專利名稱：非侵入式電磁場治療骨質疏松的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用電磁場對骨質疏松進行非侵入式治療的方法和裝置。
骨質疏松是一種多發性疾病，其特征是骨量減少、骨組織微細結構受損，導致骨骼脆性增加，骨折危險性升高。骨質疏松患者遭受輕微外力即可發生骨折，即非暴力性骨折。
治療骨質疏松的方法之一是藥物治療，常用的藥物包括雌激素、降鈣素、甲狀旁腺素、雙膦酸鹽、氟化物等。這些藥物不僅昂貴，而且長期療效欠佳，并且還無一例外地具有副作用。例如，目前醫學界最為推崇雌激素替代療法，但是，婦女患者長期服用后有約30％出現了子宮內膜增厚等癌樣病變。迄今為止，尚無一種安全、顯效的用于治療骨質疏松的藥物。
另一種治療方法是向人體施加電磁場，從而達到治療骨質疏松的效果。20世紀50年代以來，人們對電磁場對人體骨骼的作用機理進行了廣泛的研究。到1989年，Bassett較系統地對該方面的研究成果進行了總結，肯定了電磁場的治療效果，初步從理論上提出了電磁場影響骨組織修復行為的機理，即電磁場可以改變活組織的電和/或化學環境，影響和修正組織的生長、修復和維持行為。
向人體施加電磁場的方式按所加電磁場的性質可以分為直流、交流和交直流復合場三種。如果按照施加的方法則可以分為侵入式和非侵入式兩種。侵入式方法是在人體內置入電極，在電極上施加電場。這種方法不僅需要復雜的手術，而且患者存在感染的危險。非侵入式方法則是用體外裝置在組織中導入電場和電流。同侵入式方法相比，非侵入式方法簡單易行，而且十分可靠，容易為患者所接受。
非侵入式療法又分為電阻式、電容式和電感式三種方法。第一種方法是電阻式，該技術是將一對電極通過導電膠連接在病人皮膚表面，在電極上施加電壓，從而在組織內部產生電流。該方法要求電極和皮膚之間要有良好的電接觸，并須經常更換導電膠。第二種方法是電容式，即將一對電極平行相對地放置在所要治療部位的兩側，電極同病人的皮膚絕緣，在電極上施加電場，從而在組織中產生電流。但該方法的缺陷是兩個電極之間存在空氣間隙，當頻率很低時導致一個很大的容抗，外加的電勢絕大部分降在空氣間隙上，而高頻情況下由于電磁集膚效應同樣不適合治療目的。另外，病人皮膚和電極之間的這個很大的容抗隨兩者之間的距離而改變，不易精確控制。第三種方法是電感式，即讓交變電流經過一個磁場線圈，電流在線圈中和周圍空間產生交變磁場，該磁場作用于人體組織，在組織中產生電場和電流。
美國專利No.5267939公開了兩種非侵入電感式骨質疏松治療裝置。一種是繃帶便攜型，可用于腿部等長骨部位的局部治療。另一種是大尺寸螺線管型，用于全身性治療。該專利所提出的繃帶型僅適用于局部治療，因為兩個電磁鐵平行相對放置，近似等效于亥姆霍茲線圈，磁力線被局限于兩個相對的磁極面之間的區域中。而螺線管型雖然可用于全身治療，但其磁力線是沿著人體縱軸方向分布，不能產生有利于骨組織生長的負電位。另外，治療中人頭部也處于磁場中，存在遭受損害的危險。同時，這種設計結構上非常笨重、制造成本高。
中國專利申請公開說明書CN1100659A提出一種將磁場施加于人體大范圍的磁療儀。該裝置包括一個吊于人體上方的蓋，一個支撐所述蓋使之處于水平狀態的支架。蓋中具有多個排列成陣列形式的螺線管。加電后，所有螺線管產生的磁場均朝一個方向，從而產生大面積垂直穿透人體的磁場。該裝置不僅笨重復雜、造價高，而且磁場同時也作用于人的頭部，存在對人體造成損害的可能。
可見，現有技術在實現對全身性治療的方法上存在嚴重的偏見，錯誤地認為只有讓治療磁場輻照全身才能進行全身性治療。而基于該錯誤認識所設計的用于全身性治療的裝置不僅笨重、復雜、造價高，而且易于對人的頭部產生不良影響。
