現(xiàn)一些多種物理治療因子融合于一體的治療儀，其中磁振熱理療儀就是代表。磁振熱理療儀是將磁療、溫?zé)嶂委熍c微振動(dòng)治療結(jié)合在一起的綜合性治療儀[2]。它融入了磁療原理和現(xiàn)代針灸，可以仿生出一種穩(wěn)定、符合人體的電磁環(huán)境，并借助于磁、振、熱三種物理因子對疾病進(jìn)行治療。

磁振熱治療臨床效果顯著，目前市場上治療儀品種繁多[3]，但磁熱振子主要有兩種結(jié)構(gòu)。最常用的是由八個(gè)含鐵芯線圈和十塊永久磁鐵組成，磁鐵與鐵芯間隔設(shè)置，且相鄰兩塊磁鐵之間的極性相反。不通電時(shí)，根據(jù)磁鐵同異性原理，極性相反的相鄰磁鐵相互吸引導(dǎo)致中間的懸浮磁鐵彈起[4]。而在線圈上加載交流電后，一方面線圈產(chǎn)生交變磁場，并與磁鐵的恒定磁場互相影響，因磁場的方向不斷變化，使懸浮的磁鐵產(chǎn)生特有的非機(jī)械振動(dòng)[5]。另一方面，線圈中鐵芯因渦流產(chǎn)生熱，由此產(chǎn)生了磁場、振動(dòng)、熱量三種物理治療因子。但該結(jié)構(gòu)體積大、重量大，且預(yù)熱時(shí)間長，使用極為不便[6]。另一種磁熱振子是由定片、動(dòng)片、屏蔽壓板及屏蔽外蓋組成，通過定片對動(dòng)片吸引實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，線圈產(chǎn)生磁場，硅鋼片渦流效應(yīng)發(fā)熱而得到三種物理因子。該結(jié)構(gòu)預(yù)熱快、體積小，但其磁場范圍單一，振動(dòng)效果差，在運(yùn)用過程中磁場、溫度、振動(dòng)三種物理參數(shù)不能同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)。據(jù)此，本研究提出一種能產(chǎn)生磁、振、熱三種物理因子且產(chǎn)熱快、磁場范圍大、振動(dòng)效果好、價(jià)格低廉的磁熱振子，并具體分析了該磁熱振子的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，及三種物理治療因子參數(shù)的產(chǎn)生機(jī)制，確?？梢缘玫桨踩?、可靠且精確可控的磁熱振子。

2 磁熱振子基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁熱振子直接用于接觸患者皮膚表面，產(chǎn)生三種物理治療因子，是磁振熱理療儀重要組成部分[7]。磁熱振子基本結(jié)構(gòu)包括線圈、磁鐵、固定裝置和錫箔紙四部分。線圈由防高溫的漆包線與硅鋼棒組成，硅鋼棒內(nèi)阻大、產(chǎn)熱快、散熱快，可以實(shí)現(xiàn)快速預(yù)熱并提供穩(wěn)定的治療；磁鐵選用永磁材料鐵氧體，提供穩(wěn)定的磁場環(huán)境與振動(dòng)環(huán)境；固定裝置有上下殼兩部分，由化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨、耐高溫的尼龍材料3D打印而成，用于放置線圈和磁鐵。線圈與磁鐵間隔放置，相鄰磁鐵統(tǒng)一的磁極相同或相異，相鄰線圈首尾相連。磁熱振子實(shí)物圖，見圖1。用錫箔紙包裹該磁熱振子就得到了完整的磁熱振子結(jié)構(gòu)，錫箔紙可以實(shí)現(xiàn)均勻傳溫、防止熱量外泄和提高升溫速度。

線圈中鐵芯兩端的厚度為2 mm，見圖2。固定裝置存放線圈的溝道高度為4.5 mm，線圈兩端距離固定裝置頂部1.5 mm，即其上下振動(dòng)的振幅≤1.5 mm，見圖3。

圖1 磁熱振子實(shí)物圖Fig 1 Magnetothermal vibrator physical map

圖2 硅鋼芯兩端厚度Fig 2 Thickness of the silicon steel core

圖3 固定裝置線圈溝道深度Fig 3 Fixture coil channel depth

2.1 磁熱振子工作原理

磁熱振子通入50 Hz交流電時(shí)，線圈產(chǎn)生交變磁場，受相鄰磁鐵的磁場影響，造成磁力擠壓而不斷地振動(dòng)，且硅鋼棒處于交變磁場中，交變的磁通量使硅鋼棒中產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成渦電流并由渦流效應(yīng)產(chǎn)生熱量[8]。因此該磁熱振子可以得到磁、振、熱三種物理因子[9]。

