CN101574556A - 基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统。它包括微机控制系统、USB接口电路及驱动信号放大电路、治疗主体、治疗床和应用软件等五部分组成。微机控制系统运行系统软件和应用软件，并通过USB接口将驱动信号传输到USB接口电路及驱动信号放大电路，驱动信号经放大电路放大后，传输到嵌入在治疗主体中的变异的亥母核磁线圈，驱动变异的亥母核磁线圈产生变化的三维磁场。该磁场作用在位于治疗主体中的治疗床上的骨质疏松患者全身。达到治疗骨质疏松症的目的。

Description

基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统

技术领域：

本发明涉及一种医疗设备，尤其是基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统。

背景技术：

目前我国约有骨质疏松症患者9000万人。相关调查资料显示，老年人骨质疏松症患病率男性为60.72％，女性为90.47％。WHO已把骨质疏松症列为仅次于心血管病的第二大公众健康问题。

骨质疏松症表现为骨量流失以及骨骼组织微结构退化，该疾病会导致骨骼脆性增加.使得患者更易发生骨折。由于骨质疏松症的成因极为复杂.所以治疗具有较大的困难。近年来，已出现了多种利用药物与食物治疗骨质疏松症的方法。尽管其中一些药物的功效已经确定，但是由于某些患者对于个别药物存在不耐性、或患有某些药物的使用禁忌症，以及长期用药存在的危险性，限制了药物的使用。对于骨质疏松症来说.常见的物理治疗方法是利用低频脉动磁场进行治疗。磁场的生物效应能重新激活休眠骨细胞的新陈代谢作用，足进骨质生长。

磁场对人体的作用机制：(1)电动力学理论：一切磁现象都是由于运动电荷所产生的，磁现象的本质就是电荷的运动。磁场对电荷，一磁场对另一磁场，都会产生作用力。磁场对运动电荷产生劳伦兹力，对载流导体产生安培力；磁场能改变原子和分子的轨道磁矩和自旋磁矩的方向；通过电磁感应作用，磁场还能使导体产生感应电动势和感应电流。人体组织人生物物理学观点看，是极其复杂的，在磁场中将会受到磁场的各种作用而产生各种效应：A.产生微电流，人体各种体液都是电解质溶液，属于导体，在交变磁场中，磁力线做切割导体的运动，将产生感生电流；随着心脏的收缩与舒张，血管也不停地进行运动，而且血液也是不断地在流动，所以虽是恒定磁场，由于血管和血流的运动，对磁力线进行切割，也将在体内产生电流。进行磁疗所产生的感生电流是很弱小的，即微电流。微电流的产生可对体内生物电活动发生影响，从而影响各器官各组织的代谢和功能。在交变磁场作用下，Na⁺、K⁺、Cl^-等离子的活动能力加强，改变了膜电位，增强细胞膜的通透性，促进细胞膜内外物质的交换等。B.磁场对生物电的作用，人体内有各种生物电流，如心电、脑电、肌电和神经动作电位等。生物电是生理活动的重要组成部分。在磁场作用下，生物电流将受到磁场力的作用，即磁场将对生物电流的分布、电荷运动形式及其能量状态发生作用，因而引起有关组织器官的功能发生相应的变化。此外，生物体的氧化还原反应过程中，发生电子的传递；磁场可能对电子传递过程产生作用而影响生化反应过程。(2)酶学说：酶是在细胞内生成的，其化学本质属于蛋白质的生物催化剂。有些酶类的催化活性，除了蛋白质部分外，还需要金属离子，即金属离子是酶活性中心的组成部分。有些酶的分子中虽不含有金属，但需要金属离子激活。许多磷酸移换酶需要Mg⁺⁺，许多水解肽键的酶需要Co⁺⁺、Mn⁺⁺、Mg⁺⁺或Zn⁺⁺的激活，才转变成具有活性的酶。此外，Na⁺、K⁺、Ca⁺⁺、Cu⁺⁺等十余种阳离子及一些阴离子(Cl^-)等均对某些酶具有激活作用。磁场可能通过对上述金属离子和非金属离子的作用影响酶的催化活性，而对人体产生作用。有人认为磁场有镇静止痛、降低血压和减轻炎症反应等作用，同磁场提高胆硷酯酶、单胺氧化酶、组胺酶和激肽酶的活性有关。(3)经穴作用：许多疾病的磁疗是用于穴位而产生疗效。例如磁片贴敷大椎、肺俞、膻中治疗喘息性支气管炎，旋磁作用神阈，有显著止泻疗效等。研究证实，穴位经络存在电活动现象。穴位比周围皮肤有较高的电位。当某脏器功能亢进时，相应经络穴位的皮肤电位增高或电阻值下降；当某器官活动功能减弱时，相应经络穴位的皮肤电位也随之降低，而电阻值则升高。因此，磁场可能影响经络的是电磁活动过程而起机能调节作用。(4)神经内分泌作用：磁场作用于全身时，各系统参与反应的程度可按下列顺序排列：神经，内分泌、感觉器官、心血管、血液、消化、肌肉、排泄、呼吸、皮肤、骨。神经和体液系统对磁场的作用最为敏感，即机体对磁场作用的反应中，神经和内分泌系统起重要作用。在磁场作用时，神经既能参与原始反应的快速感受系统，也参与其缓慢感受系统。当弱磁场作用较长时间时，也能引起缓慢系统的反应。内分泌系统也明显参与机体对磁场作用的反应。在磁场作用下，观察到动物某些激素分泌增加。

