1.2.1. Cơ sở kỹ thuật điện châm
Điện châm là phương pháp dùng một dòng điện nhất định tác động lên các huyệt châm cứu để phòng và chữa bệnh. Dòng điện được tác động lên huyệt qua kim châm hoặc qua các điện cực nhỏ đặt lên da vùng huyệt [5].
Đây là phương pháp kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp điều trị bằng châm cứu của y học cổ truyền với phương pháp chữa bệnh bằng dòng điện của y học hiện đại. Hiện nay có 4 nhóm phương pháp điều trị điện:
1. Điện trường tĩnh và ion khí 2. Dòng điện một chiều đều.
3. Các dòng điện xung tần số thấp, điện thế thấp 4. Các dòng điện cao tần.
Điện châm sử dụng các dòng điện xung tần số thấp, điện thế thấp để đưa vào huyệt vị. Dòng điện xung này có nhiều tác dụng sinh lý, ngoài tác dụng kích thích cơ học như châm cứu, điện châm còn có thêm các tác dụng của dòng xung điện như:
35
- Tác dụng kích thích: nhờ vào sự lên xuống của cường độ xung (độ dốc lên xuống càng dựng đứng bao nhiêu thì kích thích càng mạnh). Tần số sử dụng cho kích thích thường có tần số thấp, khoảng 5-6 xung trên một giây.
- Tác dụng ức chế cảm giác và giảm trương lực cơ. Tác dụng này đến nhanh khi tần số xung lớn hơn 60Hz. Tần số gây ức chế tốt nhất là 100-150Hz.
Trên thực tế, có nhiều dạng xung kích thích được sử dụng. Mỗi loại xung có một tác dụng kích thích khác nhau:
- Dòng Faradic (xung gai nhọn): có tác dụng kích kích mạnh. Tuy nhiên nếu dùng lâu thì gây ức chế.
- Dòng Leduc (xung hình chữ nhật): tuỳ tần số, thời gian xung và thời gian nghỉ mà có tác dụng hưng phấn hay ức chế mạnh hơn.
- Dòng Lapicque (xung hình lưỡi cày, độ dốc thoai thoải): ứng dụng tốt với những trường hợp cơ và thần kinh đã bị tổn thương.
- Dòng Bernard (xung hình sin): ứng dụng tốt cho những trường hợp cơ và thần kinh bị tổn thương. Dòng 50Hz có tác dụng kích thích trội hơn, dòng 100 Hz có tác dụng ức chế trội hơn.
Từ những tác dụng của các dạng xung điện mà điện châm được sử dụng với nhiều chức năng:
+ Để kích thích các cơ, chữa bại liệt, dùng cho phục hồi chức năng, chữa đau mỏi cơ.
+ Dùng để chống đau khi cần giảm đau hay gây tê trong phẫu thuật.
+ Tăng cường tuần hoàn ngoại vi, khi có hiện tượng co thắt mạch, phù nề, sung huyết tĩnh mạch…
+ Dùng để điều chỉnh trạng thái thần kinh, sử dụng cho mát sa, chữa đau đầu, cai nghiện…
36
Ngoài dạng xung kích thích, việc kích thích còn phụ thuộc vào cường độ xung và độ rộng của xung kích thích. Mối quan hệ giữa hai yếu tố này như trên hình 1.18.Khi xung có độ rộng hẹp thì cường độ xung phải mạnh để có được hiệu quả trị liệu. Và ngược lại, khi xung độ rộng lớn thì không cần cường độ xung lớn [5], [6].
Hình 1. 18 Đường cong cường độ xung và độ rộng xung.
Hình 1.18a cho thấy quan hệ giữa cường độ xung tối thiểu ứng với độ rộng xung cần thiết để bắt đầu có được sự kích thích. Hình 1.18b cho thấy ngưỡng kích thích của cơ vận động (A), cơ thần kinh cảm giác () cũng như cơ thần kinh cảm thụ đau (A hoặc C). Mỗi cơ khác nhau thì ngưỡng kích thích cũng khác nhau, nhưng độ rộng xung cực đại nằm trong khoảng 0,5 ms.
Hình 1.19 và 1.20 miêu tả một số loại máy điện châm phổ biến trên thị trường hiện nay
37
Hình 1. 20 Máy điện châm của Trung Quốc KW-808
1.2.2. Cơ sở kỹ thuật siêu âm trị liệu
Siêu âm trị liệu là một dạng điều trị bằng nhiệt giúp điều trị một số dạng đau mãn tính và cấp tính. Một dòng điện có tần số phù hợp được đưa tới bộ chuyển đổi hoạt động theo hiệu ứng áp điện. Bộ chuyển đổi sẽ chuyển tín hiệu điện thành dạng sóng siêu âm.Sóng này sẽ được đưa vào cơ thể để điều trị [5], [6].
