CN106581861A - 治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种治疗仪器，其公开了一种治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪及系统，解决现有技术中治疗膝骨关节炎的设备存在的信号发生模式单一、参数可调范围窄、产生磁场均匀程度误差大、治疗剂量与计量不精准、设备结构复杂、成本高、缺乏动态调节机制的问题。该设备包括控制器、电流信号发生器、电磁线圈、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪；所述电流信号发生器、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪均与所述控制器相连；所述电流信号发生器与电磁线圈相连。本发明适用于治疗膝骨关节炎及软骨损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种治疗仪器，具体涉及治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪及系统。
背景技术
骨关节炎是一种以关节软骨退行性变和继发性骨质增生为特性的慢性关节疾病。好发于负重较大的关节，其中以膝关节最为常见。膝骨关节炎主要以滑膜炎症、软骨退行性变及软骨下骨重建为主要病理特征，因其发病后具有高致残率与高死亡率，给整个社会带来沉重的社会经济学负担。尽管，治疗膝骨关节炎的方式较多，但非侵入性的治疗仪器却较为少见。
目前，大部分低频脉冲电磁治疗仪主要被用于骨折的愈合、疼痛、炎症控制、骨质疏松、卒中后的吞咽障碍等疾病，且大量用于基础研究的治疗仪也被研发出来用于上述疾病的研究。低频脉冲电磁场用于膝骨关节炎的治疗被认为是该研究领域的新方向，根据本研究中心的动物的体内与体外研究显示，低频脉冲电磁场对软骨细胞具有明显的促增殖、增加细胞外基质合成等疗效，同时有助于显著降低软骨细胞周围炎症刺激的疗效。
然而，目前用于治疗膝骨关节炎的低频脉冲电磁仪尚未被完全开发出。目前市场上主流治疗膝骨关节炎的磁学治疗仪主要利用电刺激配合静态磁场的方式，该装置主要由电极贴、磁场线圈及信号发生器三部分组成，根据人类膝关节的模型数据，确定最终输出的电流与电压(5.6Vp-p±10％的电压的60kHz频率电信号)，最终生成特定数值的磁场强度与密度(8mV/cm，8μA/cm2)。
由于现有技术中的电信号发生器固定了输出电信号频率、电压及电流大小，因此，其均匀磁场范围较窄。然而，电信号发生对于治疗磁场极为关键，电信号的电流方向、波形、频率、电流与电压等关键参数不同组合对治疗不同物种、个体、膝关节尺寸、软骨形态的疗效是动态变化的，现有技术虽然对不同物种、尺寸的膝关节进行了参数放大，但缺乏精准与动态调节机制，最佳的输出信号发生器与参数设置不具有说服力。同时，现有技术需要通过多种重复设备完成治疗，治疗计量与剂量的评估数学计算模型落后且不准确，无精准的调控设备对设备进行数控与校准。
综上，现有技术中治疗膝骨关节炎的设备具有以下缺陷：
信号发生模式单一、参数可调范围窄、产生磁场均匀程度误差大、治疗剂量与计量不精准、单一设备适用个体局限、制作与开发成本高、结构复杂与重复、人机交互与程度为零、缺乏针对不同物种、人种、组织类型的治疗参数数据库，进而缺失根据参数数据库所产生的特异性动态最佳参数动态调控与反馈机制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪及系统，解决现有技术中治疗膝骨关节炎的设备存在的信号发生模式单一、参数可调范围窄、产生磁场均匀程度误差大、治疗剂量与计量不精准、设备结构复杂、成本高、缺乏动态调节机制的问题。
一方面，本发明实施例方案提供了一种治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪，其包括控制器、电流信号发生器、电磁线圈、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪；
所述电流信号发生器、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪均与所述控制器相连；
所述电流信号发生器与电磁线圈相连；
所述三维扫描仪对患者膝部进行高度测量或三维扫描，确定患部的形状和空间位置数据，并将数据传输给控制器；
所述控制器利用该数据计算升降平台移动方向和距离，从而控制升降平台将患者的患部移动到磁场最强区域；
所述电流信号发生器在控制器的控制下产生相应波形磁场驱动电流，用以驱动电磁线圈；
