理疗类的医疗器械的一个分支，对其进行优化设计刻不容缓。对此，谌晖等为解决康复理疗器存在的电路不稳定的问题，在进行数据传输分析的基础上，结合嵌入式DSP控制方法，设计了一种用于儿科护理肺功能康复理疗器。实验结果表明，该理疗器电路可靠性高，输出稳定性良好[1];丰洁等针对当前康复治疗仪存在的位姿精度低，电信号覆盖不全面的问题，通过PLC控制，对产科护理康复治疗仪进行了优化设计，通过优化设计使得使用者能够实现更大范围的髋关节康复活动，一定程度上提升了康复治疗的效果[2];胡艳利等为实现更好的桌面手指康复训练，在初始的手指屈伸康复装置的基础上，通过改变其内部结构，实现对装置的优化设计，一定程度上提升了桌面手指康复治疗的效果[3];孙利等基于FBS拓展模型，设计了一款可穿戴式康复机械手，通过扩展模型的映射求解策略能够使得机械手的结构更加合理，进而有效提升用户的使用体验[4]。

以上研究可知，当前理疗器械普遍存在输出不稳定以及抗干扰能力差的通病。而目前，针对盆腔理疗仪的研究中，也只是部分针对理疗仪的美学结构进行优化[5,6]。针对该问题，本研究针对盆腔炎理疗仪存在的抗干扰能力差以及结构设计问题进行优化设计，并通过实验验证其效果。

1、不规则孔阵拟合模型

考虑到盆腔炎理疗仪在电磁干扰的环境中工作，本研究主要就盆腔理疗仪的电磁干扰问题进行研究。在盆腔炎理疗仪的抗电磁干扰设计中，理疗仪的机身孔隙设计与抗电磁干扰能力的相关性较大[5,6]。为提高用于妇科护理的盆腔炎理疗仪的电磁干扰能力，以提高理疗仪的使用体验，尝试从理疗仪机身的孔阵结构入手进行电磁屏蔽的优化设计。

1.1 不规则孔阵等效建模思路

在电磁干扰环境中，机身小孔的数量和大小关系对理疗仪的电磁屏蔽性能影响较大，不同的小孔数量与大小的组合会使得理疗仪的电磁屏蔽性能存在差异。因此，本研究首先构建不规则孔阵的等效物理模型[7],在以此模型为基础进行屏蔽性能的优化研究，模型的构建过程如图1所示。

图1 不规则孔阵等效物理模型的构建过程   

屏蔽效能的计算公式为：

式中，Ei、Hi表示导体板一侧监测点处的入射电场和入射磁场。

1.2 模型构建

在等效模型构建中，首先进行等效单孔的计算，具体步骤如下：

(1)在频段0～5GHz内进行不规则孔阵导体板与同面积单孔导体板的小孔位置的S参数计算，参数包括S1、S2;

(2)使用优化设计模块进行等效单孔尺寸的计算，计算过程如图2所示。

图2 等效单孔直径优化设计过程   

在进行尺寸求解的过程中，将尺寸的优化条件设置为Goal-S2=0,再通过Trust Region Framework与Genetic Algorithm优化算法仿真得到最终的目标场强曲线的单孔尺寸，以等效尺寸与原尺寸的比作为单孔的放缩比[8,9]。

