光電理療儀電路故障排除及光輻射污染控制

安文博， 李 明

(1.首都醫(yī)科大學(xué) 附屬北京康復(fù)醫(yī)院，北京 100010；2.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124)

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展，醫(yī)療領(lǐng)域的各種器械層出不窮，其中，應(yīng)用性與普遍性較高的光電理療儀，更是在該領(lǐng)域中占有重要的一席之地.在治療階段內(nèi)，該儀器通過發(fā)射短射程、高速運動的電子流[1]，采用超導(dǎo)、熱敏和螺旋磁場效應(yīng)，達(dá)到治愈的目的，其射程均值大約1 mm，最遠(yuǎn)可達(dá)2.2 mm，所以，除了被治療器官之外，并不會對周圍組織或其他器官產(chǎn)生任何的影響，其作為治療甲狀腺疾病的理想器械，具備治療簡易、無副作用、治療效果明顯、并發(fā)癥少以及復(fù)發(fā)率低等顯著優(yōu)勢.光電理療儀多數(shù)情況下被用于對藥物過敏、反復(fù)復(fù)發(fā)、不愿手術(shù)或無法進(jìn)行手術(shù)、哺乳的婦女以及兒童等疾病患者.

由于光電理療儀對推動醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展起著非常重要的作用，因此，本文對光電理療儀電路故障排除及光輻射污染控制進(jìn)行探究.通過對常用光電理療儀的特征分析，得到其電路運行原理，依據(jù)主要集成塊的振蕩元件及振蕩頻率，獲取頻率振蕩器的頻率信號，根據(jù)萬用表測得的電源輸出電壓值與集成電路外部引線的各電壓值，確定電路故障點；基于光輻射污染的影響因素，總結(jié)得到相關(guān)的控制方法.

1 光電理療儀類型分析

光電理療儀不僅廣泛適用于腰椎間盤突出癥引發(fā)的多種并發(fā)癥，而且在治療炎癥性、感染性疾病方面，具備一定的優(yōu)越性，其主要是采用處于人體吸收窗口的波長，通過半導(dǎo)體激光光束對患處光化、刺激以及熱作用與體內(nèi)生成中頻干擾內(nèi)生電流，實現(xiàn)疾病穿透性的高效治療.針對不同種類的疾病，應(yīng)采用不同類型的光電理療儀，當(dāng)前常用的光電理療儀共有以下四種.

1.1 推車式光電理療儀

推車式光電理療儀如圖1所示，構(gòu)成部分有主機(jī)、帶有不同數(shù)量激光輸出頭的大小探頭和皮膚電極等，規(guī)格為600 mm×500 mm×1 000 mm(不含搖臂)，具有方便靈活、應(yīng)用場地不受限等特點，可以對腰椎間盤突出癥引發(fā)的腰腿痛病患，進(jìn)行點與面的全方位輔助治療，但此類儀器并不適用于存在以下情況的患者：裝有心臟起搏器或患處有金屬物；高血壓、心臟病、呼吸疾病嚴(yán)重；體內(nèi)有脊椎結(jié)核[2]、惡性腫瘤；患處皮膚神經(jīng)異常、起疹或損傷；患有高熱、出血性疾病、精神性疾病、表達(dá)障礙疾病；孕婦.

1.2 C臂型光電理療儀

C臂型光電理療儀如圖2所示，構(gòu)成部分有主機(jī)、帶有3個激光輸出頭的大探頭和皮膚電極等，規(guī)格為2 200 mm×1 800 mm×1 900 mm(包含床體)，其不需高壓電源，在低電壓狀態(tài)下即可正常運轉(zhuǎn)，且不會生成冗余熱量，因不用冷卻，所以省去了水循環(huán)冷卻裝置[3]，從而防止出現(xiàn)一般激光器因零件損壞或故障導(dǎo)致的停機(jī)問題，而中頻干擾電則由電腦自動控制，并存在多種治療模式，此類儀器的適用范圍與不適用情況與推車式光電理療儀相同.

1.3 其他型光電理療儀

其他光電理療儀主要有ZGD-3000五代光電理療儀和康威牌光電理療儀兩種，如圖3所示.

圖3所示儀器主要采用光電療法治療疾病，由于照射不會產(chǎn)生不可逆性的損傷，安全系數(shù)較高且療效顯著，因此，近幾年在歐美和日本國家受到了極大的推崇，該儀器的適用范圍同前兩種.

2 光電理療儀的電路故障排除

2.1 理療儀電路原理

為了更好地描述光電理療儀的電路原理，圖4以型號為ZGD-3000的光電理療儀為例，介紹其電路的工作原理.(a)為電源區(qū)域的各個開關(guān)、電阻、電源指示燈等的示意圖；(b)為電路區(qū)域的電路的走向，電阻、變壓器等的示意圖.

