TW201517953A

TW201517953A - 運用ｃ型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場使用於快速治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備

Info

Publication number: TW201517953A
Application number: TW102140998A
Authority: TW
Inventors: xuan-zhi Lin; Zhi-Qian He; Qin-Song Xu; Jian-Guo Chen; Shun-Tai Xu
Original assignee: xuan-zhi Lin
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-05-16

Abstract

本發明乃是運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場，使用於治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備(如第一圖所示)，其係利用一供電部、一激磁部以及一控制部所構成，其係使用較小恆定電流來進行大電容儲電後，運用RLC阻尼振盪原理執行快速放電，以產生瞬間(約5毫秒)大磁通密度，為可調整之0.05~1.5特斯拉(Tesla，以下簡稱“T”)均勻磁場。其中，該供電部係包含一高電壓變壓器、一高電壓整流器、一PWM(脈衝寬調變)驅動器、一高電壓固態開關、一大電容組，由高電壓變壓器及高電壓整流器產生直流高電壓，再由PWM驅動器及高電壓固態開關來施行PWM方式之定電流-定電壓充電控制，對大電容組進行充電，構成大能量儲能功能，目的在於充電時避免電源輸入端產生電流突波，且達成降低功率消耗的功效，以及一可以快速放電的矽控整流子(SCR)；該激磁部係包含一C型電磁鐵芯、一對激磁線圈以及一治療載具，用來產生高磁通密度單脈衝電磁場，以執行生物(含人體及動物)四肢硬骨及軟骨之損傷或退化的治療；該控制部係包含一中央控制單元及一操作面板，用來執行電源開啟、操作控制(設備操作之啟動/停止、操作計數設定及電磁鐵溫度設定等)、接收電容電壓信號、溫度信號等，並輸出充/放電控制、PWM控制信號、電容電壓顯示及警示信號；藉此，本發明可達到快速治療人體或動物之硬骨及軟骨的損傷或退化之功效。

Description

運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場使用於快速治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備

本發明係一種運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場，使用於治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備。

以往利用磁波治療硬骨及軟骨的裝置大多以螺線管(Solenoid)或U型電磁鐵來產生電磁場，電磁感應的公式如下：磁通密度(B)=μ₀μ_r×NI/L，其中μ₀=4π×10^-7Web/Am為真空之導磁係數，μ_r：相對導磁係數，N：線圈匝數，I：激磁電流，L：導磁迴路長度。

由於矽鋼片的相對導磁係數(μ_r)約為7000，而空氣芯的μ_r≒1，習知的電螺線管由於無鐵芯(空氣芯)不易產生高磁場強度，而U型電磁鐵雖可產生高磁場強度，但其磁場密度並不均勻，且隨著遠離U型電磁鐵之距離愈遠，磁場強度會大幅度下減。

習知的電容充電大都為非定電流的電容充電方式，其充電公式為V_c=V_i(1-exp(-t/R_ch×C))，其中V_c：充電時的電容電壓，V_i：輸入電壓，t：充電時間，R_ch：充電電阻，C：電容值；而充電的「電流-時間(I-t)」關係如第五圖所示，在充電初期會有大電流產生，如此容易導致外部的公共電網產生電流突波，因此需以定電流的電容充電方式來改善；但是定電流控制需要使用電晶體及電阻來限制電流，以達到定電流的目的，而電晶體的集極與射極間的電壓降(V_ce)會造成電能的消耗，其計算公式為：功率耗損(P_d)=V_ce×I，其中電晶體集極與射極間的電壓(V_ce)與導通電流(I)皆大於0，因此功率耗損會存在，因此需以PWM(Pulse Width Modulation)方式之定電流-定電壓控制技術來改善。

目前利用磁場治療硬骨及軟骨的設備有產生連續脈衝電磁場或恆定磁場兩種型式，前者的裝置所產生之磁波在一正弦磁波後將伴隨一負弦磁波，因此細胞不斷交錯地接受正負訊息，容易讓細胞疲乏於磁波刺激，而後者之恆定磁場對於細胞活化的作用非常緩慢。

故本發明之使用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場的技術，以及使用PWM(脈衝寬調變)方式之定電流-定電壓控制技術，可改善上述習知技術的缺點，一次只產生單正弦磁波而無負弦磁波之產生。

本發明之主要目的，係利用一種運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場的設備，達到快速治療人體或動物之硬骨及軟骨的損傷或退化部位之功效。