本發明的目的是提供一種非侵入式電磁場治療骨質疏的方法和裝置，按照該方法和裝置可以大大提高治療效果，從而可以不需進行全身性輻照就能達到全身性治療效果。
根據本發明的一個方面，提供了一種非侵入式電磁場治療骨質疏松的方法，包括步驟提供一個電磁場發生裝置；將所述電磁場發生裝置設置在靠近待治療人體的感受性敏銳部位分布密集的區域；通過所述電磁場發生裝置產生一個用于治療的電磁場，使該電磁場穿過所述區域，通過刺激這里的感受性敏銳的部位，改善全身的氣血運行，調節生理功能，以治療骨質疏松。
根據本發明的另一個方面，提供了一種非侵入式電磁場治療骨質疏松的裝置，包括用于產生治療電磁場的線圈，所述治療電磁場線圈由多組獨立繞組組成，各繞組平行排列，依次連接在一起，同名端位于同一側，通以電流時，各繞組產生的磁場平行分布，互相疊加，在治療線圈周圍空間產生基本均勻的電磁場。
按照本發明的方法和裝置，電磁場施加于人體中諸如任脈、督脈等經絡、穴位等感受性敏銳部位集中分布的區域，不僅可以增加骨礦含量，提高骨密度，而且，還可以顯著改善骨的微觀結構，提高其力學強度。具體地說，就是能抑制骨小梁蛻變的趨勢，即抑制骨小梁變細、變薄、間隙擴大的趨勢，通過生成新骨痂，使斷裂的骨小梁重新連接，改善骨小梁斷裂和不連續的特征，抑制并逆轉骨質疏松的趨勢。從而，與現有技術相比，治療效果大大提高，不必進行全身性輻照即可達到全身性治療效果。同時，還避免了對人頭部的輻照，極大地提高了其安全性和可靠性。此外，與現有技術相比，本發明的裝置成本低、耗電省、使用方便。
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
圖1是電磁場治療骨質疏松裝置的原理框圖。
圖2是根據本發明的治療線圈的總體結構示意圖。
圖3是如圖2所示的根據本發明的治療線圈的電路連接圖。
圖4是根據本發明的治療線圈的裝配圖。
圖5是根據本發明的治療線圈的磁場分布示意圖。
圖6是根據本發明的治療裝置的一個實施例的電子線路的示意圖。
圖7是根據本發明的治療裝置的一個實施例的功率放大器部分的電子線路圖。
圖8是如圖7所示的根據本發明的治療裝置的一個實施例的功率放大器的輸出波形的振幅頻譜圖。
下面首先從微觀上給出電磁場與生物體的作用機理。我們知道，電磁場對帶電粒子施加洛侖茲力F→=qE→+q(v→×B→)]]>在洛侖茲力的作用下，當電磁場的頻率和強度滿足以下關系時，會改變諸如Ca2+、Mg2+、Na+、F-、Cl-等離子的通道和活性，改變其與酶的結合幾率，從而影響到離子的逆濃度運輸fc/B=q/(2πm)其中，fc是磁場頻率，B是磁場強度，q是荷質比，m為粒子質量。
鈣離子在成骨細胞中的濃度比胞外體液中高，從能量角度講處于一個高能級狀態。考慮到細胞膜的勢壘，可以認為胞內的鈣離子處于亞穩態狀態。正常情況下，鈣離子的輸運應從高濃度一側向低濃度一側。鈣離子的逆濃度運輸，即從穩態到亞穩態的運輸，需要克服細胞膜勢壘。外加的電磁場正是通過為鈣離子提供克服能量勢壘的能量，改變了鈣離子的輸運方向，使之從胞外一側輸運到胞內一側，從而增加成骨細胞內鈣離子的含量，提高骨密度。這種能量并非由電磁場直接提供，而是通過ATP水解提供的，電磁場只不過起到了加速ATP水解的作用。
現有技術中的電磁場骨質疏松治療方法和裝置正是基于以上認識設計的。