所述电磁线圈将驱动电流转换为电磁场对患者的患部进行电磁治疗；
所述磁场强度测量仪实时检测当前真实磁场强度并反馈给控制器；
所述控制器将当前真实磁场强度与预设值进行比较从而控制电流信号发生器调整电流大小，实现闭环负反馈控制。
作为进一步优化，所述控制器为嵌入式计算机。
作为进一步优化，所述电流信号发生器包括固态继电器模块和方波信号发生模块；所述方波信号发生模块用于产生方波电流并通过固态继电器模块输出到电磁线圈。
作为进一步优化，所述方波电流频率在0-300HZ内可调，占空比在20％-80％间任意可调。
作为进一步优化，所述电流信号发生器包括非方波信号发生模块、音频接口和功率放大器；所述非方波信号发生模块用于产生峰值、频率、相位可调的正弦波电流或者产生多个不同峰值、频率、相位正弦波叠加的波形电流，并通过嵌入式计算机的音频接口输入到功率放大器中进行功率放大，功率放大后的电流信号输入到电磁线圈。
作为进一步优化，所述电流信号发生器还包括切换模块，所述切换模块连接控制器，并与方波信号发生模块和非方波信号发生模块相连，用于在控制器的控制下选择切换至方波信号发生模块以输出方波电流或者切换至非方波信号发生模块以输出非方波信号电流。
作为进一步优化，所述升降平台上设有膝关节固定装置，用于对患者的膝关节进行固定。
此外，本发明的另一实施例还提供了一种治疗膝骨关节炎及软骨损伤的系统，其包括上述电磁仪，还包括医学数据库，所述电磁仪的控制器与医学数据库相连，所述医学数据库中存储有患者的病历信息，并可根据病历信息通过数据分析向所述电磁仪的控制器推荐治疗参数，所述电磁仪的控制器还接受手动输入治疗参数。
作为进一步优化，所述治疗参数包括治疗磁场强度、治疗持续时间、磁场驱动电流波形参数。
作为进一步优化，所述电磁仪的控制器具有wifi、RJ45接口，用于通过互联网接入物联网平台，实现接入物联网平台的远程监控终端对电磁仪的远程监控；所述远程监控终端包括但不限于手机、PC电脑或便携式电脑。
本发明的有益效果是：
1)实现对磁场电信号发生的波形、电流方向、频率、输出电流与电压大小等参数实现特定范围内的调控，进而产生允许误差范围内的均匀磁场(磁场强度范围0-30mT任意可调，电流频率在0-300HZ内任意可调)；
2)设备可根据医学数据库等大数据中心建立精确的治疗剂量与计量数学模型，根据外部设备自动识别与计算，针对不同物种、人种的膝关节尺寸及组织类型，完成治疗剂量的动态的输出；
3)可根据治疗自动采集数据进行后台数据库补充，经过数学模型与计算机调控实现每一次治疗的精准反馈调控以达到最佳的治疗效果；
4)设备结构简单、实现成本低。
附图说明
图1为本发明实施例中的低频脉冲电磁仪工作原理示意图；
图2为低频脉冲电磁仪的部分结构示意图。
具体实施方式
本发明旨在提出一种治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪及系统，解决现有技术中治疗膝骨关节炎的设备存在的信号发生模式单一、参数可调范围窄、产生磁场均匀程度误差大、治疗剂量与计量不精准、设备结构复杂、成本高、缺乏动态调节机制的问题。
如图1所示，本发明中治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪，包括控制器、电流信号发生器、电磁线圈、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪；
所述电流信号发生器、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪均与所述控制器相连；
所述电流信号发生器与电磁线圈相连；
所述三维扫描仪对患者膝部进行高度测量或三维扫描，确定患部的形状和空间位置数据，并将数据传输给控制器；
所述控制器利用该数据计算升降平台移动方向和距离，从而控制升降平台将患者的患部移动到磁场最强区域；
所述电流信号发生器在控制器的控制下产生相应波形磁场驱动电流，用以驱动电磁线圈；
所述电磁线圈将驱动电流转换为电磁场对患者的患部进行电磁治疗；
所述磁场强度测量仪实时检测当前真实磁场强度并反馈给控制器；
所述控制器将当前真实磁场强度与预设值进行比较从而控制电流信号发生器调整电流大小，实现闭环负反馈控制。
在具体实现上，控制器采用嵌入式计算机，其具备wifi接口和RJ45接口，以便接入互联网，还可以与医学数据中心联通从而获取医学数据库中的患者的病历数据。
电流信号发生器支持方波信号和非方波信号两种波形，分别由两个独立的波形信号发生模块产生，其中方波电流由方波信号发生模块产生，由固态继电器模块输出至电磁线圈进行方波电流驱动；非方波电流由非方波信号发生模块产生，由控制器的声卡接口经过功率放大器放大后输出至电磁线圈进行非方波电流驱动；