為達上述目的，本發明之運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場的設備，其係由一供電部、一激磁部以及一控制部所構成，藉由該供電部使用較小恆定電流以進行大電容儲電後，再運用阻尼振盪原理執行大電流快速放電至該激磁部，以產生可調整之高磁通密度單脈衝電磁場。

於本發明之較佳實施例中，該供電部包含一高電壓變壓器、一高電壓整流器、一PWM驅動器、一高電壓固態開關、一大電容組以及一快速放電開關；其中該高電壓變壓器及高電壓整流器係用於產生直流高電壓，該PWM驅動器及高電壓固態開關係用於進行定電流-定電壓充電控制。

於本發明之較佳實施例中，該PWM驅動器係用於對大電容組使用定電流充電，於電容即將充滿時，再轉換成定電壓充電。

於本發明之較佳實施例中，該高電壓固態開關可為一金氧半導體場效電晶體(MOSFET)、隔離閘極雙極性電晶體(IGBT)、達林頓電晶體(Darlington transistor)或功率電晶體等。

於本發明之較佳實施例中，該快速放電開關可為一矽控整流子(SCR)、MOSFET、IGBT等。

於本發明之較佳實施例中，該供電部可進一步包含一限流電阻。

於本發明之較佳實施例中，該激磁部係包含一C型導磁鐵芯，以及一對繞設於該鐵蕊上之激磁線圈，以產生磁通密度為0.05-1.5T之高磁通密度單脈衝電磁場。

於本發明之較佳實施例中，該激磁部的激磁作業區設有一治療載具。

於本發明之較佳實施例中，該控制部具有一中央控制單元以及一操作面板。

於本發明之較佳實施例中，該操作面板可包含一電壓表、一操作計數器、一溫度控制器、一電源開關、一啟動按鈕、一停止按鈕或一警示器。

1‧‧‧運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場使用於快速治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備

11‧‧‧供電部

111‧‧‧高電壓變壓器

112‧‧‧高電壓整流器

113‧‧‧PWM驅動器

114‧‧‧高電壓固態開關

115‧‧‧限流電阻

116‧‧‧大電容組

117‧‧‧矽控整流子(SCR)

12‧‧‧激磁部

121‧‧‧導磁鐵芯

122‧‧‧激磁線圈

123‧‧‧治療載具

13‧‧‧控制部

131‧‧‧中央控制單元

132‧‧‧電壓表

133‧‧‧操作計數器

134‧‧‧溫度控制器

135‧‧‧電源開關

136‧‧‧啟動按鈕

137‧‧‧停止按鈕

138‧‧‧警示器

第一圖係本發明運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場使用於快速治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備示意圖。

第二圖係本發明之C型電磁鐵的磁通密度分布圖。

第三圖係本發明之PWM方式之定電流-定電壓控制示意圖。

第四圖係本發明之臨界阻尼振盪單次脈衝波形示意圖。

第五圖係習知之電容充電的「電流-時間(I-t)」關係曲線圖。

本發明係運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場，使用於治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備1，其乃包括：一供電部11、一激磁部12以及一控制部13所構成；其中，該供電部11係包含一高電壓變壓器111、一高電壓整流器112、一PWM驅動器113、一高電壓固態開關114、及/或一限流電阻115、一大電容組116以及一矽控整流子(SCR)117；由高電壓變壓器111及高電壓整流器112將輸入之電源轉換成直流高電壓(800~1000V_dc)，再由PWM驅動器113將來自中央控制單元131的PWM信號轉換後驅動高電壓固態開關114，來執行PWM方式之定電流-定電壓充電控制，對大電容組116進行充電，構成大能量儲能功能，目的在於充電時避免電源輸入端產生電流突波，且達成降低功率消耗的功效。

該激磁部12係包含一C型導磁鐵芯121、一對繞設於該導磁鐵蕊121的二磁極上之激磁線圈122、一治療載具123；當電容充電完成時，中央控制單元131會發送信號使矽控整流子(SCR)117導通而對激磁線圈122快速放電，使導磁鐵芯121產生高磁通密度(約1T)之單脈衝電磁場，其運作原理如下所述。

首先，施加電流於C型電磁鐵(導磁鐵芯121及激磁線圈122)的兩側激磁線圈122，由於電磁感應的效應使該C型電磁鐵在其激磁作業區內能獲得均勻的磁通密度，如第二圖為例，本發明在兩磁極間所產生的磁通密度為0.9~1.1T。

