一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置的制作方法

本发明涉及一种强磁场装置，特别涉及一种治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置。

背景技术：

骨骼代谢疾病是由于多因素引起正常骨骼代谢的生化和细胞状态改变，导致骨骼正常代谢失衡的骨骼疾病。骨代谢相关疾病包括废用性、绝经、脊髓损伤、老龄化和药物等导致的骨质疏松症、以及骨质增生、骨折、椎骨压缩性骨折、股骨头坏死、骨不连、增生性骨关节病、骨痛等。骨代谢疾病和心血管疾病、糖尿病等慢性疾病已成为威胁中老年人群健康的重要疾病。例如，最常见和多发的骨质疏松症，该症状是以骨量减少，骨组织的微观结构显著退化为特征的骨骼疾病。骨质疏松症可能由老龄化、女性绝经、高钠饮食、钙和维生素D缺乏，以及药物等多种原因导致。骨质疏松症致使骨骼强度下降，继而引起骨折风险增加、椎骨压缩性骨折、股骨头坏死、高血钙、结石和血管硬化等症状。此外，长期肌骨废用也会引起严重的骨质流失，如航天员长期空间飞行中的失重环境、地面长期卧床人群等都伴随着骨质流失的发生。国内外目前主流的骨质疏松症治疗理论是以增加钙吸收、维生素D、调节激素水平、促进骨形成和抑制骨吸收等方式，通过多种原理的药物治疗对骨骼代谢进行干预，而物理治疗等非侵入式的治疗方式则相对缺乏。

骨代谢的平衡主要是由骨组织细胞彼此间相互通讯、相互作用来发挥作用的。人体骨组织细胞主要包括骨细胞（Osteocyte）、成骨细胞（Osteoblast，OB）和破骨细胞（Osteoclast，OC）等。其中破骨细胞来源于骨髓单核巨噬细胞系，在骨的重建起始阶段分化成熟后发挥骨吸收功能；成骨细胞来源于骨间充质干细胞，在骨重建过程中的新骨形成环节发挥矿化作用的效应细胞；骨细胞是力学敏感细胞，感受外界力学的刺激，调节骨代谢平衡。

“磁性”是自然界存在的由元素构成的物质均具有的最基本的物理属性之一。地球，为地球生命提供了天然的磁场环境；同时人类还发明和制造了多种形式的人工磁场：包括，强稳恒磁场、脉冲磁场、交变磁场等。

多种形式的强磁场用于骨骼系统的研究已有报道：脉冲电磁场作为磁场的一种类型，其在20世纪70年代就已经应用临床物理治疗多种疾病，并且其安全性也已经通过美国FDA认证。脉冲电磁场能够加快骨不连患者的骨折愈合也已经被科学研究证实。西北工业大学于2016年发表在“电磁生物学及医学（Electromagnetic Biology and Medicine）”专业期刊的研究表明亚磁场（500 nT）和16 T的强磁场对于骨代谢的平衡有重要的调控作用，其中亚磁环境可以促进破骨细胞分化，而强磁场可以通过促进成骨细胞的增殖、分化和矿化能力；以及抑制破骨细胞的增殖、形成和破骨能力。因此发明人认为强磁场可以通过调节成骨和破骨细胞的活动调节促进骨代谢平衡。东京大学在2002年和2008年分别发表在“骨与矿物质研究杂志（Journal of Bone and Mineral Research）”和“生物电磁学（Bioelectromagnetics）”杂志上的文章指出8 T的强磁场曝磁能够促进成骨细胞按磁场方向排列，并且能够刺激骨形成、促进新形成骨的排布方向与磁场方向平行。

迄今，世界各国研究显示，没有证据表明强磁场环境对人体有明显和长期的伤害，世界卫生组织（WHO）在2006年公布的“静场标准（Static Field，Criteria 2006）”指出，8T强稳恒磁场短期暴露，对人体是安全的。公认磁场疗法属于目前已知非电离辐射和场类疗法中唯一可以均匀穿透人体且损伤最小的物理治疗方式。但由于强磁场制备成本和磁医学研究缺少等原因，目前磁场医疗设备应用在医疗实践中，除磁共振成像（MRI）使用超过1T的强磁场外，其他方式的磁治疗设备，包括磁针、磁穴位治疗、经颅磁刺激技术等应用磁感应强度一般均在1T以下，其中经颅磁刺激技术利用毫特级脉冲磁场作用于中枢神经系统，改变皮层神经细胞的膜电位，影响脑内代谢和神经电活动，从而达到治疗相关疾病的效果。强磁场设备中仅磁共振设备能够通过强磁场获取医学影像，其他的强磁场设备并未在临床疾病治疗中应用。此外，基于磁场的物理治疗方式存在一定的阈值，低剂量磁场曝磁无法在治疗中取得预期的效果，而近年来强磁场材料和制造技术的发展给磁场在临床疾病的治疗提供了解决方案和可行性，但是怎样缩小形成强磁场装置的体积使之能用于医疗设备、如何形成曝磁区域稳恒磁场、梯度或脉冲磁场是目前技术中遇到的瓶颈。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，主要解决现有装置存在的磁感应强度较低、怎样缩小形成强磁场装置的体积使之能用于医疗设备、如何形成曝磁区域稳恒磁场、梯度或脉冲磁场的技术问题。本发明装置其治疗范围包括：废用性、绝经后、脊髓损伤、老龄化和药物等导致的骨质疏松症、以及骨质增生、骨折、椎骨压缩性骨折、股骨头坏死、骨不连、增生性骨关节病、骨痛等。该方法和装置可以调整人体骨骼系统成骨细胞、破骨细胞的功能；或进行局部曝磁，调节局部部位组织骨代谢过程，促进成骨作用、抑制破骨作用，最终实现骨相关疾病的治疗。