通过计算和统计后发现，将原小尺寸缩小71.6%后，得到的小孔有着近似的屏蔽性能，根据此对应关系，得到如表1所示的各不规则孔阵与其等效单孔的对应关系。

表1 不规则孔阵参数与缩小比例的对应关系

分析表1可知，不规则孔阵的小孔尺寸、数量以及缩小比例之间存在一定的函数关系，近似看作指数函数与三角函数的叠加，三个参数之间的函数关系为：

式中，n表示小孔数量；β表示等效单孔的缩小比例；S0表示不规则孔阵的总面积。

2、基于电磁兼容和造型的盆腔理疗仪机身孔阵优化

在完成不规则孔阵等效物理模型的构建后，本研究通过电磁兼容以及造型的两方面的设计对理疗仪的机身孔阵进行优化设计，以实现对不同类型电磁干扰进行屏蔽性能优化设计。

2.1 基于最优屏蔽效能的孔阵结构分析

2.1.1 等效极化系数

圆形开孔的电、磁极化系数的解析公式可表示为：

式中，r表示圆形小孔的半径。

在进行不规则孔阵电磁耦合问题的解决时，可通过在等效模型上将多孔的电、磁极化系数求解问题转换为单孔类型的求解。转换过程如下：

根据等效系数β,由：

同时，根据式(3)～(5),可得到等效圆形小孔的电、磁极化系数，分别为：

2.1.2 屏蔽效能解析模型

根据式(1)可得知，在电磁波垂直入射不规则孔阵金属板时，金属板的屏蔽效能计算公式应为：

当平面TE极化波斜入射时，屏蔽效能的计算公式为：

当平面TM极化波斜入射时，屏蔽效能的计算公式为：

λ为入射波的波长； S表示入射对应的屏蔽面积。

2.2 美学特征约束的孔阵优化

在机身孔阵优化时，除考虑理疗仪的电磁屏蔽效能，还应同时考虑仪器内部的通风散热。因此，在基于最优效能的孔阵结构设计的基础上，结合仿生学与设计几何学进行通风散热孔的造型结构设计[10,11]。关于散热孔阵的造型主要有以下三种方案：

(1)从扇喉蜥表皮鳞片结构中可以得到启发，通过对其表皮结构进行提取，再进行一定的几何计算，可将表皮鳞片排列成黄金分割比例矩形式样，以此作为通风散热孔阵的参考基础，如图3所示。

图3 蜥蜴表皮结构仿真   

(2)参考长鼻螺的螺层结构，对长鼻螺进行形态提取，根据提取到的结构进行形态仿生设计，如图4所示。

图4 长鼻螺仿生   

(3)在参考松果的形态，对其记性形态特征的提取，再根据设计几何学进行散热通风孔阵的结构设计，如图5所示。

图5 松球仿生   

3、实验验证与结果分析

3.1 实验环境搭建

在对盆腔炎理疗仪的通风散热孔的电磁屏蔽性能测试时，使用的测试方法为小窗法，配置仪器包括小窗法屏蔽效能测试箱、AV3629D微波矢量网络分析仪以及信号发射与接收喇叭，搭建测试平台如图6所示[12,13]。

图6 小窗屏蔽效能测试系统   

使用小窗法进行屏蔽效能测试时，能够保证测试系统不会出现电磁波再次反射的情况，进而消除被测导体边缘效应的影响[14]。

3.2 拟合模型验证

在进行不规则控制的等效物理模型的构建时，通过可靠性验证将模型的均方差确定为0.004 5,确定系数为0.926 6,以此构建的拟合模型能够满足分析要求。

在进行拟合模型的构建时，仅对不规则孔阵的面积进行了改变，因此，在构建得到的拟合模型中，不规则孔阵的总面积以及纳入了考虑。但拟合模型用于屏蔽性能的优化设计时，面积并不是决定其适应性的唯一因素[15]。因此，对拟合模型构建过程中尚未涉及的不规则孔阵周期面积、导体板材质、干扰源与小孔形状等参数进行变化分析，以进一步验证模型的适应性。

在进行验证实验时，以上述参数中的其中一个参数为自变量，其他参数保持不变，分别多次地验证拟合模型的适应性。

在实验选择的CST微波工作室中，通过对不规则孔阵的导体板屏蔽性能对拟合模型的适应性进行验证，实验结果如图7所示。

数值方法对比结果如图7(a)所示。观察图中的变情况可知，原不规则孔阵与拟合模型结果拟合情况良好，几乎完全重合，表明本研究所构建的拟合模型具有较高的精确度。

将拟合模型的周期面积作自变量，将其分别扩大至900 cm2和1 600 cm2,进行屏蔽效能分析，实验结果如图7(b)所示，观察图中的变化情况可知随着模型的周期的面积增大，拟合模型的精度并未发生明显的变化，表明了本研究所构建的拟合模型的精度不受周期单元面积影响。而在相同的开孔面积下，随着周期面积的增加，不规则孔阵导体板的屏蔽效能随之增加。

以不规则孔阵导体板厚度为自变量，分别对比厚度t=1 mm和t=0.001 mm两种情况下的屏蔽效能结果，实验结果如图7(c)所示，观察图中两种厚度的屏蔽效能的变化情况可知，不同的导体板厚度下，其屏蔽效能与拟合模型几乎一致，表明导体板的厚度无需特意加厚，出于经济性考虑，可将其厚度设置为满足设计条件的较小数值。