Trong siêu âm trị liệu, tần số sử dụng từ 0,8 đến 1MHz cho điều trị vùng sâu và tần số khoảng 3MHz cho điều trị vùng bề mặt (độ sâu tối đa có thể lên tới 5 cm) và cao hơn cho trị liệu da. Sóng siêu âm khi được đưa vào cơ thể làm cho các phân tử trong các mô chuyển động, do đó tạo ra nhiệt và năng lượng cơ học.Hiệu ứng trị liệu của sóng siêu âm là tạo ra nhiệt độ tại các vùng cơ cần điều trị. Năng lượng này trong các máy trị liệu ở mức trung bình khoảng 1,5 W/cm2 - 4W/cm2. Năng lượng cơ học của sóng siêu âm được chuyển thành năng lượng nhiệt theo phương trình:
C=2AI (J/cm3) Trong đó:
C là nhiệt lượng tạo ra I là cường độ siêu âm A là hằng số suy giảm
38
Do khả năng đâm xuyên của siêu âm nên nó có thể làm nóng các cơ và sử dụng để điều trị cho các mô cơ, gân, dây chằng, khớp và xương. Có 2 dạng sóng siêu âm được sử dụng trong trị liệu là sóng liên tục và dạng xung siêu âm. Dạng xung được ứng dụng trong các loại điều trị không cần hiệu ứng nhiệt như điều trị viêm cấp tính hay chăm sóc các vết thương.
Siêu âm trị liệu được sử dụng rộng rãi trong điều trị tổn thương xương, sẹo và giúp giảm co các dây chằng.Nó còn được sử dụng để điều trị các chứng viêm cơ, viêm khớp.Trong thần kinh, siêu âm được sử dụng để điều trị các chứng dây thần kinh bị chèn ép, các loại viêm dây thần kinh và các tổn thương do chấn thương. Siêu âm trị liệu cũng được sử dụng kết hợp với điện châm để tăng hiệu quả điều trị.
Về nguyên lý, sóng cơ học với tần số siêu âm được tạo bởi một bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi này thường có cấu tạo là một đĩa gốm áp điện hoặc vật liệu áp điện đơn tinh thể có đường kính vài cm. Khi đưa một điện áp xoay chiều vào hai cực kích thích, do hiệu ứng áp điện nghịch sẽ tạo ra sự co dãn liên tục. Độ dày của đĩa bằng một nửa chiều dài bước sóng tại tần số mà bộ chuyển đổi hoạt động.
Khi đưa tín hiệu điện cưỡng bức có tần số trùng với tần số hoạt động của bộ chuyển đổi sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng, đĩa gốm sẽ rung với biên độ lớn nhất. Tín hiệu điện kích thích có thể được đưa vào để tạo ra sự rung cơ khí theo chiều dày, theo chiều rộng hoặc phát xạ nếu đĩa gốm hình trụ. Một số hằng số vật lý đặc trưng cho gốm áp điện là:
- Hằng số tần số= tần số cộng hưởng (Hz). Bước sóng (m)
Ví dụ bộ chuyển đổi sử dụng vật liệu có hằng số tần số là 1960 tương ứng với điện áp kích thích cho miếng gốm ở chế độ rung theo chiều dày, tần số cộng hưởng là 1MHz, chiều dày của đĩa gốm là: 1960(m.Hz)/(1000.10-6)=1,960mm.
- Hệ số chuyển đổi điện cơ = SQR(năng lượng cơ tạo ra/năng lượng điện đưa vào)
39
Hệ số này đặc trưng cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Chất lượng gốm càng tốt thì hệ số này càng cao. Bộ chuyển đổi sử dụng trong thiết bị của đề tài có hệ số chuyển đổi là 0,68.
- Hằng số biến dạng=độ biến dạng/điện áp đưa vào
Hằng số này đặc trưng cho quan hệ giữa độ biến dạng của gốm với điện áp đưa vào để đạt được độ biến dạng đó. Đơn vị đo của hằng số là m/V. Bộ chuyển đổi trong đề tài có hằng số biến dạng là 317.10-12 m/V.
- Hệ số phẩm chất Q. Đặc trưng cho chất lượng của bộ dao động cơ học tại tần số cộng hưởng.
