CN105708675A - 基于肌肉振动的电路控制装置和振动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于肌肉振动的电路控制装置和振动器。其中，该电路控制装置，包括：多谐振荡器，所述多谐振荡器包括频率调节开关，基于555定时器电路通过多个电阻器的阻值变化实现频率调节，用于调节上述多谐振荡器能够以多个不同的频率工作。本发明解决了相关技术中用于肌肉振动训练的设备的工作频率比较单一，无法适应不同部位的训练需求的问题，提升了振动训练的实用性，能够有效满足瘫痪等长期制动所致骨骼肌萎缩和老年骨骼肌丢失的防疗。

Description

基于肌肉振动的电路控制装置和振动器

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及基于肌肉振动的电路控制装置和振动器。

背景技术

严重疾病所致的长期卧床或由神经系统受损引起的瘫痪病患在临床极为常见，机体骨骼肌在长时间瘫痪或制动情况下将出现显著的萎缩；此类病人除了饱受原发疾病的伤害，长时间制动所致的进行性肌肉萎缩还将影响个体的基本自理能力和生活质量，并可能造成骨质疏松等并发症及机体多器官功能的下降。目前认为上述情况下骨骼肌的丢失一方面是由于脊髓α运动神经元减少，同时也源于骨骼肌代谢的变化及内源性干细胞功能减退等原因。

肌肉丢失症(Sarcopenia)是一种骨骼肌随年龄增加而逐渐退化的老年退行性疾病；伴随本世纪初开始我国逐步进入老龄化社会，增龄性骨骼肌丢失也逐渐成为危害老年人健康的重要隐形杀手；其特点是随年龄增长而出现的肌肉力量和质量体积的渐进性减退和丢失，且不伴有任何病理性的原因。

肌肉萎缩也是太空失重环境难以避免的重要损伤。研究显示，由于太空环境的微重力条件，不论宇航员进入太空前肌肉有多发达，他们会都遭遇快速的肌肉萎缩。

因此，针对上述情况需要适时的临床干预和治疗，例如：肌肉振动训练，肌肉振动训练的作用机制如下：

首先，肌肉振动训练的生理机制是产生与抗阻训练相似的牵张缩短循环(Stretch-ShorteningCycle，SSC)。SSC是利用肌纤维在离心收缩后立即作向心性收缩的作用来提高肌肉弹性与伸缩性，以产生较大的爆发力；其次是引起张力性振动反射(TonicVibrationResponse，TVR)，TVR是由外源性振动刺激引起的神经系统的调节反射，通过振动刺激激活肌肉本体感受器，引起肌梭初级传入纤维兴奋，肌梭Ia传入纤维产生的动作电位经过单突触或单突触和多突触途径又引起梭外肌纤维产生收缩，从而引起肌肉力量增加。此外振动刺激还能使运动神经连续发出兴奋冲动，骨骼肌中串联的肌纤维受到牵拉刺激而强烈收缩。因此肌肉振动训练机制包含了弹性能的储存与释放，张力性振动反射和两者交互作用；结果使神经系统不断进行自身调节以适宜外界运动变化的需要，增加了神经调节系统的反应能力和灵活性。

除了上述机制，许多研究还发现振动训练能改善骨骼肌生理生化状态，一些实验通过测定振动刺激条件下骨骼肌生物电的变化，显示振动刺激能激活不同兴奋阈值的运动单位，使运动单位的募集量增加；而骨骼肌作为机体最大的代谢贮存器官及具有内分泌功能的组织，振动刺激对肌糖原代谢以及血液中性激素、生长激素等的变化也有积极意义。

目前，振动训练可分为局部和全身振动训练两类。局部振动训练法是将振动器直接放置于接受刺激的肌腹或者肌腱上进行刺激；全身振动训练法则是将振动器置于训练肌群的远端，借助于身体间接的传导到达训练的肌群。

然而相关技术中用于肌肉振动训练的设备的工作频率比较单一，无法适应不同部位的训练需求，实用性较差，无法有效满足瘫痪等长期制动所致骨骼肌萎缩和老年骨骼肌丢失的防疗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于肌肉振动的电路控制装置和振动器，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种基于肌肉振动的电路控制装置，包括：多谐振荡器，所述多谐振荡器包括频率调节开关，基于555定时器电路通过多个电阻器的阻值变化实现频率调节，用于调节上述多谐振荡器能够以多个不同的频率工作。