将导体板的材质作为自变量，对比在不同的导体板材料下，不规则孔阵导体板屏蔽效能以及拟合模型受到的影响。在进行实验时，将不规则孔阵导体板的材质由理想导体改为理疗仪机身材质steel1010,实验结果如图7(d)所示，观察图中的屏蔽效能的变化情况和拟合模型的变化模型可知，材料的变化对于屏蔽效能与拟合模型并不存在明显的影响，因此，在进行不规则孔阵导体板等效物理模型的构建时，可直接使用拟合模型进行等效单孔缩放比例的计算。

图7 拟合模型的验证  

以不规则孔阵的小孔形状为自变量，探究不同的小孔形状下，拟合模型受到的影响情况。在进行实验时，选择的小孔形状包括圆形、正方形以及长方形，分别进行实验，实验结果如图8所示。观察图中拟合模型的变化情况和孔阵等效前后的屏蔽性能可知，拟合模型在小孔的形状发生变化时能够迅速适应，同时还可以得到，不同的小孔形状下，孔阵的屏蔽效能从高到低排序为圆形、正方形和长方形孔阵，且长方形不规则孔阵导体板的屏蔽效能最低。这是由于电磁波在透射带孔导体板时发生小孔耦合的程度取决于孔的最大尺寸，孔的最大尺寸越大，耦合后的电场强度就越高。

通过以上实验结果可以得出，本研究所构建的拟合模型能够实现对不规则孔阵的物理等效，同时还能保持较好适应性。

图8 不同小孔形状下拟合模型的适应性验证   

3.3 屏蔽效能解析验证

为了验证在进行屏蔽效能解析式构建的正确性，分别，从导体板物理模型参数与干扰源两个方面进行实验分析。在解析式的构建时，解析模型中不含有孔阵周期边长比变量，在此验证不规则孔阵屏蔽效能受孔阵周期边长比的影响，实验结果如图9所示。

图9 周期边长对屏蔽效能的影响   

从图9中可以得知，不规则孔阵导体板的屏蔽效能并不受周期边长的影响，因此，在进行解析式的构建时，可忽略孔阵周期边长比的设置。为了便于计算，可直接令孔阵周期边长比为1。

通过前文的分析可知，模型的屏蔽效能受到开孔尺寸和单元面积改变的影响。为验证两种参数对模型屏蔽效能的具体影响，通过改变单元面积并同时采取解析与数值两种计算方法作对比，对比结果如图10所示。从图10中可以得知，在不同的周期面积下，解析与数值方法结果基本一致，且随着周期面积的增加即减小导体板开孔率，屏蔽效能明显增加。

图10 周期面积对屏蔽性能的影响   

3.4 电磁屏蔽实验

为测试本研究进行仿生设计对理疗仪的具体影响，在不同的频率和电磁入射角度下对孔阵的屏蔽效能进测试。如图11所示为蜥蜴表皮仿生设计方案的仿真结果。

图11 蜥蜴表皮仿生设计方案  

从图10可以得知，当电磁波垂直入射时，蜥蜴表皮仿生设计方案在2.5 GHz左右时，屏蔽效能最低，约为24.5 dB;当电磁波以45 °斜入射时，对应频点处的屏蔽效能可达到37 dB左右。

同时分析以上结果可知，蜥蜴表皮仿生设计使得孔阵开孔率较高，有利于通风散热，同时将降低孔阵的电磁屏蔽性能；孔阵中各小孔的孔径尺寸从中心至两侧逐渐减小，这样能够提高位于孔阵中心涡轮散热扇的工作效率，同时增加孔阵边缘处的电磁屏蔽性能；当电磁波斜入射时，孔阵在中间频段内的屏蔽效能变化较小，屏蔽性能较为平稳。

图12为针对长鼻螺仿生设计方案的屏蔽效能测试。

图12 长鼻螺仿生设计方案   

从图12中可以得知：在2.5 GHz左右时频点处垂直入射屏蔽效能可达27.5 dB;在同样的频段下，斜入射时的屏蔽效能为44.20 dB。同时观察不同的电磁波的入射方式下孔阵的SE值可知，长鼻螺仿生设计方案在电磁波斜入射时能够保持较高的电磁屏蔽效能；小孔交叉排列并遵循减小孔径、增加小孔数量的原则，在保证开孔率的同时有助于增大孔阵屏蔽效能。