2.2 渦流效應(yīng)

磁熱振子的含芯線圈輸入交流電，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電生磁，磁生電，通電后硅鋼棒中將產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致硅鋼棒迅速升溫。其工作原理為，當(dāng)線圈中通入交流電I后，形成交變磁通?，交流電I的頻率與該磁通頻率相同，則可得：

式（1）中，Φm代表通入交流電I一定時(shí)，取得的交變磁通最大值。因此可求得感應(yīng)電動(dòng)勢為：

式（2）中，N為線圈的匝數(shù)。故，感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值為：

式（3）中，f代表線圈中輸入交流電的頻率。

硅鋼棒截面上產(chǎn)生渦流，該電流Ia的值是由感應(yīng)電動(dòng)勢與回路中的阻抗K確定的，則有：

式中，R為該渦流電路中的等效電阻（Ω），Xb為等效感抗（Ω）。

線圈通過導(dǎo)線傳遞輸入交流電，繼而線圈中由法拉第電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生磁能，在渦流過程的作用下，磁能發(fā)生轉(zhuǎn)化，形成硅鋼棒中的熱能[10]。該熱能是經(jīng)過渦流效應(yīng)散發(fā)出去的，于是，此過程的焦耳熱為：

式中，Q為硅鋼棒中渦流效應(yīng)產(chǎn)生的熱量，Ia為渦流效應(yīng)產(chǎn)生的電流有效值。

2.3 線圈磁場計(jì)算

磁熱振子中含芯線圈是一種軸對稱結(jié)構(gòu)的線圈，當(dāng)忽略電流的螺旋性以及線間距離時(shí)，可以認(rèn)為線圈中的電流是由許多同軸、同半徑的圓環(huán)電流所組成的[11]。此特點(diǎn)，本研究應(yīng)用畢奧-薩法爾定律推導(dǎo)出一種比較簡單的圓形線圈軸線磁場的方法來計(jì)算線圈上的磁場。

設(shè)含芯線圈的總長度的一半為?，半徑為R，通入漆包線的交流電為I，線圈總匝數(shù)為N，則含芯線圈單位長度線圈上流過的電流為：

長度為dz的線圈元上流過的電流dI=Adz，這樣的線圈元可以看成是圓環(huán)電流[12]。由圓環(huán)電流的公式可以得出中心點(diǎn)相距z的線圈元在線圈軸上任一點(diǎn)z處的磁場強(qiáng)度為：

由式（7）在（-?，?）上對z進(jìn)行積分即可得到含芯線圈在軸上任一點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度公式：

由式（8）可以看出，在線圈R、匝數(shù)N、通入電流I一定的情況下，隨著z的增大，磁場強(qiáng)度減弱。即當(dāng)磁熱振子離人體越近磁場越大。

3 磁熱振子溫度采集分析

磁振熱理療儀是進(jìn)行接觸式治療，磁熱振子是與人體接觸式治療的重要部分，熱療是磁振熱治療的一部分[13-14]。由于人體皮膚一般在30℃左右才能感受到溫?zé)?，一旦溫度高?7℃就會(huì)有燙傷或灼傷的危險(xiǎn)[15-16]。這就對磁振熱理療儀的溫度控制有較高的要求，同時(shí)也對磁熱振子單元產(chǎn)熱的機(jī)制有很高的要求[17]。所以，需要驗(yàn)證該磁熱振子產(chǎn)熱是否符合治療溫度標(biāo)準(zhǔn)，是否可控。

本研究采用高精度測溫儀測量磁熱振子工作時(shí)的治療溫度。磁熱振子工作時(shí)將NR-81530溫度傳感器探頭置于磁熱振子治療面一個(gè)固定的地方。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為100 min，通入1.6 V交流電，經(jīng)過15次實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)該磁熱振子工作時(shí)，其溫度在上升5 min左右后將保持穩(wěn)定，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。將采集到的數(shù)據(jù)通過MATLAB進(jìn)行擬合曲線，得到磁熱振子工作時(shí)治療溫度隨時(shí)間變化過程，見圖4（由于環(huán)境溫度為22℃，則溫度傳感器傳過來的溫度起始值從22℃開始）。由此可知，該磁熱振子在工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速預(yù)熱，提供穩(wěn)定的治療溫度。

圖4 時(shí)間-溫度曲線圖Fig 4 Time-temperature graph

由渦流效應(yīng)可知，線圈中硅鋼棒的熱能與線圈中的交流電流值有關(guān)，交流電流值又受交流電壓值影響，改變磁熱振子產(chǎn)生的熱能可以通過改變線圈兩端的工作電源實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)如下：選取15個(gè)不同的交流電壓值，分別進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間100 min，記錄采集到的最大溫度值，并計(jì)算出兩組結(jié)果的平均值。通過MATLAB將交流電壓值，溫度平均值導(dǎo)入進(jìn)行擬合，得到圖5所示的電壓-溫度曲線圖。