從圖4可知，將理療儀的電源接入220 V電壓中，關(guān)閉開關(guān)K，經(jīng)過限流電阻[4]R11的電源指示燈D2亮起，電源電壓的高低可以通過電源指示燈的亮度進(jìn)行判斷；濾波電容表示為C8，振蕩三極管V1的基極偏置電阻用R1與R2來表示，鐵氧芯變壓器是B1和B2，其中的一個振蕩電路就是由B1變壓器與振蕩三極管[5]V1架構(gòu)而成，把直流電壓轉(zhuǎn)換成交流高壓后，采用D1將交流電變?yōu)槊}動的直流電，即可獲取到直流電壓，電路里u1、u2和u3這3個集成塊的電源供給就來源于此.其中，型號為CD4060的集成塊u1，屬于電路結(jié)構(gòu)的核心部分，是一種14位二進(jìn)制的串行計數(shù)/分頻器，該集成塊振蕩部分的構(gòu)成元件有R5、R6以及C4，式(1)所示為振蕩頻率[6]的計算公式：

(1)

式(1)中的頻率信號輸出部分為u1的9腳.與此同時，經(jīng)過12級分頻[7]后，能夠得到一定頻率的信號，其計算公式如式(2)所示：

(2)

最后，由u1的1腳進(jìn)行輸出.復(fù)位控制端(RESET)是12腳，其要依據(jù)分頻情況實施接地處理，剩下的所有腳都呈現(xiàn)懸空狀態(tài).

型號為CD4069的集成塊u3，是六非門集成電路，該集成塊的兩個頻率振蕩器均由u3本身及其周圍的阻容組件架構(gòu)而成：一個構(gòu)成元件是R10、R11以及C6，頻率表示為f2；一個組成部分是R7、R8、R9、D3以及C5，頻率表示為f3.

而型號為CD4011的集成塊u2，則為兩輸入端四與非門[8]的集成電路，其振蕩信號f1的輸入端為12腳，若12腳的信號電源為正半周，則f3可以由13腳進(jìn)入，經(jīng)11腳實施倒相后進(jìn)行輸出；如果12腳的信號電源為負(fù)半周，那么f3就無法從處于高電平狀態(tài)的11腳完成輸出.從本質(zhì)上說，f1就像一個開關(guān)信號，對高頻信號f3的導(dǎo)通和截止實施著調(diào)制與控制.f1對f2的控制效用同理.

2.2 理療儀故障檢測

針對電源電壓與電路的故障，可以采用靜態(tài)檢測進(jìn)行故障排除，其中，電源電壓的故障檢測通過萬用表[9]即可實現(xiàn)，根據(jù)萬用表測量的電源輸出電壓值與集成電路外部引線的電源、地線電壓值，完成故障判定；電路故障檢測時，要先將電路設(shè)定為輸入狀態(tài)，然后按照真值表，對電路性能進(jìn)行檢測.一旦發(fā)現(xiàn)問題，就要進(jìn)行反復(fù)測量，當(dāng)電路處于固定故障的狀態(tài)時，利用萬用表對電路的輸入、輸出電壓進(jìn)行測量，通過判定兩者之間的邏輯關(guān)系，明確出現(xiàn)的故障點.

靜態(tài)工作下理療儀電路的正常輸入、輸出電壓值統(tǒng)計如表1所示.

表1 基于靜態(tài)工作的正常電壓值

在故障排除過程中，應(yīng)取下元件進(jìn)行檢測，否則，易與其附近元件的阻值進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，產(chǎn)生不準(zhǔn)的檢測結(jié)果，通過對比正常元件數(shù)值與測量數(shù)值，明確元件存在故障與否.

由于一個元件的損壞，很容易引發(fā)其他元件的故障，因此，故障排除時需要特別注意.

3 光電理療儀的光輻射污染控制

雖然光電理療儀的光源照射能夠使體內(nèi)的細(xì)胞線粒體[10]得到很好的能量補(bǔ)充，刺激細(xì)胞生物活性，讓患處實現(xiàn)自身代謝與生長，但是，其帶來的光輻射污染也是不可小覷的.當(dāng)光電理療儀的光輻射過量生成或附帶的干擾性較強(qiáng)時，就會對人體健康產(chǎn)生不良影響，其中，視力是遭受危害的主要方面.光電理療儀發(fā)出的紫外線輻射與紅外線輻射，是導(dǎo)致光輻射污染形成的重要因素.

表2所示為光輻射污染強(qiáng)度劃分等級，當(dāng)光輻射的指數(shù)超過5時，表明其強(qiáng)度超過10 W/m2，此時產(chǎn)生的光輻射應(yīng)列入重點防控對象中.