本发明通过以下技术方案实现：一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括磁场发生单元，磁场发生单元通过数据线连接控制箱，磁场发生单元设置治疗架上方或一侧。

磁场发生单元由超导线圈、超导线圈和永磁体组合或超导线圈和电磁线圈组合构成，组成圆形、块状或环状，磁场发生单元产生的磁场源为在曝磁空间内均匀分布的稳恒磁场、在曝磁空间内呈一定梯度的梯度磁场、强度和频率可调的脉冲磁场、磁场方向可调可控的交变磁场。超导线圈所用的材料包括第一代铋系或第二代钇系高温超导材料，以及其他高温和低温超导材料；优选第一代铋系高温超导材料或第二代钇系高温超导材料，进一步优选第二代钇系高温超导材料。超导线圈采用宽度为2 - 20 mm超导线材或带材，由平行排列线圈的缠绕而成，每个线圈绕制匝数相同，形成人体目标曝磁区域均匀分布的稳恒磁场；或通过分别控制线圈内通过的电流大小及方式形成梯度或脉冲磁场。线圈电流范围为0 - 500 A，优选范围为250 - 500 A。利用该高温超导材料可产生的磁感应强度范围为1 - 50 T，优选范围为3 - 50 T，进一步优选为3 - 16 T。磁感应强度通过控制线圈内的电流大小和方向控制。

所述控制箱包括磁场控制器、数据存储器、中央处理器及显示面板；磁场控制器根据磁场发生单元的不同分别为静磁场控制器、脉冲磁场控制器、梯度磁场控制器，用于控制产生的磁感应强度和方向；数据存储器用于存储患者信息、采集的磁场环境数据；中央处理器用于对上述数据进行处理，显示面板用于显示磁场传感器测量的磁感应强度参数。

当用于人体腰椎以下肢体治疗时，所述治疗架为一带有直线滑轨的床体，床体表面嵌有数据采集单元，数据采集单元通过数据线与控制箱连接，数据采集单元由磁场传感器构成，磁场发生单元为圆形超导线圈或超导线圈与永磁体、电磁线圈的组合构成，位于床体上方，固定于用于驱动磁场发生单元沿床体移动的直线驱动部件上。

当用于仰卧局部位置治疗时，磁场发生单元为圆形件或块状，磁场发生单元为单个或多个，由超导线圈或超导线圈与其他磁体组合构成，通过转动臂固定在可移动支架上，并可沿可移动支架上下移动，磁场发生单元也可先固定在旋转头上，然后旋转头固定在转动臂上，所述治疗架为床体，床体表面嵌有数据采集单元，数据采集单元通过数据线与控制箱连接。

当用于腿部局部治疗时，磁场发生单元为环状，内部结构由环形超导线圈、超导线圈与永磁体或电磁线圈的组合构成。所述治疗架为底座，磁场发生单元固定在底座的一端，底座下设有纵向导轨，可沿纵向移动。在底座上方设有人体下肢固定架，人体下肢固定架上设有横向导轨，足部托架设置在横向导轨上，可沿横向移动。

本发明的有益技术效果：相比现有技术，本发明： 采用高温超导带材，可绕制各种复杂形状的磁体及多种磁体的组合，满足从均匀磁场、梯度磁场到脉冲磁场的不同磁场需求，应用于人体多个部位。本发明通过使用超导线圈或超导线圈与其他磁体的组合，产生磁感应强度最强为50 T（特斯拉）的均匀稳恒磁场、梯度磁场或脉冲磁场。使用的超导线圈带材宽度最宽可达到20 mm；带材内的电流最高达到500 A，相比其他电磁线圈有效降低了能耗，并且通过单独控制独立线圈来控制整体磁场的类型简化了使用时的操作步骤。

附图说明

图1为本发明超导线圈结构示意图。

图2为本发明超导线圈绕制示意图。

图3为本发明实施例3结构示意图。

图4为本发明实施例4结构示意图。

图5为本发明实施例5结构示意图。

图6为本发明实施例6结构示意图。

图7为本发明数据流和电路结构框图。

图中：1-床体，2-磁场发生单元，3-控制箱，4-数据采集单元，5-直线滑轨，6-可移动支架，7-转动臂，8-底座，9-纵向导轨，10-人体下肢固定架，11-横向导轨，12-足部托架，13-旋转头，14-直线驱动部件，15-超导线圈，16-超导带材，17-不锈钢圈，18-导线。