我國傳統醫學認為，電磁場作用于人體經絡、穴位等感受性敏銳的部位，可以疏通經絡，使氣血疏通，活血化瘀，消除氣滯血瘀和水濕停留。最新研究表明經絡穴位的生態學位置，是以結締組織為基礎，連帶其中的血管、神經叢和淋巴管等交織而成具有復雜綜合生理功能的某種生理結構。與穴位相應的深層結締組織結構中，富集有鈣、磷、鉀、鐵、鋅、錳、鉻等元素離子，尤其是鈣離子的含量要比非穴位的其他組織高數十倍甚至上百倍。而鈣離子是人體重要的第二信使物質，在人體生理活動中發揮著極其重要的作用。這正好在某種程度上與西醫的理論相一致。西醫理論認為，鈣離子在介導電磁場生物學效應中處于中心地位，胞內鈣離子振蕩對于電磁場刺激細胞基因表達、蛋白質合成、細胞導電性及膠原分泌起重要的調控作用。
本發明正是從以上認識出發，使該電磁場穿過人體軀干部分任脈、督脈等經絡穴位等感受性敏銳的部位，改善氣血運行，調節生理功能，從而達到治療骨質疏松的目的。這樣，不僅可以象現有技術那樣，提高骨礦含量和骨密度，更重要的是，還可以改善骨的微觀結構，即通過在骨小梁斷裂部位微骨折處形成骨痂，恢復骨小梁正常的形態和結構，提高其力學性能指標，從本質上遏止并逆轉骨質疏松的病癥，降低骨質疏松性骨折發生率，特別是腰椎和Ward三角區等處的骨折發生率。
骨改建過程中存在所謂“記憶效應”，即鈣、磷離子被破骨細胞“挖”走后，留下空陷窩，而成骨細胞將試圖把新鮮的鈣、磷離子搬運到該空陷窩。但是，當成骨細胞活性不足時，難以克服能量勢壘的作用，使得鈣、磷離子不能到達挖出的空陷窩處，造成破骨后鈣、磷不能及時補充，日積月累便造成骨質疏松。本發明恰恰能克服這一癥結，從而抑制并逆轉骨質疏松癥。
下面詳細描述本發明的電磁場治療骨質疏松裝置。
圖1是本發明的裝置的原理框圖。單片機10通過RS232接口接受來自上位計算機20的數字信號，經處理后送至D/A轉換器30，再經過由兩級光電耦合器件組成的模擬信號隔離放大電路40，送入集成功率放大器OPA52150的反相輸入端。功率放大器50輸出的功率信號經過同軸傳輸線送至治療線圈60。當線圈60通以電流時，在周圍空間產生磁場。
為了準確控制治療磁場，在治療線圈60中放置有磁場傳感器70(圖中為清楚起見將磁場傳感器繪制在了治療線圈之外)。在本實施例中，使用霍爾片作為傳感器，顯然，也可采用其他類型的磁場傳感器。磁場傳感器70中通以5mA的電流，在磁場作用下，霍爾片上最高可產生16mV的電壓信號。該信號送至由三片LF356組成的測量放大器80，經兩級放大后，幅度可達3.8V。該信號經A/D轉換器ADC080990轉換為數字信號，送至單片機10進行實時控制，以確保總磁場達到所設定的強度。
如圖2所示，根據本發明的治療線圈60由多達7個繞組L1至L7連接在一起構成，從而組成一個治療平面，以在大面積內形成比較均勻的電磁場。繞組的數目顯然也可以不是7個。每個繞組有約1500匝，用0.72mm的銅漆包線9繞制在一個特制的骨架13之上而成(參見圖4)。為增強磁場，使磁力線密集排列分布，骨架13中空部分放置高磁導率的矽鋼片11，矽鋼片的總厚度可設計成恰好充滿整個繞組的中空部分，兼而增強了線圈的結構強度。
各繞組L1至L7之間的電連接為并聯形式，如圖3所示。
相鄰繞組之間的機械連接如圖4所示。在骨架13的兩端分別通過絕緣鉚釘10固定連接片3。為了不影響磁力線的分布，連接片3最好采用非導磁材料。通過轉動軸6將連接片3和相鄰繞組的相應連接片3’組合在一起，使兩個相鄰繞組可作±45°轉動。這樣可以使每個繞組貼合人體治療部位，提高治療效果。轉動軸支撐在阻尼壓力軸承8中，它可以承受左右軸向的壓力。通過調整螺母1的壓緊力，可以調整阻尼壓力軸承8的阻力，使相鄰繞組之間的阻力符合特定治療目的的要求。
為了實現相鄰繞組之間可靠的電連接，在骨架13的一端固定電子線路板12，繞制繞組的銅漆包線9的起止端焊接至電子線路板12。在電子線路板12的兩端焊接軟導線，用于與相鄰繞組的電連接。