目前已有的磁疗设备主要是：1.恒定磁场磁疗器械：(1)磁片即永磁体。磁片的材料有铁氧体、金属磁和稀土钴三类。铁氧体有钡铁氧体(BaFe12O9)和锶铁氧体(SrFe12O9)，其矫顽力(抗退磁能力)较高，导阻率高，磁性较低，价格低廉。金属磁性材料通常分为5类磁钢(AINiCO-5)和8类磁钢(AIMiCO-8)，矫顽力较低，磁性强。稀土钴磁性材料是由稀土元素，如钐、铈、镨等与钴元素合成的合金材料，如钐钴合金(SmCO5)、铈钴合金[Ce(CoCuFe)5]、钐镨钴[(Smpr)CO5]等，其特点是磁性强，矫顽力高，但价格昂贵。磁片的形状常用的有圆形、方形、柱形和圆珠等，有各种不同面积和厚度，它们的表面磁场强度为数十至数百mT(毫忒斯拉)。按照穴位位置，将磁片缝缀在布料上而制成的磁帽、磁衣、磁腰带、磁表带、磁枕等，以进行长时间治疗，适用以治疗一些慢性病，如高血压、神经衰弱、慢性腰痛、乳腺增生等。(2)直流电磁疗机将直流电通到有铁芯的线圈，铁芯便产生恒磁场，磁场强度可达数十至数百mT。2.交变磁场磁疗器械：(1)异极旋转磁疗器在一微型马达的轴上装一有机玻璃或硬塑料转盘，转盘上安装两片或四片磁片，异极排列。马达通电，转盘旋转而产生交变磁场。治疗时将转盘靠近穴位或病变部位。(2)电磁疗机用硅钢片作铁芯，绕上数千匝至数万匝漆包线，通以不同电压的交流电，即可产生数十至数百毫特斯拉的交变磁场。电磁疗机可制成大小不同，形状不同以适应不同部位的治疗。3.脉动磁场磁疗器械：(1)同极旋转磁疗器旋转磁疗器转盘上的两片或四片磁片为同极(南极或北极)向外，当通电转盘旋转时即产生脉动磁场，磁场强度有规律变化而方向不变。(2)磁按摩器在电动按摩器的按摩头上装有2片或4片磁片，同极排列，当通电时，按摩头带着磁片一起上下振动，形成脉动磁场。4.脉冲磁场磁疗器械：将各种不同频率和波形的脉冲电流通过电磁铁的线圈，即产生脉冲磁场，磁场峰值强度可达数百mT。

以上磁疗设备在临床上均有一定的治疗作用。但用以专门治疗骨质疏松的设备较少，并且，在技术上存在许多不足，主要表现在：(1)恒定磁场磁疗器械，磁场强度低。缺乏定量治疗，患者已产生赖受性。(2)交变磁场磁疗器械，噪音大，驱动信号变化少，患者已产生赖受性，磁场强度不能精确控制，不能产生三维磁场。(3)治疗体的结构与患者之间在设计上存在许多不舒适性。