上述多谐振荡器内设置有控制所述多谐振荡器工作时长的定时器。

上述定时器为555定时器。

上述多谐振荡器内设置有功率放大器，该功率放大器的输出端连接功率放大驱动脉冲变压器。

上述功率放大驱动脉冲变压器的电源端连接有用于调节按摩强度的滑动电阻器。

上述功率放大器为TWH8751功率开关集成电路，包括：输入级电路、缓冲放大器、达林顿功率输出级电路、反馈环路和减流型输出保护电路。

在本发明的实施例中还提供了一种振动器，包括上述电路控制装置，还包括与该电路控制装置相连的振动部件，该电路控制装置与上述振动部件的工作频率相同。

上述振动部件包括两种型号的套袖式振动部件，其中一种型号适用于受训练者的四肢部位，另一种型号适用于受训练者的躯干部位。

上述电路控制装置设置与控制盒内，所述控制盒的材料为塑料，所述塑料基底层的硬度大于其它部分的硬度。

上述电路控制装置控制所述振动部件的工作频率在20Hz至50Hz之间，振幅在3mm至5mm之间。

本发明实施例提供的电路控制装置和控制器通过采用多谐振荡器，可以通过频率调节开关实现多个不同频率的控制，进而能够控制与其连接的肌肉振动部件工作在多个频率下，解决了相关技术中用于肌肉振动训练的设备的工作频率比较单一，无法适应不同部位的训练需求的问题，提升了振动训练的实用性，能够有效满足瘫痪等长期制动所致骨骼肌萎缩和老年骨骼肌丢失的防疗。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的基于肌肉振动的电路控制装置的电路示意图；

图2示出了本发明实施例提供的控制盒的主视图；

图3示出了本发明实施例提供的振动器的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的振动器的另一结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

考虑到振动训练使机体组织产生应激性反应，骨骼肌可产生每秒钟25-50次的快速收缩；振动对于发展肌肉力量和做功能力的作用主要由它的自身特性(实施方法、振幅和频率)与训练安排(训练类型、训练强度和训练负荷量)决定。尤其振幅和频率决定了神经肌肉系统负荷强度，只有在最佳强度范围内才能达到较佳的训练效果；基于此，本发明实施例提供了一种基于肌肉振动的电路控制装置，包括：多谐振荡器，多谐振荡器包括频率调节开关，该频率调节开关与多个阻值不同的电阻器相连，用于调节多谐振荡器能够以多个不同的频率工作。

应用上述电路控制装置，可以使用于训练机体组织的振动部件工作在不同的频率下，具体工作的频率范围可以由与频率调节开关相连的电阻器的阻值决定，例如根据临床试验，可以将频率范围设置在20Hz-50Hz，并且采用局部振动刺激特定的肌肉。另外，振动波的方向采用水平方向(前后)的振动波。

本实施例的电路控制装置通过采用多谐振荡器，可以通过频率调节开关实现多个不同频率的控制，进而能够控制与其连接的肌肉振动部件工作在多个频率下，解决了相关技术中用于肌肉振动训练的设备的工作频率比较单一，无法适应不同部位的训练需求的问题，提升了振动训练的实用性，能够有效满足瘫痪等长期制动所致骨骼肌萎缩和老年骨骼肌丢失的防疗。

科学的训练时间可以有效提高肌肉的运动以及抗疲劳能力，而长时间的过度训练会导致肌肉组织不可逆性损伤。由于振动刺激基于局部神经调节以及能量代谢变化的特点，机体在振动训练较时其它训练方式更不容易疲劳。已有的振动训练研究大多以提高运动员运动成绩为目的，训练方式主要是大强度的全身训练，少有涉及制动或老年萎缩肌肉的训练，针对老年运动能力减退，不能承受长时间的剧烈运动，采取适时局部的肌肉训练显得更为重要。

研究显示合适强度的短时振动刺激至停止后6分钟内，肌肉皮肤的血流即处于持续增加状态，血流加速，局部温度增高。这一改变不仅有利于氧的运输，促进机体组织的新陈代谢，同时也通过肌肉组织代谢产物的清除，利于疲劳的快速消除。基于此，上述多谐振荡器内设置有控制多谐振荡器工作时长的定时器，用于控制振动部件的工作时长，该定时器可以采用555定时器。这样，可以根据训练对象和训练目的，对单次振动的训练时间进行控制，例如单次为5分钟，还可以控制每次训练的组数，例如为3组，间隔5-10分钟，训练周期为20天等等。