表2 光輻射強(qiáng)度劃分等級

根據(jù)光輻射污染的形成原因與表2中數(shù)據(jù)，總結(jié)出以下幾種相關(guān)的控制策略：

(1)光束應(yīng)采用可以形成二次逸散的照射形式：因為二次逸散所生成的光輻射污染，大幅度低于直接逸散與反射逸散兩種形式，所以，改變照射形式是控制光電理療儀光輻射污染最有效的途徑，因此，采用二次逸散的照射形式，能夠極大程度降低光輻射污染.

(2)光束與人體的合理傾角，有助于減少光輻射污染：當(dāng)光束的反射面與人體構(gòu)成一定的傾角時，可以大大縮小二次光反射逸散的面積，且反射面多靠近儀器內(nèi)部表面，從根本上對光輻射污染進(jìn)行了有效的控制.

(3)其他光輻射污染控制方法：通過給理療儀的探頭添加燈罩，減少光束的輻射量，從而提升光輻射污染的控制性能，但該方法極有可能對理療儀的治療效果產(chǎn)生一定的負(fù)面影響.

4 仿真實驗

4.1 實驗環(huán)境

仿真實驗平臺為MATLAB軟件的R2013版本，采用64位Windows XP操作系統(tǒng)，Intel Core i5-3470 CPU，8GB運行內(nèi)存，光纖光譜儀選用荷蘭生產(chǎn)的AvaSpec-2048TEC-USB 2.0熱電制冷型CCD探測器.

4.2 電路故障排除精準(zhǔn)度分析

利用靜態(tài)測試對光電理療儀實施電路故障排除，選取電路中10個元件管腳[11]進(jìn)行10次對地電阻檢測，測量記錄如表3所示，基于對地電阻的故障排除柱形圖如圖5所示.

表3 元件管腳對地電阻故障檢測統(tǒng)計表

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)和圖5可以發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)檢測能夠?qū)崿F(xiàn)光電理療儀電路故障的準(zhǔn)確排除，所有故障排除完全的試驗有五次，最低的準(zhǔn)確率也高達(dá)83.33%，而且只有兩次.

為了進(jìn)一步驗證故障排除的準(zhǔn)確性，對靜態(tài)下的元件電壓進(jìn)行故障檢測，根據(jù)元件輸入、輸出的邏輯關(guān)系，判斷故障點，表4和圖6所示為10個元件管腳的10次直流電壓故障檢測結(jié)果.

表4 元件管腳電壓故障檢測統(tǒng)計表

通過表4和圖6可知，對管腳電壓進(jìn)行故障排除時，排除完全故障的情況高達(dá)6次，準(zhǔn)確率最低時也有80%.

4.3 光輻射污染控制性能分析

光電理療儀的光輻射污染控制實驗選用在零下30℃的冷庫中經(jīng)過冷凍，尺寸為50 mm×50 mm×5 mm的新鮮帶皮豬肉，對其分別采用光輻射污染控制前與控制后的光電理療儀進(jìn)行試驗，通過探測器光纖光譜儀[12]，獲取豬肉所受到的光輻射數(shù)值，從而實現(xiàn)控制性能評估.光輻射檢測也進(jìn)行了10次試驗，得到的測量結(jié)果如表5和圖7所示.

表5 光輻射測量統(tǒng)計表

根據(jù)表5和圖7的結(jié)果可知，光輻射污染控制的實施有效地將輻射強(qiáng)度從較強(qiáng)轉(zhuǎn)換為較弱，且呈倍數(shù)下降，極大程度地降低了輻射強(qiáng)度，以減少對人體健康的傷害.

5 結(jié)論

隨著醫(yī)療領(lǐng)域的日漸完善，光電理療儀穩(wěn)步邁入了廣泛應(yīng)用與普及的發(fā)展階段，但與此同時也有一系列問題隨之而來，所以，本文就電路故障排除與光輻射污染控制兩個方面，對光電理療儀進(jìn)行探究.根據(jù)較為常用的各類光電理療儀特點，分析其電路的工作原理，基于各集成塊的構(gòu)成組件，計算出相應(yīng)的振蕩頻率，通過萬用表對電源輸出電壓值與集成電路外部引線各電壓值的測量，實現(xiàn)電路中故障位置的明確；依據(jù)光輻射強(qiáng)度的影響因子，取得對應(yīng)的污染控制策略.該方法在一定程度上推動了光電理療儀的技術(shù)革新，為今后的理療儀技術(shù)發(fā)展奠定了良好的理論基礎(chǔ)，但在以后的研究中，需要根據(jù)最新的發(fā)展動態(tài)和技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)一步降低光輻射污染，為工作人員提供更加優(yōu)良的環(huán)境.