其中，當進行充電時係利用定電流-定電壓充電的方式先行計算出平均電流做為恆定電流的參考值，再運用恆定電流對大電容組116充電，如此可使充電期間的電流穩定，而不致導致外部的公共電網產生電流突波；且在電容即將充滿時(約95%)，再轉換成定電壓充電，以使電容不會因過充而損傷。

以及，使用PWM(脈衝寬調變)方式之定電流-定電壓控制(請參考第三圖)可使電晶體(含MOSFET、IGBT…等)工作於飽和(Saturation)區與截止(Cut off)區，如此可使功率耗損降至最低，其分析說明如下。

1.功率耗損分析：

電晶體的功率耗損(P_d)=V_ce×I，其中V_ce：集極(Collector)與射極(Emitter)間的電壓降，I：充電電流。

工作於截止區時I≒0，因此P_d≒0，而工作於飽和區V_ce≒0，因此P_d≒0；所以在PWM方式控制下，功率耗損很低。

2. PWM方式之定電流控制分析：

PWM的平均電壓(V_av)=V_m×T_on/T_w…(1)

其中V_m：最高電壓，T_w：PWM信號的週期，T_on：每一週期動作(on)的時間。

由公式(1)可知：改變T_on可以改變平均電壓(V_av)，而充電電流(I)=(V_av-V_c)/R_ch…(2)

其中V_c：充電時電容的電壓(在充電過程中會逐漸上升)，R_ch：充電時的限流電阻。

電容的充電電壓(V_c)=V_i(1-exp(-t/R_ch×C))…(3)

其中V_i：充電時的輸入電壓，t：充電時間(以時間常數“τ”來表示)，C：電容值。

參照公式(1)、(2)、(3)，若預先算出V_c的上升曲線，依照該上升曲線來調變PWM(脈衝寬調變)之每一週期動作的時間(T_on)，以使V_av-V_c保持定值，即可獲得恆定的充電電流(I)。

當充電達到V_c≧0.95V_m時，設定T_on=T_w，此時即以V_m為定電壓的充電模式，直到V_c=V_m為止。

當大電容組116的電容(C)充電飽和後，使用一快速放電開關(如本發明之矽控整流子(SCR)117或MOSFET或IGBT等)來進行對C型電磁鐵放電，以產生脈衝電磁場，由於C型電磁鐵的線圈會有電感(L)及串聯電阻(R)，故可適當選擇R、L、C值，使ω₀=β，其中ω₀=，β=R/2L，如此振盪形態為「臨界阻尼振盪(Critical-damping oscillation)」，激磁電流的振盪波形如第四圖所示。

高磁通密度的脈衝電磁場會刺激間葉系幹細胞增生，進而增加硬骨細胞與軟骨細胞的新生，因此而達到治療生物四肢硬骨及軟骨損傷或退化的醫療效果。

該控制部13係包含一中央控制單元131及一操作面板(包含：電壓表132、操作計數器133、溫度控制器134、電源開關135、啟動按鈕136、停止按鈕137、警示器138)，用來執行電源開啟、操作控制(設備啟動/停止、操作計數設定及電磁鐵溫度設定等)、接收電容電壓信號、溫度信號等，並輸出充/放電控制、PWM控制信號、電容電壓顯示及警示信號。

本發明之設備之大電容組116係用來做為外部電源輸入與瞬間大電流輸出之間的緩衝機制，乃是運用類似「水庫儲水發電」的原理，先使用較長時間來對電容充電，再瞬間對電磁鐵放電，以產生高磁通密度的脈衝磁場，如此可以在放電瞬間不會造成電源輸入發生大電流的變化，而影響到外部公共電網；而為了增加充電電流的均勻度，本發明進一步應用「定電流-定電壓」的充電技術，先使用定電流充電，以達成充電電流的均勻，然後在電容即將充滿時(約95%)，再轉換成定電壓充電，以使電容不會因過充而損傷；但是一般習用線性定電流的充電會造成驅動電晶體的功率耗損，為了降低該耗能，本發明係運用PWM式的定電流控制，讓其開關電晶體工作於飽和區與截止區，如此不但達成「定電流-定電壓」的充電功能，且可使功率耗損降至最低。