上述多谐振荡器内设置有功率放大器，功率放大器的输出端连接功率放大驱动脉冲变压器。该功率放大器可以为TWH8751功率开关集成电路，包括：输入级电路、缓冲放大器、达林顿功率输出级电路、反馈环路和减流型输出保护电路。

考虑振动刺激能使弹性物质产生较敏感的反应，弹性特征越强反应越敏感，反之越迟钝。振动训练不仅仅是提高了肌肉的向心收缩能力，同时也较大幅度提高了肌肉的离心工作能力，而离心工作能力的提高无疑是肌肉中的弹性成分在振动刺激条件下得到了加强的结果。而且在提高的幅度上离心收缩往往要比向心收缩更大一些。因此振动的幅度不应过小，本实施例设定在3mm-5mm。基于此，上述功率放大驱动脉冲变压器的电源端连接有用于调节按摩强度的滑动电阻器。在前述众多的实验研究中，为了达到振动训练效果上肢与下肢的振动率与振幅有所不同：上肢采用高频低幅，下肢及躯干采用相对低频高幅。

参见图1所示的基于肌肉振动的电路控制装置的电路示意图，其中，555定时器的功能主要由两个比较器(即图中的C1和C2)决定。其中，C1的电容为0.68μF，C2的电容为0.01μF。两个比较器的输出电压控制TWH8751状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TRIG(也可以简称为TR)的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器(即RESET)置1，使输出端OUT＝1。如果阈值输入端THOLD(也可以简称为TH)的电压大于2VCC/3，同时输入端TRIG的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5-16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3-18V。一般用5V。

3脚：输出端Vo。

2脚：低触发端。

6脚：TH高触发端。

4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF(即图中的C2)电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

本实施例中，各个器件选取的数值如下：R1＝R2＝9.1KΩ，R3＝750Ω，R4＝240Ω，RP2＝10KΩ，与频率选择开关相连的电阻的阻值依次为100KΩ，75KΩ，51KΩ，43KΩ，分别对应的频率为20HZ，30HZ，40HZ，50HZ。C1＝0.68μF，C2＝0.01μF，C3＝47μF，C4＝330μF。U＝9V，C4处的电压为15V。

TWH8751功率开关集成电路采用TOP-220封装形式，内电路由输入级、缓冲放大器和达林顿功率输出级组成，并设有反馈环路和减流型输出保护电路，通用性强。共有5个引出脚，如图中相应部分的标识所示，管脚功能分别为：输入端(IN)、选通端(ST)、地端(GND)、输出端(OUT)和电源正端(VCC)。当脚2选通端电平≥1.6V时，脚1输入端对输出端(脚4)无控制作用，即末级达林顿管截止，电路无输出；只有脚2为低电平(<1.2V)时，加在脚1上的信号才能有效地控制脚4输出端的电平。

TWH8751的输入端和选通端所需输入控制电流很小，仅100-200μA，而输出端允许通过的最大电流为2A。内部另设有减流型保护电路，当输出电流超过3A时，保护电路能自动使输出电流减至1A左右，在使输出截止后，集成开关电路将重新恢复至2A的输出负载能力。

555定时器和R1，R2，RP2和C1等组成一个多谐振荡器，其频率可通过开关S1调节，各个电阻的阻值如图所示，本实施例中分别对应四个档位，20HZ、30HZ、40HZ和50HZ。555定时器输出的低频脉冲经过三极管VT1反向加到功率开关集成电路TWH8751输入端，经过功率放大驱动脉冲变压器T，其次级的CZ插口接按摩器(即上述振动部件)的金属板电极，对人体受损部位进行振动训练。变压器在控制电路和大功率主电路之间形成电磁隔离，LED与振荡频率同步发出指示光。RP2可调节按摩强度，SA为带开关的螺旋式电位器。

本发明实施例还提供了一种振动器，其包括上述电路控制装置，还包括与该电路控制装置相连的振动部件，电路控制装置与振动部件的工作频率相同。

根据躯体不同部位及其肌纤维流失特点分区，如上肢前臂、大臂，下肢小腿、大腿，腹壁；上述振动部件包括两种型号的套袖式振动部件，其中一种型号适用于受训练者的四肢部位，另一种型号适用于受训练者的躯干部位。

上述电路控制装置设置与控制盒内，控制盒的材料为塑料，塑料基底层的硬度大于其它部分的硬度。

本实施例的控制盒是以硬塑料为基底层，在硬塑料基底层之上采用轻便的耐用塑料加工形成长方体状，用于保护电路控制装置的电路；电路控制装置键合于控制盒内，具体电路根据上述内容完成。

