第二章低频电疗机

第二章低频电子治疗机第一节概述低频治疗、中频治疗和高频治疗，通称电疗。这是一种利用电能转换成各种治疗能的治疗方法。随着科学技术的发展，在生物学、电生理学和临床医学的基础上，人们不断将各种性质，即不同频率，不同波形，不同持续时间的电流，应用在理疗治疗上，构成了现代的电疗学，使之成为理疗学中的一个重要组成部分。直流电流对人体的作用取决于它在组织中引起的物理、化学变化，而离子、水分及胶体点的转移是这种变化的基础。直流电流对人体的作用是多方面的的，例如：改变人体组织离子浓度、改变末梢血管的动力学、神经系统产生反应和对个别器官产生影响等。本章所要介绍的低频治疗机所产生的低频电流，能对运动神经肌肉产生作用、对感觉神经产生作用，对植物神经产生作用和对全身产生影响等。理疗上的低频治疗机，是指能产生频率为0～1000Hz交流电（包括直流和各种脉冲电流）的治疗机，包括直流、感应治疗机，低频脉冲治疗机，磁疗机等类型。直流电是一种方向和大小都不随时间而变化的电流，直流电作用于人体时能引起一系列物理化学反应，使体内的离子、胶体质点和水分朝一定的力向移动，即产生电解、电泳和电渗现象，从而发挥各种生理作用。由电磁感应原理产生的感应电流是一种双向、不对称的尖形脉冲电流。日前，大多数感应治疗机是应用电子线路产生的模拟感应电流，具有类似感应电流中的高尖部分而无低平部分的尖波电流，如狡窄的矩形波、三角波、锯齿波等等。低频脉冲治疗机能输出各种波形或波组的脉冲电流，这种电流对感觉与运动神经系统具有强刺激作用，所以又称为刺激治疗机。脉冲治疗机的品种繁多，通常按输出波形分为间动治疗机、多波形治疗机和综合治疗机三类，但它们之间并没有严格的差别。利用磁场的生物效应达到治疗的目的，为磁疗机。有静磁场治疗机和动磁场治疗机两类。动磁场治疗机—般都是应用电磁转换原理来获得脉冲磁场或交变磁场，磁场变化的频率均在低频范围之内。直流及低频电疗机可分为直流电疗机、感应电疗机、间动电疗机和脉冲电疗机等数种，现分别介绍如下。1．直流、感应电疗机直流电疗机和感应电疗机是单独的两种电疗机。目前绝大部分厂家已将这两种机器综合组装在一起，称为直流感应电疗机。也有人将其称为点送治疗机。由于物理治疗中，电兴奋疗法是综合应用感应电和直流电来治疗疾病的一种方法，所以直流感应电疗机除保留了直流电疗机和感应电疗机各自原有的特长外，还给电兴奋疗法带来了极大的方便。直流感应电疗机可进行直流电疗法、直流电离子导入疗法、感应电疗法、电兴奋疗法、电体操和直流—感应电诊断。2．间动电疗机和低频脉冲电疗机临床上以往使用的间动电疗机，由于电路全部采用电子管器件，线路较老，已被淘汰，这里主要介绍采用晶体管线路的间动电流部分。间动电流的主要作用是止痛、促进周围血液循环和调节神经肌肉的紧张度。低频脉冲电疗机分为小型和大型两种，小型低频电疗机主要用于神经肌肉的电刺激疗法；大型低频脉冲电疗机除用于治疗外，还可进行时间—强度曲线电诊断（如多形波电疗机）。第二节直流感应治疗机一、对直流感应治疗机的基本要求1．对直流输出的要求在医学上，利用直流电的电解作用，能够引起各种电生理反应，或用离子渗入法，将不同的药物导入机体，发挥其药理作用而治疗各种疾病。为了安全起见，直流电压一般控制在80～100v以下，电流为50～00mA以内。如果是利用直流高压电场作静电治疗（高压静电治疗机），直流电压可达60～70kV（电极间空载电压），但电流很小，最大不超过2mA，甚至在微安级数字，以保证人身安全。直流电疗法要求平稳的直流。因为有波动则引起刺痛感，势必得降低电流，影响治疗效果，所以要求直流电的波纹因数r＝0.1～0.5％，波纹因数的定义为：直流成分或平均值有效值电压或电流的交流成分r2．对感应输出的要求最早的感应输出是根据电磁感应原理而产生的感应电流，这是一种低频率、双向不对称的尖形脉冲。脉冲宽度为5～1ms，脉冲频率为30～100Hz。随着电子技术的发展，上述波形的产生更多地采用了其它的电子元件和电路。