本發明之設備應用於硬骨及軟骨損傷或退化的治療，乃是將被治療的生物體部位(人體或動物的四肢)放置於治療載具123內，再放入電磁鐵之激磁作業區；之後，依照需治療的狀態設定治療條件(每天療程的激磁強度與次數)，再按“啟動按鈕”開始執行充電，充電完成後開始對電磁鐵放電/激磁，此時電磁鐵會產生單次高磁通密度的脈衝磁場，對載具內的生物體部位進行激磁治療；在每次激磁作業完成後，即由操作計數器133進行計數，俟設定的計數值到達時即停止充/放電運作，等待下一回的重新操作，並發出警示，直到停止按鈕137被按下；溫度控制器134用來檢測電磁鐵之線圈的溫度並顯示之，當該溫度超過設定值時，中央控制單元131即會使設備停止運作，並發出警示，直到停止按鈕137被按下。

本發明所述之上述實施例僅為例示之用，並非用以限制本發明之範圍與精神，因此除文中所示之實施例外，本發明亦可廣泛地應用在其它實施例中；且本發明並不受限於特定實施例，應以本發明之申請專利範圍及其均等領域而定。

本發明之運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場使用於快速治療硬骨及軟骨之損傷或退化的設備將再配合第一圖進一步詳述於下：本發明之設備使用前須先將控制部13之電源開關135開啟，使用時須將激磁部12之治療載具123放置於激磁作業空間內，再將欲接受治療之生物體的部位放於治療載具123內，並於控制部13之操作計數器133設定脈衝磁場產生次數；前述作業備妥後，當控制部13之啟動按鈕136被按下啟動時，中央控制單元131會自動依照供電部11之充電中的大電容組116的電壓，產生對應的PWM信號，其運作原理如上文所述，該PWM信號會經由PWM驅動器113的驅動電路來驅動高電壓固態開關114，以執行PWM方式之定電流-定電壓的充電；前述控制部13之中央控制單元131可使用可程式控制器 (PLC)、工業級電腦(IPC)或微處理器來執行，高電壓固態開關114可以使用金氧半導體場效電晶體(MOSFET)、隔離閘極雙極性電晶體(IGBT)、達林頓電晶體(Darlington transistor)或功率電晶體等。

當大電容組116的電容充滿時，中央控制單元131會停止PWM信號，電容之充電運作即會停止；此時，中央控制單元131會發送供電部11之矽控整流子SCR 117的驅動信號，使其導通來將大電容組116的電壓對激磁部12之激磁線圈122進行大電流快速放電，此時由於電磁感應及導磁鐵芯121的高導磁作用，而產生高磁通密度的脈衝磁場，其運作原理如上文所述。

當高磁通密度的脈衝磁場產生時，大電容組116的電壓會降為零，此時SCR 117會截止導通，若操作計數器133所設定的計數值尚未到達，則會重新產生一PWM信號，以執行PWM方式的定電流-定電壓充電，然後再執行激磁放電；如此重複進行「充電-放電」的循環，讓C型電磁鐵每間隔(約3~6秒)重複產生高磁通密度的脈衝磁場，直到設定的計數值到達為止。

本發明之設備在上述之「充電-放電」的循環過程中，所產生的高磁通密度脈衝電磁場，可使硬骨及軟骨損傷或退化達到快速治療的效果，依據動物實驗結果，經本發明設備的治療，通常可提前為自然癒合時間的1/4~1/3倍；例如：某類骨折的自然癒合時間平均為6個月，使用本發明的設備治療，可提前在1.5~2個月治癒。

習用之以U型電磁鐵所製成的治療硬骨及軟骨損傷或退化的設備，經各學術單位如成功大學醫學工程研究所、高雄醫學大學生理及分子醫學研究所等學者及研究生所發表的學位論文，證實高磁通密度單脈衝電磁場對於小動物(老鼠)的硬骨及軟骨損傷或退化具有快速治療的效果；而本發明之設備係使用C型電磁鐵來改善前述設備，以使激磁操作區的磁通密度更為均勻，可適用於人體及大動物的四肢之硬骨及軟骨損傷或退化部位的治療。

綜上所述，本發明之運用C型電磁鐵產生高磁通密度單脈衝電磁場的設備可用於快速治療硬骨及軟骨之損傷或退化並達到發明之預期目的，具有實用價值無疑，確具備申請專利所需之新穎性、進步性及產業利用性要件，爰依法提出發明專利申請。