发明内容：

在充分了解磁场对人体作用的基础上，克服现有骨质疏松治疗仪存在的缺点和不足。研究了一种基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统。它包括微机控制系统、USB接口电路及驱动信号放大电路、治疗主体、治疗床和应用软件等五部分组成。如附图1、图2所示。微机控制系统运行系统软件和应用软件，并通过USB接口将驱动信号传输到USB接口电路及驱动信号放大电路，驱动信号经放大电路放大后，传输到嵌入在治疗主体中的变异的亥母核磁线圈，驱动变异的亥母核磁线圈产生变化的三维磁场。该磁场作用在位于治疗主体中的治疗床上的骨质疏松患者全身。达到治疗骨质疏松症的目的。本发明的微机控制系统，使用主流PC机硬件，windowsXP运行环境，开发软件平台采用Labview图形化编程软件。系统运行由Labview编制的应用软件。主要功能是产生驱动信号，对驱动信号的波形种类、频率、幅度等参数进行控制。通过微机的通用串行接口USB接口将信号传输到USB接口模块。USB接口电路，主要接收来自微机控制系统的驱动信号，并将其传输给控制信号功率放大模块。采用沁恒公司推出的CH371USB总线接口芯片，在本地端，CH371可以通过数据总线、读、写信号线、中断请求线方便地与单片机连接，单片机对其访问与并行口相似，设计人员无需要花大量的时间和精力去熟悉USB协议；在计算机系统中，CH371的配套软件提供了简洁易用的操作接口，调用库函数与设备进行USB通信。该系统以PC机为主控单元、USB总线为接口、Labview为软件开发平台，充分利用了USB的新特性，提高了系统的整体性能。如附图5所示。驱动信号放大电路，该电路属信号放大电路，主要功能是对驱动信号进行放大处理，以便推动治疗磁场线圈。电路采用TDA2030 HI-FI功放集成块。它接法简单，特别属用于微机信号。额定功率为14W。电源电压为6v～18V。输出电流大，谐波失真和交越失真小(14V/4欧姆，THD＝0.5％)。具有优良的短路和过热保护电路。如附图6所示。在该系统中，为了安全考虑，在USB接口电路及驱动信号放大电路与治疗主体之间，增加了信号隔离电路和信号输出控制电路。隔离电路主要由隔离变压器和外围元件组成。主要完成信号的交流耦合、微机控制系统输出的弱电信号与外部强电信号的隔离。保护设备和人员安全。信号输出控制电路，该电路主要由双向可控硅控制电路组成。来自微机控制系统的波形信号，控制双向可控硅的触发端，使双向可控硅的通断随控制信号的变化而变化。从而使加载在双向可控硅两端的电压(治疗磁场线圈上)随控制信号的变化而变化，在治疗磁场线圈中产生交变的脉冲磁场。如附图7所示。治疗主体，主要由仪器支撑件、外壳以及嵌入在中心的变异的亥母核磁线圈组成。亥姆霍兹线圈系统是德国科学家在一个世纪以前发明的，一般用来产生指定体积和均匀度的磁场，用户可以利用这个磁场来完成各种实验，亥姆霍兹线圈可根据不同的应用产生静态DC或AC磁场。其主要应用：地球磁场的抵消、判定磁屏蔽效应、电子设备的磁化系数、磁通门计和航海设备的校准、生物磁场的研究及与磁通计配合使用检测永磁体特性。典型的单轴亥姆霍兹线圈是具有相同线圈扎数，相同线圈绕制方式，线圈半径等于线圈间距的两个线圈组成的。无论通入AC或DC电流，线圈中间都会产生一定体积的均匀磁场。所产生磁场强度的大小与线圈绕制的扎数，通入的电流，线圈的物理尺寸及两线圈之间的距离是成比例的。为满足一些特殊的应用，提供一些结构比较复杂的线圈是必须的。经常会有两轴和三轴亥姆霍兹线圈。每对或每轴线圈都由电源独立的控制。一对线圈产生的矢量磁场做为另一对线圈的补充，从而在指定的空间上产生均匀的磁场。本发明采用三线圈系统，其磁场性能明显优于亥姆霍兹线圈。如图(3、4)所示。I线圈和III线圈的电流与半径应该完全相同，II应放于I线圈和III线圈正中间。令I线圈，III线圈参数I＝1，R＝1，空间点P(x，0，0)处的磁感应强度的x分量表达式，由叠加原理得：