Hình 1.21, 1.22, 1.23 mô tả một số máy siêu âm trị liệu hiện nay:
40
Hình 1. 22 Máy SI190 của Hà Lan
41
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ MÁY TRỊ LIỆU ĐA NĂNG SATL 1.0 2.1. Yêu cầu thiết kế
Đặc thù của công tác trị liệu sử dụng trong y tế đó là kết hợp trị liệu bằng kích thích điện hoặc kích thích bằng nhiệt vào huyệt. Do đó, máy trị liệu đa năng SATL 1.0 là một thiết bị y tế được thiết kế cho các phòng trị liệu, phục hồi chức năng trong các bệnh viện, trung tâm y tế hoặc trong gia đình… Máy tích hợp hai chức năng đó là kích thích điện và siêu âm trị liệu.
Máy có hai kênh ra, một kênh cho điện châm và một kênh cho đầu ra siêu âm. Ba chế độ phát xung của điện châm là xung cố định, xung ngắt quãng, xung co giãn có thể thay đổi biên độ và tần số xung. Do đó thích hợp với nhiều hình thức điều trị và với nhiều dạng bệnh nhân. Máy cũng có thể sử dụng nhiều dạng điện cực như điện cực kẹp kim để châm cứu hay điện cực dán dùng cho massage…Tần số ra cho siêu âm đáp ứng 1MHz với biên độ từ 30V đến 60V.
Hệ thống điều khiển xung ra bằng vi điều khiển, do đó rất mềm dẻo trong quá trình thay đổi các thông số. Mạch điện có cấu trúc gọn nhẹ, phần mềm có thể cập nhật đơn giản qua giao diện USART.
Ngoài ra máy còn có màn hình hiển thị tinh thể lỏng LCD 4 dòng x 20 cột để hiện thị menu và thông số hoạt động, giúp cho người sử dụng dễ dàng điều chỉnh các thông số cho từng bệnh nhân cũng như lưu giữ các thông số này cho các lần điều trị sau. Bàn phím được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng. Có các phím để chọn chế độ hoạt động cho điện châm, các núm điều chỉnh cường độ điện châm và cường độ siêu âm.
2.2. Sơ đồ khối và hoạt động
2.2.1. Sơ đồ khối máy SATL 1.0
42
Hình 2. 1 Sơ đồ khối máy trị liệu SATL1.0
Khối nguồn là mạch cung cấp toàn bộ năng lượng cho máy. Khối nguồn chỉnh lưu điện lưới xoay chiều xuống các 1 chiều cung cấp cho các phần của máy hoạt động.Thực hiện giao tiếp với người dùng là khối điều khiển và hiển thị. Khối này nhận lệnh từ người dùng đưa tới khối Vi điều khiển, từ đó vi điều khiển đưa ra tín hiệu điều khiển các khối đầu ra điện châm và siêu âm. Các khối này tác động lên bệnh nhân thông qua các điện cực bệnh nhân và đầu phát siêu âm
2.2.2. Khối nguồn
Nhiệm vụ của mạch cung cấp nguồn là tạo ra năng lượng cần thiết để cung cấp cho các thiết bị làm việc. Thông thường nguồn năng lượng do bộ nguồn tạo ra là nguồn một chiều lấy từ nguồn xoay chiều hoặc từ pin acquy
Sơ đồ khối của nguồn hoàn chỉnh:
43
2.2.2.1. Các mạch chính trong khối nguồn
2.2.2.1.1. Mạch chỉnh lưu cầu
Hình 2. 3 Mạch chỉnh lưu cầu
Hình 2. 4 Đồ thị mạch chỉnh lưu cầu
Mạch chỉnh lưu dùng 4 Diode D1, D2, D3, D4 với biến áp nguồn không có điểm giữa và làm việc theo nguyên lý sau: Ở ½ chu kỳđầu của điện áp vào U2 có chiều dương trên âm dưới D1, D3 dẫn D2, D4 khóa có dòng qua tải:
+U2→D1→Rt→D3→-U2. Ở ½ chu kỳ sau thì ngược lại. Ta có điện áp trung bình trên tải được xác định
44
2.2.2.1.2 Máy biến áp
Máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp AC 220V xuông nguồn điện áp AC với mức biên độ thấp hơn tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể. Máy biến áp có thể dung loại lõi sắt từ hoặc loại lõi sắt Ferit, thông thường loại biến áp nguồn âm tần ta thường sử dụng loại biến áp có lõi là sắt từ. Hình vẽ cấu tạo và ký hiệu của biến áp nguồn âm tần được mô tả như hình 2.5
Hình 2. 5 Hình dáng máy biến áp cảm ứng
Phần sơ cấp và phần thứ cấp của máy biến áp có quan hệ về hiệu điện thế theo công thức sau:
=
Với Us là điện áp đặt vào cuộn thứ cấp, Up là điện áp đặt vào cuộn sơ cấp Ns là số vòng cuộn thứ cấp, Np là số vòng cuộn sơ cấp.