如图13所示为松球仿生设计方案的屏蔽效能测试结果。

从图13可以得知：当电磁波垂直入射时，在2.45 GHz左右的频点处屏蔽效能约为31.2 dB;在同样的频段下，电磁波以45 °斜波入射时，同一频点处SE值约为43.6 dB。松球仿生设计方案的孔阵排列遵循斐波那契数列与螺旋形规律，在2 GHz～4 GHz频段内无，孔阵的屏蔽效能SE值均变化不大，且屏蔽性能较好。孔径尺寸从中心向外依次递增，且同样符合减小孔径与增加孔数的原则，尤其孔阵中心位置处小孔更为密集，可配合散热扇以保证较好的通风散热性。

图13 松球仿生设计方案  

3.5 屏蔽效能实验

为测试本理疗仪在不同屏蔽方法下的屏蔽效能，在不同的电磁波入射角度下的屏蔽效能进行测试，测试结果如图14所示。

图14 不同设计方案下的屏蔽效能对比  

从图14中可以得出，在1 GHz～4 GHz频段内，电磁波以垂直方式入射时，松球仿生设计方案具有最优的屏蔽性能最优同时还能够保持平稳；当电磁波以斜入方式入射时，长鼻螺仿生设计方案具有最优的电磁屏蔽性。

在高频段内，在测试的两种入射方式下，长鼻螺仿生设计方案的屏蔽性能均高于其他方案；在低频段下，电磁波以斜入方式入射时，松球仿生设计方案的屏蔽效能最高，而电磁波以垂直方式入射时，各方案的电磁屏蔽性能基本相同。

4、结语

综上所述，研究通过将最优屏蔽性能结构设计与基于美学特征的孔阵设计相结合，能够有效提高用于妇科护理的盆腔炎理疗仪对电磁干扰的屏蔽效能，以提高盆腔理疗仪的稳定性，进而有效提高用户的使用体验。但在进行理疗仪的不规则孔阵设计时，单一的小孔形状已经不能满足实际需求，因此，在后续研究中可探究更加多样的小孔形状。

参考文献:

[1]谌晖,陈沛伟,金婉君,等.基于嵌入式DSP电路的儿科护理肺功能康复理疗器设计[J].自动化与仪器仪表,2021,(11):200-203.

[2]丰洁,尚桂冉.基于PLC自动助力的产科护理康复仪优化设计[J].自动化与仪器仪表,2022,(3):110-113+118.

[3]胡艳利,付晓莉,胡盛龙.桌面手指屈伸康复装置优化设计[J].轻工科技,2021,37(10):50-53.

[4]孙利,张鹏,吴俭涛,等.基于FBS拓展模型的可穿戴式康复机械手设计研究[J].图学学报,2021,42(1):150-157.

[5]高宇.基于认知负荷的老年人家用理疗仪界面设计研究[D].江苏:江苏大学,2022.

[6]仝小冬.融合感性与功能结构的超短波理疗仪机身设计方法[D].郑州:中原工学院,2022.

[7]刘天熙,周海峰,王瀚,等.仿生学在船舶设计上的应用[J].广州航海学院学报,2020,28(3):17-20+55.

[8]王怡翔,李姮,王家怡,等.四种智能仿生学算法的无人机航路规划应用对比[J].装备制造技术,2022,(8):106-109+114.

[9]蒋旭珂,翁占坤,曹亮,等.三光束激光干涉诱导向后转移制备金纳米结构及其SERS特性[J].光学精密工程,2020,28(2):405-414.

[10]孙斌,吴天航,张松,等.HIRF环境下飞机复合材料燃油箱屏蔽效能研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2020,43(9):1197-1202+1228.

[11]张子恒,田杨,王彩霞.基于XFDTD的箱变开孔金属外壳雷电电磁脉冲防护[J].太赫兹科学与电子信息学报,2020,18(5):863-869.

[12]田宏,汪秀琛,刘哲,等.袖口对电磁屏蔽服装袖部区域屏蔽效能的影响[J].针织工业,2020,(10):57-61.

[13]田宏,刘哲,汪秀琛,等.铁氧体微粒对电磁屏蔽织物屏蔽性能的影响[J].棉纺织技术,2020,48(9):32-37.

[14]高莹,刘让同,李亮,等.镀银织物双层叠放模式与电磁屏蔽效能增量研究[J].材料科学与工艺,2023,31(1):71-78.

基金资助:湖北省药护技和管理项目(WJ2018H0023);

文章来源:汪莎,王明祎.面向妇科护理用的盆腔炎理疗仪优化设计[J].自动化与仪器仪表,2023(11):295-299+303.