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，上海200093；2.上海健康醫(yī)學院，上海201318；3河南省醫(yī)療器械檢驗所，鄭州450000）

1 引 言

隨著物理治療的廣泛運用與臨床專家學者的共同努力，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、溫熱治療與微振動治療結(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，根據(jù)磁鐵同異性原理，極性相反的相鄰磁鐵相互吸引導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)生特有的非機械振動[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、熱量三種物理治療因子。但該結(jié)構(gòu)體積大、重量大，且預熱時間長，使用極為不便[6]。另一種磁熱振子是由定片、動片、屏蔽壓板及屏蔽外蓋組成，通過定片對動片吸引實現(xiàn)振動，線圈產(chǎn)生磁場，硅鋼片渦流效應發(fā)熱而得到三種物理因子。該結(jié)構(gòu)預熱快、體積小，但其磁場范圍單一，振動效果差，在運用過程中磁場、溫度、振動三種物理參數(shù)不能同時獨立調(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、振動效果好、價格低廉的磁熱振子，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)生機制，確保可以得到安全、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

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，可以實現(xiàn)快速預熱并提供穩(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)境與振動環(huán)境；固定裝置有上下殼兩部分，由化學性質(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，即其上下振動的振幅≤1.5 mm，見圖3。

圖1 磁熱振子實物圖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，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，且硅鋼棒處于交變磁場中，交變的磁通量使硅鋼棒中產(chǎn)生感應電流，形成渦電流并由渦流效應產(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

磁熱振子的含芯線圈輸入交流電，根據(jù)法拉第電磁感應定律，電生磁，磁生電，通電后硅鋼棒中將產(chǎn)生渦流，導致硅鋼棒迅速升溫。其工作原理為，當線圈中通入交流電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，取得的交變磁通最大值。因此可求得感應電動勢為：

式（2）中，N為線圈的匝數(shù)。故，感應電動勢的有效值為：

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的值是由感應電動勢與回路中的阻抗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）。

線圈通過導線傳遞輸入交流電，繼而線圈中由法拉第電磁感應定律產(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產(chǎn)生的熱量，Ia為渦流效應產(chǎn)生的電流有效值。

2.3 線圈磁場計算

磁熱振子中含芯線圈是一種軸對稱結(jié)構(gòu)的線圈，當忽略電流的螺旋性以及線間距離時，可以認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，本研究應用畢奧-薩法爾定律推導出一種比較簡單的圓形線圈軸線磁場的方法來計算線圈上的磁場。

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相距z的線圈元在線圈軸上任一點z處的磁場強度為：

由式（7）在（-?，?）上對z進行積分即可得到含芯線圈在軸上任一點處的磁感應強度公式：

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，磁場強度減弱。即當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℃左右才能感受到溫熱，一旦溫度高于47℃就會有燙傷或灼傷的危險[15-16]。這就對磁振熱理療儀的溫度控制有較高的要求，同時也對磁熱振子單元產(chǎn)熱的機制有很高的要求[17]。所以，需要驗證該磁熱振子產(chǎn)熱是否符合治療溫度標準，是否可控。

本研究采用高精度測溫儀測量磁熱振子工作時的治療溫度。磁熱振子工作時將NR-81530溫度傳感器探頭置于磁熱振子治療面一個固定的地方。每次實驗時間為100 min，通入1.6 V交流電，經(jīng)過15次實驗測量，發(fā)現(xiàn)該磁熱振子工作時，其溫度在上升5 min左右后將保持穩(wěn)定，直至實驗結(jié)束。將采集到的數(shù)據(jù)通過MATLAB進行擬合曲線，得到磁熱振子工作時治療溫度隨時間變化過程，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能夠?qū)崿F(xiàn)快速預熱，提供穩(wěn)定的治療溫度。

圖4 時間-溫度曲線圖Fig 4 Time-temperature graph

由渦流效應可知，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現(xiàn)。實驗如下：選取15個不同的交流電壓值，分別進行兩組實驗，實驗時間100 min，記錄采集到的最大溫度值，并計算出兩組結(jié)果的平均值。通過MATLAB將交流電壓值，溫度平均值導入進行擬合，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行控制的，可以在磁振熱理療儀中使用，實現(xiàn)安全可靠的治療。

4 作用磁場強度與振動分析

4.1 磁場強度測量與分析

磁熱振子的磁場是由磁鐵和線圈通以交流電產(chǎn)生，磁場強度的大小、方向在空間的分布隨位置和時間的不同而改變，因此，治療部位磁場強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，各點的磁場強度相等，只需用一點的磁場值就可表示整個治療區(qū)域的磁場強度，但實際上，在治療時磁熱振子周圍空間各點的磁場值均不相同[18-19]。（2）空間某一點的磁場隨時間變化。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，該磁場強度隨時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周圍各點的磁場值。

本研究使用BST600高斯計測試磁場，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的磁場強度。實驗一：線圈通入工作電源為0 v。實驗二：線圈通入最大工作電源AC12 V。主要觀察指標為距離磁熱振子0.4 mm左右（該距離為磁熱振子外包裝厚度）處的磁場強度。實驗一結(jié)果：磁熱振子磁鐵周圍的磁場強度為100 mT。實驗二結(jié)果：磁熱振子磁鐵周圍的磁場強度最大為120 mT，最小為80 mT，線圈周圍的磁場強度從線圈中心向兩端增大10～20 mT。線圈周圍采樣點磁場分布，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度（mT）Table 1 Magnetic field strength around the magnetocaloric coil（mT）

4.2 振動分析

振動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)域型振動治療的形勢下，該磁熱振子選擇振動治療的參數(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，改變振動振幅，也可以通過改變電源工作頻率來改變振動頻率，適應不同病癥，實現(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、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行控制達到動態(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)計要求，但該結(jié)構(gòu)的穿戴方式尚需進一步研究開發(fā)。