各繞組L1至L7按照上述方式依次機械和電連接在一起。其外殼5采用上下兩個塑料殼蓋，它們通過分別呈凹凸形狀的一對鎖銷M、N定位，并用螺釘固定在一起。在本實施例中，外殼5的長為180mm，寬為110mm，厚度為25.6mm。
在繞組外殼5的內側固定有電流處理板17，在其上固定例如為霍爾片的磁場傳感器70，二者共同構成反饋電路，用于監控磁場。導線14連接在電子線路板12和電流處理板17之間，用于向電流處理板17和磁場傳感器16供電。
在本發明的線圈結構中，為使各部件在機械上緊密精確配合，采用了一系列特殊設計。轉動軸6上的A和B兩處軸肩之間的長度與骨架13的長度尺寸相適應，保證了各繞組尺寸的一致性，同時，使調整阻尼壓力軸承8上的軸向阻力變得方便穩定。外殼5內側帶有定位塊C、D、G、H，使繞組在橫向上準確定位。定位塊E、F則使繞組在縱向上準確定位。定位塊K同連接片3上的凹槽配合，同樣對繞組起定位作用。
在治療裝置工作時，線圈通以最高達3.0A的電流。該電流的平均值不為零，從而產生直流和交流復合磁場。每個繞組所產生的瞬間磁場分布如圖5所示，這樣，可以使治療磁場沿橫向穿過人體的經絡、穴位分布密集的部分。
圖6給出了根據本發明的治療裝置的一個實施例的電子線路的示意圖。線路圖主要包含單片機智能任意信號發生器、驅動及治療線圈部分、傳感及磁場檢測部分。其各組成部分及工作原理如下單片機智能任意信號發生器以單片機為核心，由89C51單片機，74LS373鎖存器，27C256EPROM存儲器，8254定時器，74LS377八D型觸發器，74LS393雙四位二進制計數器，DAC0832數/模轉換器，ADC0809模/數轉換器，74LS138譯碼器，MAX232通信接口芯片，74LS74雙D觸發器，74HC14反相器等器件組成。其中U5(27C256EPROM存儲器)通過74LS373鎖存器與89C51單片機的P0接口相連，用來存放程序。74HC14反相器與晶振組成的電路為8254定時器提供時鐘信號。74LS138譯碼器提供選通信號，用來控制各芯片的工作。74LS74雙D觸發器為ADC0809模/數轉換器提供時鐘信號，MAX232通信接口芯片通過J3插座將89C51單片機與上位計算機相連，實現串行通信。8254定時器，74LS377八D型觸發器，74LS393雙四位二進制計數器組成動態掃描電路，讀取U13(27C256EPROM存儲器)中存儲的數據。當單片機從MAX232通信接口接到來自上位計算機的指令后，在軟件程序的控制下，根據上位計算機的要求通過上述掃描電路讀取U13(27C256EPROM存儲器)中存儲的數據，經程序運算處理后變成預定的數字信號，通過DAC0832數/模轉換器轉換成模擬信號，經U16(LF356)運算放大器組成的單極性模擬電壓輸出電路輸出到驅動及治療部分。同時在程序控制下實時采集ADC0809模/數轉換器的數據，以便調整輸出電流，確保總磁場強度保持在預定范圍內。
驅動及治療部分由U17,U18，雙CF741運算放大器及雙PC817光電耦合器構成的模擬光電隔離線路，U19(OPA521)功率放大電路和治療線圈組成。A/D轉換后的單極性輸出信號經模擬光電隔離線路隔離放大后，送至功率放大器OPA521，輸出0～3A范圍內可調電流，通過J5插座與治療線圈相連，驅動線圈工作。
傳感及磁場檢測部分由霍爾磁場傳感器及測量信號調理電路組成，U20(CF741)構成的恒流源為磁場傳感器提供高穩定度的工作電流，恒流源、測量信號調理電路通過插座J6連接到霍爾磁場傳感器。磁場傳感器輸出的毫伏級信號經U21、U22、U23構成的差動電路放大后，再經U24二次放大，送入A/D轉換器實現對治療磁場強度的數據采集。