上述电路控制装置控制振动部件的工作频率在20Hz至50Hz之间，振幅在3mm至5mm之间。

如图2所示的控制盒的主视图，该控制盒长为25cm，宽15cm，高10cm。在控制盒下部有两个输出孔，并且设计绝缘透气地盘。

振动部件(也可以称为阻抗器)的套带设置为可调节套带，根据需要自由调节围度。并且选用弹性透气材料，连接方式是魔术贴粘连，可调节大小。优选地，振动部件中的振动片可以固定于套袖的中部，使其能够贴紧训练肌肉以减少能量的流失，达到更好的训练效果。

如图3所示的振动器的结构示意图，振动部件通过导线与控制盒的输出孔连接，该导线可以采用长为1m的绝缘橡胶完全包裹，防止漏电。其中，用于四肢的振动部件是由6块振动板组成，有多方位的振动效果，长度20cm，宽15cm。用于躯干的振动部件是由12块振动板组成，长度为90cm，宽50cm。根据肌纤维流式程度分类，分为轻、中、重，依此设置几个不同档位。档位具体的电流大小，可查阅相关文献数据或实验数据获取。振动部件采用频率振幅可调式电动振子，患者可按需选择，如图中的20HZ、30HZ、40HZ、50HZ的按钮，操作比较简便。

为了更清楚地了解振动器的结构，如图4所示的振动器的结构示意图，其中，控制盒1为一个长方体形状的盒体结构，长25cm、宽15cm、高10cm。输出孔2用于与振动部件6或振动部件7连接；调节按钮3用于调节振动部件的工作频率，指示灯4用于显示工作状态、开关5用于启动控制器工作。

上述振动器从选择最适宜的振动刺激参数(包括振动频率、幅度以及训练时间)进行了改进，用以达到有效促进肌肉力量的效果；并设计适合不同部位的振动训练部件，使其能广泛适用于机体不同部位振动训练的需求。当长期卧床的病患因为身体缺乏运动，肌肉萎缩，功能减退，患者家属可依据病患一般情况和肌肉流失程度，依次将振动部件的袖带固定在病患的双臂，大腿以及躯干，通过调节振动部件的振幅频率，使患者能够适应训练的强度。每次5分钟，一次训练3组，间隔休息10分钟，连续训练20天，再根据患者恢复情况，调节训练的强度。

上述振动器可以局部灵活运用于长期卧床、老年肌萎缩等不能耐受大强度全身振动训练的人群。在合适训练强度、方法正确的前提下，可达到有效预防治疗肌肉流失和肌肉萎缩的效果，并预防相关并发症，最终提高此类人群的生活质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于肌肉振动的电路控制装置，其特征在于，包括：多谐振荡器，所述多谐振荡器包括频率调节开关，基于555定时器电路通过多个电阻器的阻值变化实现频率调节，用于调节所述多谐振荡器能够以多个不同的频率工作。

2.根据权利要求1所述的电路控制装置，其特征在于，所述多谐振荡器内设置有控制所述多谐振荡器工作时长的定时器。

3.根据权利要求2所述的电路控制装置，其特征在于，所述定时器为555定时器。

4.根据权利要求1所述的电路控制装置，其特征在于，所述多谐振荡器内设置有功率放大器，所述功率放大器的输出端连接功率放大驱动脉冲变压器。

5.根据权利要求4所述的电路控制装置，其特征在于，所述功率放大驱动脉冲变压器的电源端连接有用于调节按摩强度的滑动电阻器。

6.根据权利要求4所述的电路控制装置，其特征在于，所述功率放大器为TWH8751功率开关集成电路，包括：输入级电路、缓冲放大器、达林顿功率输出级电路、反馈环路和减流型输出保护电路。

7.一种振动器，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述电路控制装置，还包括与所述电路控制装置相连的振动部件，所述电路控制装置与所述振动部件的工作频率相同。

8.根据权利要求7所述的振动器，其特征在于，所述振动部件包括两种型号的套袖式振动部件，其中一种型号适用于受训练者的四肢部位，另一种型号适用于受训练者的躯干部位。

9.根据权利要求7所述的振动器，其特征在于，所述电路控制装置设置与控制盒内，所述控制盒的材料为塑料，所述塑料基底层的硬度大于其它部分的硬度。

10.根据权利要求7所述的振动器，其特征在于，所述电路控制装置控制所述振动部件的工作频率在20Hz至50Hz之间，振幅在3mm至5mm之间。