$B_x=\frac{u_0}{2}\{{[1+{(x-d)}^2]}^{-3/2}+\frac{i}{r}{[1+{(x/r)}^2]}^{-3/2}$

$+{[1+{(x+d)}^2]}^{-3/2}\}$

令它的马克劳林展开式的二阶导数，四阶导数为0，得到方程组：(1)、(2)

$2{(1+d^2)}^{-5/2}-10d^2{(1+d^2)}^{-7/2}+i\frac{1}{r^3}=0$

$2{(1+d^2)}^{-7/2}-{28d}^2{(1+d^2)}^{-9/2}+$

${42d}^2{(1+d^2)}^{-11/2}+i\frac{1}{r^5}=0$

理论上，可以从六阶导数为0再得到一个方程，联立可求得一组r、i、d，这样以来，磁场的均匀性可以精确到(x/R)的8阶小量，但方程组求解困难。如果只列上面两个方程，则每给定一个d值，就能求出相应的r、i值。三线圈在取参数d＝0.800  i＝0.75611/r＝0.811时，轴线磁场分布状况如图4。三线圈磁场在均匀性，均匀范围以及强度上都超过了亥姆线圈。治疗床，由支架、运动导轨、床面等组成。全部使用绝缘材料制作，与治疗主体配合使用。患者平躺在床面上，由手动或电动将患者送如治疗主体内。系统应用软件，由图形化编程语言LabVIEW开发而成。LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具，因此，LabVIEW通过降低应用系统开发时间与项目筹建成本上能提高工作效率。使用LabVIEW创建功能强大的测试测量与自动化控制系统，在开发中进行快速原型创建与仿真工作。总之，LabVIEW可用于各行各业产品开发的阶段。该系统主要由病人注册模块、系统设置模块、治疗仪控制模块、治疗仪效果分析模块、报告打印模块、系统帮助模块等六大模块组成。(1)病人注册模块，主要功能是对要检测的病人进行预约或登记，登记病人的一般信息，如病人ID号、姓名、年龄、科别、工作单位、联系电话、检测日期、检测者、疾病名称等等信息。(2)系统设置模块，主要是软件系统的设置，即设置使用单位名称、性别、科别、临床诊断等信息，为方便信息输入等。(3)治疗仪控制模块，主要功能是产生治疗方案。即设置治疗波形种类、频率、幅度、时间等参数。将组合信号通过微机的USB口传输到治疗仪，控制治疗仪中磁场强度的变化。(4)治疗仪效果分析模块，首先对治疗方案、治疗参数、治疗次数，每次治疗时间等项目进行统计处理，并根据患者临床表现确定治疗效果，给出最佳治疗方案。(5)报告打印模块，主要打印病人的治疗检测报告单，包含如下信息：病人一般信息；治疗参数信息；治疗结论。(6)系统帮助模块，操作说明；关于信息。如附图8、图9所示。

本发明的治疗原理主要是通过电磁场，增加骨密度，从而减少因骨质疏松引起的疼痛，降低骨折的发生，加快骨折的愈合，达到治疗的目的。经该系统治疗后的患者，不仅可较快地缓解疼痛，而且能逐渐改善因骨质疏松引起的其他症状，提高肌体抗病能力。脉冲电磁场作用在骨骼上，可以加速骨组织的生长。强化骨代谢细胞的活化，从而使血液中的钙成份有效地被吸收转化为骨细胞，在骨代谢中促进骨向成骨方向发展。可以调节人体的生理循环。影晌细胞膜，促使细胞的有丝分裂和成熟细胞增生。还会影响生物分子的合成，对细胞内钙离子浓度起调控作用。