圖7給出了功率放大器部分的電路。如圖所示，功率放大器OPA521的正相輸入端接地。前級信號通過電阻R11(10k)連接到反相輸入端，反相輸入端通過兩個反向并聯的二極管接地，起保護作用。功率放大器OPA521的5、7腳連在一起，再接電阻R13(0.1Ω/3W)，作為輸出。從電路中的0點引出電流驅動治療線圈。為保證功率放大器OPA521免受治療線圈產生的高電壓的沖擊，用兩個保護二極管D8、D9連接到正負電源上。電阻R12和可調電阻W8用來調整電路的放大倍數。為防止電路自激振蕩，電容C1連接到功率放大器的輸出和輸入端，起穩定電路的作用。
圖8為該功率放大電路輸出波形的振幅頻譜圖。該波形為方波，占空比位25％，由下列傅立葉展開公式可求出其振幅頻譜圖Akm=2T∫0Ti(t)e-jkωtdt]]>從中可以看出，該波形代表的信號具有極其豐富的頻譜分布，相當于不同頻率、振幅的簡諧電磁場同時作用。電磁波在生物體的傳播速率僅比真空中的速率低一個數量級，而比生化反應的傳播速率和生物電傳導的速率高兩個數量級以上，因而電磁場在所及各點的作用是同時發生的。此外，為避免組織對固定頻率刺激產生的適應性，頻率由軟件控制在5％范圍內波動。同時，這種波動還可起到抗諧振作用，避免病人產生不適感。
需要說明的是，本發明的裝置中的治療線圈可以置于人體背部、髖部、下肢、上肢等部位，對骨質疏松進行治療。此外，本發明的方法和裝置還可用于鎮痛，消除水腫，治療軟組織損傷、骨關節病、骨不連、骨折難愈合等，并能用于促進青少年生長發育。另外，由于骨骼在人體中還具有鈣庫的作用，血鈣濃度受多種激素，如甲狀旁腺素、維生素B、降鈣素和其他局部和系統因子的調節。使用本發明的方法和裝置，可以通過對上述因子的綜合調控，降低血鈣水平，防止軟骨組織鈣化，降低心血管病、糖尿病的發病率。
權利要求
1．一種非侵入式電磁場治療骨質疏松的方法，包括步驟提供一個電磁場發生裝置；將所述電磁場發生裝置設置在靠近待治療人體的感受性敏銳部位分布密集的區域；通過所述電磁場發生裝置產生一個用于治療的電磁場，使該電磁場穿過所述區域，通過刺激這里的感受性敏銳部位，改善全身的氣血運行，調節生理功能，以治療骨質疏松。
2．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述設置步驟中，將所述電磁場發生裝置設置在靠近人體頸部至骨盆的軀干部分，以治療全身性骨質疏松。
3．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟提供一個磁場傳感器，對治療磁場進行監控，以使治療磁場達到預先設定的磁場強度。
4．根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述磁場傳感器是霍爾傳感器。
5．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電磁場發生裝置包括由多組獨立繞組組成的治療磁場線圈，各繞組平行排列，依次連接在一起，同名端位于同一側，通以電流時，各繞組產生的磁場平行分布，互相疊加，在治療線圈周圍空間產生基本均勻的電磁場。
6．根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述均勻分布的電磁場主要穿過所述感受性敏銳部位集中分布的區域。
7．根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述電磁場沿人體橫向穿過所述區域。