45
=
Công suất máy biến áp tính theo công thức:
= .
Nhưng do có tổn hao về từ trong quá trình truyền (làm nóng máy biến áp khi hoạt động) nên hiệu suất sử dụng của biến áp bị suy giảm, hiệu suất thực tế của biến áp là
=
Với biến áp âm tần ta có hệ số truyền đạt μ= 0.85 có nghĩa là 85% năng lượng sẽ truyền tải từ sơ cấp sang thứ cấp còn lại 15% năng lượng sẽ bị tiêu tán dạng nhiệt.
2.2.2.1.3 Cầu nắn
Điện áp sau khi qua biến áp vẫn là điện áp xoay chiều vì vậy ta phải biến đổi thành điện áp một chiều. Muốn vậy ta phải dung diode để thực hiền quá trình nắn điện xoay chiều thành điện áp một chiều. Dựa vào đặc tính dẫn điện của 2 lớp chất bán dẫn P-N(diode) mà ta có thể nắn điện áp từ xoay chiều thành một chiều.
Việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều có nhiều phương pháp như ½ chu kỳ, cả chu kỳ, chỉnh lưu cầu, trong những loại đó lại có chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển.
Trong máy SATL 1.0, khối nguồn có chức năng tạo ra các điện áp một chiều từ điện xoay chiều cấp cho các mạch khác. Điện áp xoay chiều 220V được đưa vào sơ cấp biến áp nguồn. Tại đầu ra thứ cấp, điện áp xoay chiều 12V và 24V được đưa vào 2 mạch điện, một mạch điện tạo ra điện áp 15V, 12V, 5V cấp cho vi điều khiển và các mạch khuếch đại, một mạch tạo ra điện áp 30V thay đổi được cấp cho mạch siêu âm.
46
Mạch nguồn 15V, 12V và 5V
Hình 2. 6 Sơ đồ mạch nguồn 15V, 12V và 5V
Mạch nguồn này tạo điện áp +15V, +12V và +5V cấp cho vi điều khiển và các mạch khuếch đại. Điện áp vào mạch được lấy từ cuộn thứ cấp 12V xoay chiều của biến áp nguồn.Điện áp này được nắn qua cầu chỉnh lưu D1 và được lọc bởi tụ C2. Điện áp sau khi lọc có giá trị +15V được cấp cho IC khuyếch đại vi sai lối vào ở mạch ổn áp 30V. Điện áp +15V được đưa tới IC ổn áp U1, LM7812 là IC ổn áp 12V, điện áp +12V này được lọc bởi tụ C3 và C5. Điện áp +12V tạo ra bởi U1 được sử dụng cho mạch điện châm.Điện áp +12V được đưa tới IC ổn áp U3, LM7805 là IC ổn áp 5V. Lối ra của U3 được lọc bởi tụ lọc nguồn C4 và tụ lọc nhiễu C7. Điện áp +5V được sử dụng cho mạch vi điều khiển.
Tính điện áp: Giá trị Udc được đưa vào IC ổn áp 7812 là điện áp trung bình của mạch chỉnh lưu cầu: Thay vào có 12V= ∫ => Uₒ2= 18V 1 2 J1 12V Supply Vin 1 G N D 2 Vout 3 U1 LM7812 +12 C2 1000uF 25v A C 1 V + 2 A C 3 V - 4 D1 BRIDGE2 +15 C3 100uF C5 0.1uF Vin 1 G N D 2 Vout 3 U3 LM7805 C4 100uF C7 0.1uF +5 1 TP7 +5V
47
2.2.2.2. Mạch nguồn 30V
Mạch nguồn này tạo điện áp một chiều thay đổi được từ 10-30V cấp cho mạch công suất siêu âm.
Điện áp xoay chiều 24V từ thứ cấp biến áp được nắn qua cầu và lọc bởi tụ C1.Điện áp một chiều ra được đưa tới Q7, một phần đưa tới lối vào của IC khuếch đại so sánh LM 358.Điện áp ra trên Q7 được phản hồi về thông qua R1 và P1, đưa tới chân âm của LM358. Lối ra của LM358 được đưa vào chân base của Q8 để điều khiển đóng mở Q8. Khi điều chỉnh P1, điện áp phản hồi về sẽ được khuếch đại qua LM358, điện áp này làm Q8 mở ít hoặc nhiều, dẫn đến điện áp trên Colector của Q8 cao hoặc thấp hơn, hay điệp áp đặt trên Base của Q7 cao hoặc thấp đi. Do đó điện áp colector của Q7 hay điện áp ra thay đổi khi thay đổi P1.