但是，只要满足上述波形要求的，仍然叫做“感应”治疗机。这里的“感应”具有一种广义的概念。医学上，低频感应电流可用来诊断运动神经和肌肉的病理状态，刺激瘫痪的肌肉，以及引起电致睡眠。二、产生直流、感应输出的基本方法（一）直流输出现代理疗设备中，要获得直流输出，一般都取自交流电源，通过变压、整流这样一个交流变直流的过程，最后获得比较平稳的直流，而很少从直流电源获得直流输出。从交流电源获得直流输出的方框图如图2-1所示。交流电源电源变压器整流器滤波器配电器指示器极性开关直流输出图2-1直流输出框图下面对各个环节扼要介绍如下。电源变压器的作用，是将市电220V交流电压变成满足设计要求的各种电压数值。比220V高的叫升压，比22DV低的叫降压。初、次级电压和电流与线圈匝数的关系如下：IIVVNN122121式中Nl、N2分别为初、次级的匝数；Vl、V2分别为初、次级电压；Il、I2分别为初、次级电流。整流器是将交流电变成直流的设备。在直流电疗机中，为了输出足够的功率，并满足波纹因素的要求，一般采用单相全波整流或桥式整流这两种整流方式，整流元件可以用晶体管二极管，也可以用电子管二极管。图2-2是单相全波整流方式，图（a）是用电子管作整流元件，图（b）是用晶体管作整流元件，图（c）是两者的电流、电压波形。图2-3是单相桥式整流方式，图（a）是电子管式，图（b）是晶体管式，图（c）是两者的电压波形。以上两种整流方式，在负载上都可以得到脉动电流输出。由于电路简单，限于篇幅这里不作详细介绍。（c）图2-2单相全波整流图2-3单相桥式整流直流治疗机的滤波器一般采用π型滤波器，如图2-4所示，或RC滤波器，如图2-5所示。这两种滤波器的滤波效果都比较好，使输出直流中的波纹因数能够达到0.1～0.5％的要求。除了上述两种常用的滤波器外，有的机器采用如图2-6所示的电子滤波器，这种滤波器的滤波效果是π型滤波器的数百倍。它是利用晶体三极管的输出特性做成的。从晶体三极管的输出特性曲线看出，在一定的基极偏流条件下，当晶体管的“集—射”极之间的电压稍大以后（约大于1V左右），“集—射”极之间的电压Vce很大变化，只能引起集电极电流Ic很小的波动，集电极电流几乎不随Vce的变化而变化。由直流电阻R的定义：IVRcce，及交流电阻IVRcce看出，晶体三极管对交流呈现很大的电阻，而对直流则有很小的电阻。电子滤波器就是利用晶体管的这一特性做成的。图2-6中，Rb为偏置电阻，Cl是输入基极电流的滤波电容，以保证输入端得到一个稳定不变的基极电流。当输入端电压有较大的波动时，由于晶体管对交流成分呈现很大的电阻，而输出端又有对交流呈现很小阻抗的滤波器电容C2与负载RL并联，所以交流电压基本上降落在晶体管的“集—射”极之间；而对直流成分来说，晶体管呈现很小的电阻，滤波电容相当于开路，直流电压基本降落在负载电阻RL上。由此可见，晶体三极管在这里充当了一个很好的滤波装置，所以称它为电子滤波器。它与普通的RC和LC滤波器相比，既能保证良好的滤波性能，又避免了RC滤波器所引起的大量直流损耗及LC滤波器那样笨重、造价较高的缺点。图2-4π型滤波器图2-5RC滤波器图2-6电子滤波器一台直流治疗机在滤波器后还有一些简单的附属器件。有输出电压可调的电位器，有输出电流的指示电表，还有改变直流电压极性的双刀双掷开关，然后才将直流电通过电极输出。（二）感应输出要得到低频率，狭窄尖形脉冲的“感应”电流输出，通常采用的有五种方法，分别介绍如下。1．感应线圈的产生方法这是感应电疗机最原始的一种方法，这种感应电流是根据电磁感应原理而产生的，所以又叫做法拉第电流。原理如图2-7所示。图2-7感应电流发生器图中1是开关，2是初级线圈，3为振子小锤，4为直流电源，5是软铁棒，6是电容器，7是次级线圈，8是电位器，9是输出感应电流端子（可接病人）。原理如下：当开关1闭合之后，电源4经开关1，初级线圈2和振子3，组成一个闭合回路，即在初级线圈中有直流电流通过，软铁棒成为磁铁，吸引振子锤3。