相比之下，方波信号发生模块的结构要简单，也容易输出较大电流；频率在0-300HZ内可调，占空比在20％-80％间任意可调；单电源供电时，电流峰值在0-2A内任意可调，并且可通过串接多台电源的方式，使输出电流在0-6A内任意可调。
非方波信号发生模块的结构要相对复杂，但能够输出复杂电流波形，如：可以输出峰值、频率、相位可调的正弦波以及多个不同峰值、频率、相位正弦波叠加产生的波形。
电流发生器的独立设计，可让用户根据需要自行选择某种波形的设备以降低采购和使用成本。每个模块均提供了二次开发和扩展接口，可通过更新程序或固件的方式，自定义电流输出方式。此外，对于包括两种波形发生模块的设备还可以通过增加切换模块由控制器的I/O口进行选通切换控制，从而满足用户多用途需求。
对于电磁线圈，可以采用现有的三线圈结构，中间部磁场均匀场变化范围2％-5％。
升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪的一种安装位置如图2所示，其中箭头指向为膝部进入方向，升降平台1可以在控制器的控制下向指定方向移动指定距离，三维扫描仪2为非接触膝部高度/三维扫描测量装置，采用结构光+机器视觉三维测量原理，实现患部外轮廓的精确三维扫描，对患部的外部几何尺寸和当前空间位置进行测量，使控制器能够计算出升降平台的运动方向和运动距离，从而使患部进入设备中心部中，即磁场最强和最均匀区域内，降低设备工作电流强度。此外，还可以根据患部表面信息(肤色、表面纹理等)进行人种、组织类型等的确定。磁场强度测量仪3可以实时检测线圈中的磁场强度，为了测量更加准确，可以同时采用多个磁场强度测量仪3。即多个磁场强度测量仪3在指定时刻点采集真实磁场强度，并作为反馈信号作用于电流发生模块，形成闭环负反馈控制回路，保证设备能够长时间稳定工作，也同时实现了设备异常实时监测，保证治疗过程的安全和稳定。
需要说明的是，对于上述结构除在图2中所示位置处安装外，可根据具体需要任意安装，数量不限。
本发明中的治疗膝骨关节炎及软骨损伤的系统在上述低频脉冲电磁仪的基础上还包括医学数据库，医学数据库中存储有患者的病历信息，并可根据病历信息(或者结合三维扫描仪采集的信息)通过数据分析向所述电磁仪的控制器推荐治疗参数，每位病人每次治疗结束后，设备会将以上信息上传至医疗数据库中，并且对应该病人的基本医疗信息。医生根据每次治疗效果进行疗效评分并记入数据库中。使用计算机人工、增强学习领域中的协同过滤、Q学习算法对大量以上信息进行学习。当输入一位新病人的信息后，该系统就会根据之前学习的“经验”产生最优的治疗参数。在有新治疗数据产生后，重复以上过程，不断完善推荐质量。当然，医生还可以根据需要选择手动输入治疗参数。
基于控制器提供的互联网连接功能，可以将系统连接至swaylink物联网平台，不仅快速实现数据的实时上传和远程监控，也实现了远程控制；医生可在本地或远程，通过PC、手机及设备、便携式电脑通过物联网平台对设备进行各项控制。并且可以直接使用物联平台提供的数据处理算法和能力，在云端实现复杂的大数据统计和处理操作。
上述系统的工作原理是：
1.患者按照指定方向，将腿部伸入设备中，并放置在升降平台上，利用膝关节固定装置进行必要的固定，使待治疗的膝关节位于设备水平中心附近；
2.设备开启非接触膝部高度/三维扫描测量装置对患者膝部进行高度测量或三维扫描，确定患部的形状和空间位置；设备控制器利用该数据，自动计算出升降平台的移动方向及距离，并使其将患部移动到设备垂直中心位置，即设备磁场最强区域；此外，设备使用该信息，以及病人的其它病历信息，从医学中心已有的数据库中，通过大数据分析、深度神经网络等算法，推荐至少1种治疗参数，医生可选择接受该治疗参数，或手动输入自定义的治疗磁场强度、治疗持续时间、磁场驱动信号波形参数，开始正式治疗；
3.控制器安照预先设定参数，输出电流产生治疗磁场；同时开启磁场强度测量仪，根据其测量的真实实时磁场强度值，使用负反馈自动控制算法自动调整电流，保证设备始终以预设参数工作。
4.当达到治疗时间，或控制器收到停止治疗命令，依次关断电流和磁场强度治疗仪，结束本次治疗；同时按照预设，以短信、微信、邮件和声光警报等方式，通知指定的医生；
5.设备控制器将本次治疗信息，上传至指定的医疗数据库中。
需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包含但不仅限于上述实施例，本领域技术人员在本发明的上述实施例的描述下所作出的等同修改/替换均未脱离本发明的保护范围。
Claims (10)