附图说明：

图1基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统原理框图

图2基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统结构框图

图3变异的亥母核磁线圈(三线圈)分布示意图

图4变异的亥母核磁线圈(三线圈)磁场分布图

图5USB接口电路及驱动信号放大电路原理图

图6驱动信号放大电路原理图

图7驱动信号隔离及输出控制电路原理图

图8基于Labview的应用软件前面板程序框图

图9基于Labview的应用软件后面板程序框图

以下结合附图，对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明包括微机控制系统1、USB接口电路及驱动信号放大电路2、治疗主体及治疗床3和应用软件等五部分组成。微机控制系统运行系统软件和应用软件，并通过USB接口将驱动信号传输到USB接口电路及驱动信号放大电路，驱动信号经放大电路放大后，传输到嵌入在治疗主体中的变异的亥母核磁线圈，驱动变异的亥母核磁线圈产生变化的三维磁场。该磁场作用在位于治疗主体中的治疗床上的骨质疏松患者全身。达到治疗骨质疏松症的目的。本发明的整体结构图如图2，其核心部件，治疗主体的形状、构造、外型以及个部件的位置，如图2枛3所示。全部材料用PVC，变异的亥母核磁线圈嵌入在治疗主体的中心位置。变异的亥母核磁线圈，在PVC材料制作的圆拄型骨架上，用0.6mm的铜制漆包线，绕制三组相同的绕组，每个绕组共绕线圈5000匝。圆拄型骨架长度为80cm，直径70cm。线圈分布如图3所示。治疗主体中心的圆孔，用来放置治疗床和患者。圆孔长度为80cm，直径70cm。治疗床，高60cm，宽55cm，长度为200cm。床的底座固定，上面有道轨，床面下有滚珠，能沿长轴方向运动90cm。

在系统工作时，由系统应用软件产生驱动波形，经微机的USB接口电路(如图5USB接口电路原理图所示)的输出，再经过驱动信号放大电路(如图(6)驱动信号放大电路原理图)的放大，隔离输出和驱动控制电路(如图7驱动信号隔离及输出控制电路原理图所示)的控制。使加载在三组线圈中的电压按照驱动波形的变换而变化。从而在治疗主体中产生了变化的三维磁场。其磁场分布如图4所示。其磁场强度的变化范围为：

0.1mT~100mT.完全满足医学临床对骨质疏松治疗的要求。

本发明的治疗原理主要是通过电磁场，增加骨密度，从而减少因骨质疏松引起的疼痛，降低骨折的发生，加快骨折的愈合，达到治疗的目的。经仪器治疗后的患者，不仅可较快地缓解疼痛，而且能逐渐改善因骨质疏松引起的其他症状，提高肌体抗病能力。本系统研制成功后，对临床60例骨质疏松患者随机分为2组，观察组30例，对照组30例。采用骨质疏松治疗仪治疗时，自己的生活习惯不变.均为3个疗程，比较两组骨密度及临床症状的变化.结果观察组与对照组在治疗后2～3个月，测骨密度均有上升(P＜0.05)，临床症状均有不同程度的缓解，其骨密度增长与临床症状缓解情况观察组均优于对照组.观察组治疗总有效率100％，两组相比具有著性差异。

Claims (6)

1.一种基于变异的亥母核磁线圈的骨质疏松治疗系统。其特征是它包括微机控制系统、USB接口电路及驱动信号放大电路、治疗主体、治疗床和应用软件等五部分组成。

2.权利要求1所述的微机控制系统，其特征是：使用主流PC机硬件，windowsXP运行环境，开发软件平台采用Labview图形化编程软件。主要功能是产生驱动信号，对驱动信号的波形种类、频率、幅度等参数进行控制。通过微机的通用串行接口USB接口将信号传输到USB接口模块。

3.权利要求1所述的USB接口电路及驱动信号放大电路，其特征是：主要接收来自微机控制系统的驱动信号，并将其传输给控制信号功率放大模块。驱动信号放大电路属信号功率放大电路，主要功能是对驱动信号进行放大处理，以便推动治疗磁场线圈。

4.权利要求1所述的治疗主体，其特征是：嵌入在治疗主体中治疗磁场线圈采用变异的亥姆霍兹线圈制作而成。采用三线圈系统，其磁场性能明显优于亥姆霍兹线圈。

5.权利要求1所述的治疗床，其特征是：由支架、运动导轨、床面等组成。全部使用绝缘材料制作，与治疗主体配合使用。患者平躺在床面上，由手动或电动将患者送如治疗主体内。

6.权利要求1所述的应用软件，其特征是：由图形化编程语言LabVIEW开发而成，主要由病人注册模块、系统设置模块、治疗仪控制模块、治疗仪效果分析模块、报告打印模块、系统帮助模块等六大模块组成。

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