当吸上振子锤时，振子就与其后面的螺丝尖端断开，切断了电流，磁棒5失去磁力，振子锤借振子的弹性又回到原处与螺丝尖相接触，电路又闭合，因而又重复上述过程。也就是初级线圈时而通电时而断电，则磁场也相应地变化。而在次级线圈7和电位器8两端则产生感应电动势。按照楞次定律，初级线圈闭合时，在电路中产生反向自感电动势，因而电流强度上升慢，铁棒中的磁通量的变化率也小，次级的感应电动势也小；而在初级电路断开瞬间，初级电流变化率很大，磁通量的变化率也很大，因此，次级的感应电动势也很大（线圈中的感应电动势大小与通过该线圈磁通量的变化率成正比）。为了增大感应电动势，就要设法使初级线圈切断得快，所以增加了电容器6，当初级断开瞬间，初级线圈的自感电动势和电源方向相同，在振子和螺丝尖之间的空气隙上加有很高的电压而形成了电弧放电，大大地减小了电流的切断速度，降低了次级的感应电动势；另一方面，电弧放电的结果，也易使振子与螺丝尖之间产生高温而融蚀和接触不良，影响电路的正常工作。在此接点上并接电容器6以后，情况大大地改善。初级切断瞬间，对应电流的高频成分，电容器的容抗趋于零，使振子和螺丝尖之间的气隙上不出现高压，没有电弧产生，此时电容器很快充电。由于充电时间常数很小（电容很小，充电电阻也很小），充电速度很快，使电路很快断开。与不用电容器相比较，大大加快了电流的切断速度，提高了输出的感应电压。上述分析看出，次级感应电压在初级断路期间比通路期间要大得多，形成了宽度很窄的尖形脉肿，如图2-8所示。图2-8次级感应电压如果只注意到有使用价值的断路时产生的尖脉冲（通路时产生的感应电压很小，相对来说可以忽略，所以有的机器在次级线圈两端接线柱上标有“+”和“-”的符号，这仅是近似地把法拉第电流看成是脉冲直流。医用感应电流的脉冲持续时间（指初级断路瞬间产生的幅度很大的尖脉冲）一般为1.5～2.5ms，脉冲频率为60～80Hz，空载时的电压有效值为40～60V。2．多谐振荡器产生“感应”电流的方法在现代的感应治疗机中，更多的是应用电子管或晶体管构成的各种电子电路来产生“感应”电流的。虽然从原理上和感应线圈产生的方法有着本质上的差别，但输出的波形和频率却基本上相似，所以仍然沿用“感应”电流这一历史名词，但这种“感应”电流决不是应用电磁感应原理所产生的。自激多谐振荡器是一个矩形波发生器。如果这种矩形波输出经过一个微分电路之后，就可变成一系列正、负相间的尖脉冲．如图2-9（a）所示。但是多谐振荡器的实际输出波形不可能是理想的矩形波。比如“集—基”耦合多谐振荡器，若开关元件是采用锗管的话，矩形波的上升沿（对应管子由截止到导通）陡直，而下降沿变化缓慢（对应管子由饱和到截止，是受与集电极相连的电容器充电所造成的），所以微分后，正脉冲幅度大，负脉冲幅度小，如图2-9（b）所示。同理若开关元件是硅管，矩形波的上升沿变化缓慢，而下降沿变化陡直，所以微分后，正脉冲幅度小，而负脉冲幅度大，如图2-9（c）所不。因此看出，由多谐振荡器再经微分后的输出波形与感应线圈产生的输出波形十分相似。图2-9微分波形3.锯齿波发生器产生“感应”电流的方法利用锯齿波发生器也可以产生相似的“感应”电流输出，如图2-10所示。图2-10锯齿波发生器图中LP是一个充气的辉光放电管（氖管），起辉电压为E1，熄灭电压为E2。和电容C、电阻R、电源E共同组成一个锯齿波发生器。当电源接通以后，电容C按时间常数τ＝RC所决定的指数规律充电，其端电压Vc上升到辉光管LP的起辉电压El时，LP起辉而导通，电容器C通过辉光管很快放电，因LP起辉后的内阻r很小，故放电时间常数τ’＝rC也很小，放电速度很快。当电容电压Vc下降到LP的熄灭电压E2以下时，辉光管熄灭，电容器重新充电。如此循环下去，电容电压的波形如图2-11（a）所示。锯齿波的频率由电阻、电容、电源及辉光管的起辉电压、熄灭电压等因素共同决定。当除电容外的其它因素确定以后，通过改变电容，就可得