圖5 電壓-溫度曲線圖Fig 5 Voltage-temperature graph

由圖5可知，該磁熱振子滿足磁振熱理療儀治療溫度需求（35～60℃）。磁熱振子兩端的交流電壓增大，磁熱振子的溫度也增大，呈上升趨勢，說明磁熱振子的治療溫度是可以通過其工作電源進(jìn)行控制的，可以在磁振熱理療儀中使用，實(shí)現(xiàn)安全可靠的治療。

4 作用磁場強(qiáng)度與振動(dòng)分析

4.1 磁場強(qiáng)度測量與分析

磁熱振子的磁場是由磁鐵和線圈通以交流電產(chǎn)生，磁場強(qiáng)度的大小、方向在空間的分布隨位置和時(shí)間的不同而改變，因此，治療部位磁場強(qiáng)度的表示有兩方面的困難：（1）磁場隨位置的不同而變化。如果在治療區(qū)域磁場是均勻的，各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度相等，只需用一點(diǎn)的磁場值就可表示整個(gè)治療區(qū)域的磁場強(qiáng)度，但實(shí)際上，在治療時(shí)磁熱振子周圍空間各點(diǎn)的磁場值均不相同[18-19]。（2）空間某一點(diǎn)的磁場隨時(shí)間變化。磁熱振子中磁鐵提供的是靜磁場，線圈通入交流電產(chǎn)生的是交變磁場，該磁場強(qiáng)度隨時(shí)間的變化屬于正弦波形式。本研究通過對磁熱振子波峰和波谷的磁場分布進(jìn)行測量，得到其磁場分布范圍。磁場分布是指磁熱振子在通入交流電時(shí)周圍各點(diǎn)的磁場值。

本研究使用BST600高斯計(jì)測試磁場，用其測試探頭測量磁熱振子在通入交流電后磁熱振子周圍空間各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)一：線圈通入工作電源為0 v。實(shí)驗(yàn)二：線圈通入最大工作電源AC12 V。主要觀察指標(biāo)為距離磁熱振子0.4 mm左右（該距離為磁熱振子外包裝厚度）處的磁場強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)一結(jié)果：磁熱振子磁鐵周圍的磁場強(qiáng)度為100 mT。實(shí)驗(yàn)二結(jié)果：磁熱振子磁鐵周圍的磁場強(qiáng)度最大為120 mT，最小為80 mT，線圈周圍的磁場強(qiáng)度從線圈中心向兩端增大10～20 mT。線圈周圍采樣點(diǎn)磁場分布，見表1。該磁熱振子磁場范圍為80～120 mT。

表1 磁熱振子線圈周圍磁場強(qiáng)度（mT）Table 1 Magnetic field strength around the magnetocaloric coil（mT）

4.2 振動(dòng)分析

振動(dòng)治療一般采用正弦波的形式，針對不同的病癥，所選擇的振動(dòng)頻率和振幅也有所不同。參考近些年來國內(nèi)外關(guān)于振動(dòng)治療肌肉力量、骨質(zhì)疏松以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的改善作用的研究參數(shù)，在采取區(qū)域型振動(dòng)治療的形勢下，該磁熱振子選擇振動(dòng)治療的參數(shù)頻率為50 Hz，振幅≤1.5 mm。為滿足患者不同振動(dòng)頻率、振幅的需求，可以通過改變圖3中硅鋼芯兩端厚度，改變振動(dòng)振幅，也可以通過改變電源工作頻率來改變振動(dòng)頻率，適應(yīng)不同病癥，實(shí)現(xiàn)療效最大化。

5 結(jié)論

本研究完成了一種用于磁振熱理療儀的磁熱振子的設(shè)計(jì)、原理分析和參數(shù)測試分析工作，確定了其可以通過改變工作電源進(jìn)行控制達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。其治療溫度為30～47℃；磁場范圍為80～120 mT，可以選擇不同表磁的永磁體改變磁場范圍；振動(dòng)頻率為50 Hz、振幅為≤1.5 mm，可以通過修改供電電源頻率和固定裝置置留空間，產(chǎn)生不同振動(dòng)頻率和振幅。該磁熱振子多參數(shù)可調(diào)節(jié)，能夠提供穩(wěn)定的磁、振、熱三種物理治療因子[20]，符合磁振熱理療儀的設(shè)計(jì)要求，但該結(jié)構(gòu)的穿戴方式尚需進(jìn)一步研究開發(fā)。