1.治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪，其特征在于，包括控制器、电流信号发生器、电磁线圈、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪；
所述电流信号发生器、升降平台、三维扫描仪、磁场强度测量仪均与所述控制器相连；
所述电流信号发生器与电磁线圈相连；
所述三维扫描仪对患者膝部进行高度测量或三维扫描，确定患部的形状和空间位置数据，并将数据传输给控制器；
所述控制器利用该数据计算升降平台移动方向和距离，从而控制升降平台将患者的患部移动到磁场最强区域；
所述电流信号发生器在控制器的控制下产生相应波形磁场驱动电流，用以驱动电磁线圈；
所述电磁线圈将驱动电流转换为电磁场对患者的患部进行电磁治疗；
所述磁场强度测量仪实时检测当前真实磁场强度并反馈给控制器；
所述控制器将当前真实磁场强度与预设值进行比较从而控制电流信号发生器调整电流大小，实现闭环负反馈控制。
2.如权利要求1所述的低频脉冲电磁仪，其特征在于，所述控制器为嵌入式计算机。
3.如权利要求1所述的低频脉冲电磁仪，其特征在于，所述电流信号发生器包括固态继电器模块和方波信号发生模块；所述方波信号发生模块用于产生方波电流并通过固态继电器模块输出到电磁线圈。
4.如权利要求3所述的低频脉冲电磁仪，其特征在于，所述方波电流频率在0-300HZ内可调，占空比在20％-80％间任意可调。
5.如权利要求4所述的低频脉冲电磁仪，其特征在于，所述电流信号发生器包括非方波信号发生模块、音频接口和功率放大器；所述非方波信号发生模块用于产生峰值、频率、相位可调的正弦波电流或者产生多个不同峰值、频率、相位正弦波叠加的波形电流，并通过嵌入式计算机的音频接口输入到功率放大器中进行功率放大，功率放大后的电流信号输入到电磁线圈。
6.如权利要求5所述的低频脉冲电磁仪，其特征在于，所述电流信号发生器还包括切换模块，所述切换模块连接控制器，并与方波信号发生模块和非方波信号发生模块相连，用于在控制器的控制下选择切换至方波信号发生模块以输出方波电流或者切换至非方波信号发生模块以输出非方波信号电流。
7.如权利要求1所述的低频脉冲电磁仪，其特征在于，所述升降平台上设有膝关节固定装置，用于对患者的膝关节进行固定。
8.治疗膝骨关节炎及软骨损伤的系统，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的电磁仪，还包括医学数据库，所述电磁仪的控制器与医学数据库相连，所述医学数据库中存储有患者的病历信息，并可根据病历信息通过数据分析向所述电磁仪的控制器推荐治疗参数，所述电磁仪的控制器还接受手动输入治疗参数。
9.如权利要求8所述的治疗膝骨关节炎及软骨损伤的系统，其特征在于，所述治疗参数包括治疗磁场强度、治疗持续时间、磁场驱动电流波形参数。
10.如权利要求8所述的治疗膝骨关节炎及软骨损伤的系统，其特征在于，所述电磁仪的控制器具有wifi、RJ45接口，用于通过互联网接入物联网平台，实现接入物联网平台的远程监控终端对电磁仪的远程监控；所述远程监控终端包括手机、PC电脑或便携式电脑。
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| CN201611158500.3A CN106581861A (zh) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | 治疗膝骨关节炎及软骨损伤的低频脉冲电磁仪及系统 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108079441A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-05-29 | 四川大学华西医院 | 一种治疗骨质疏松的智能脉冲电磁装置及系统 |
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| CN116440420A (zh) * | 2023-05-30 | 2023-07-18 | 河南翔宇医疗设备股份有限公司 | 一种应用于激光磁场理疗仪的磁场强度线性控制方法 |
Citations (4)
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2016
- 2016-12-15 CN CN201611158500.3A patent/CN106581861A/zh active Pending
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