8．一種非侵入式電磁場治療骨質疏松的裝置，包括用于產生治療電磁場的線圈，其特征在于，所述治療電磁場線圈由多組獨立繞組組成，各繞組平行排列，依次連接在一起，同名端位于同一側，通以電流時，各繞組產生的磁場平行分布，互相疊加，在治療線圈周圍空間產生基本均勻的電磁場。
9．根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述治療線圈適合于設置在靠近待治療人體頸部至骨盆的軀干部分。
10．根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述治療線圈適合于使其產生的電磁場主要穿過所述軀干部分的感受性敏銳部位集中分布的區域。
11．根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述治療線圈設置成使電磁場沿人體橫向穿過所述區域。
12．根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述繞組繞制在特制的骨架之上。
13．根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述骨架中空部分放置高磁導率的矽鋼片，所述矽鋼片的總厚度設計成恰好充滿整個繞組中空部分。
14．根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，在所述骨架上固定印刷電路板，繞制所述繞組的導線的起止兩端焊接在所述印刷電路板上，在所述印刷電路板的兩端分別焊接有軟導線，用于相鄰繞組之間的電連接。
15．根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述骨架兩端分別固定有連接片，用于相鄰繞組之間的機械連接。
16．根據權利要求15所述的裝置，其特征在于，相鄰繞組的相應連接片是通過轉動軸連接的。
17．根據權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述轉動軸支撐在阻尼軸承中，通過調節所述阻尼軸承的阻力，可以使相鄰繞組之間的阻力符合特定的治療目的的要求。
18．根據權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述連接使相鄰繞組可作±45°轉動，從而使每個繞組貼合人體治療部位。
19．根據權利要求15所述的裝置，其特征在于，所述連接片是由非導磁性材料支撐的。
20．根據權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述繞組分別被設置在各自的塑料外殼內。
21．根據權利要求20所述的裝置，其特征在于，所述外殼內側固定有電流處理板和磁場傳感器，二者共同組成反饋電路，用于監控磁場。
22．根據權利要求20所述的裝置，其特征在于，所述外殼內側設置有多個定位塊，用于使繞組在橫向和縱向準確定位。
全文摘要
本發明公開了一種非侵入式電磁場治療骨質疏松的方法和裝置,該方法包括步驟:提供一個電磁場發生裝置;將電磁場發生裝置設置在靠近人體感受性敏銳部位分布密集的區域;通過電磁場發生裝置產生治療電磁場,使其穿過所述區域。該裝置包括治療線圈,由多組獨立繞組組成,各繞組平行排列,依次連接在一起,同名端位于同側,通以電流時,各繞組產生的磁場平行分布,在治療線圈周圍空間產生基本均勻的電磁場。
文檔編號A61N2/04GK1306869SQ0010166
公開日2001年8月8日 申請日期2000年1月28日 優先權日2000年1月28日
發明者孫多春, 沈洪, 才秀君, 高廣智, 李璜, 周棟生, 汪群 申請人:北京國際技術合作中心