具体实施方式

实施例1，如图1、2所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置内部超导线圈，包括由第二代钇系高温超导带材（带材宽度12 mm，最大电流485 A，上海上创超导科技有限公司）绕制而成的超导线圈15。超导带材16以同心圆的方式绕制，绕制线圈内孔径分为30 cm和90 cm两种，可分别用于四肢和躯干骨代谢疾病治疗中的曝磁。不锈钢圈17用于支撑超导线圈。应用中，两个超导线圈同轴排列，通过控制线圈间距、线圈内电流随时间变化的大小和方向，可控制磁场的分布，实现多种形式与分布的高场环境，包括均匀磁场、梯度磁场或脉冲磁场，以满足不同治疗需求。该超导线圈结构为磁场发生的基本构架，可用于以下实施例中的磁场发生单元，满足不同磁场发生的需要。

实施例2，由第一代铋系高温超导带材16（带材宽度20 mm，最大电流500 A，上海上创超导科技有限公司）绕制而成的超导线圈15。其与同实施例1。

实施例3，如图3、7所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元由圆形超导线圈构成，线圈电流范围为0 - 500 A，线圈产生的磁感应强度可单独控制，用于产生最强50 T的均匀稳恒磁场、梯度磁场或脉冲磁场或是两者混合磁场。磁场发生单元2位于床体1上方，固定于用于驱动磁场发生单元2沿床体移动的直线驱动部件14上，在磁场发生单元2与床体1中间位置产生需要的磁场。所述床体1设置在直线滑轨5上，数据采集单元4由磁感应强度测量传感器（SAV01，宜昌东方微磁科技）构成，其嵌于床体1上表面，数据采集单元4、磁场发生单元2通过数据线连接控制箱3，所述控制箱3包括磁场控制器（MDA-3，英国CT）、数据存储器（ZLKCFM100，卓乐康）、中央处理器（IPC-610-L-H-G-MB，研华科技）及显示面板（T104XGA，TKUN），磁场控制操作台将患者信息输入中央处理器，然后通过数据传输保存至数据存储器。磁场控制操作台输入需要产生磁场的参数，通过中央处理器、脉冲磁场以及梯度磁场控制器控制磁体线圈产生磁场环境，磁场参数通过磁场传感器监测并传输数据至数据存储器和显示面板，数据采集单元采集的信息通过数据传输至数据存储器。

使用该磁场进行曝磁治疗时，患者平躺于床体1上，床体1沿直线滑轨5将患者平移至磁场发生单元2下方，固定患者位置。患者在床体上位置固定后，通过磁场控制器控制磁场发生单元2的线圈组产生不同类型的磁场环境。需曝磁患者髋关节时，直线运动驱动部件14控制磁场发生单元2以不同速度扫过人体髋关节上方，通过磁场控制器控制磁场发生单元产生预定的磁场环境。患者仰卧位时的背部等人体中轴线下方即为传感器阵列，该阵列传感器用来检测患者接受曝磁时的磁感应强度。该磁感应强度能够显示于显示面板，供物理治疗师或临床医生等仪器操作人员进行场强和磁场类型的调整控制。

实施例4，如图4所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括两个磁场发生单元2，磁场发生单元2为单个超导线圈，线圈电流范围为0 - 500 A，用于产生最强为50 T的均匀稳恒磁场、梯度磁场或脉冲磁场。两个磁场发生单元2分别通过转动臂7固定在可移动支架6上，并可沿可移动支架6上下移动，磁场发生单元2位于床体1上方，在磁场发生单元2与床体1中间位置产生需要的磁场，数据采集单元4由磁感应强度测量传感器构成，其嵌于床体1上表面。磁场发生单元2通过数据线连接控制箱3。元器件的市购同实施例2。

人体位于仰卧位平躺于床体25接受曝磁，床体1为PVC塑钢结构，与地面相对静止。转动臂7控制磁场发生单元2移动至人体目标区域，通过磁场控制器控制磁场发生单元2产生预定的磁场环境。

实施例5，如图5所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为环状，内部结构由环形超导线圈构成。线圈电流范围为0 - 500 A，用于产生最强为50 T的均匀稳恒磁场、梯度磁场或脉冲磁场。磁场发生单元2固定在底座8的一端，底座8下设有纵向导轨9，可沿纵向移动。在底座8上方设有人体下肢固定架10，人体下肢固定架10上设有横向导轨11，足部托架12设置在横向导轨11，可沿横向移动，磁场发生单元2通过数据线连接控制箱3。元器件的市购同实施例2。

人体持坐姿坐于椅子上，治疗时腿水平放置，足部置于人体下肢固定架10上的足部托架12上，足部托架12可沿横向导轨11滑动，以此调节人体下肢的相对位置。患者下肢穿过环状磁场发生器2的中部空间。曝磁治疗时，将环状磁场发生器2通过纵向导轨9移动至患者髋关节股骨头位置，使用足部托架12上的绑带固定患者足部，将磁感应强度传感器固定于患者位于环状磁场发生器2内部的皮肤表面，用于检测曝磁至人体的磁感应强度和类型。利用场强控制器控制环状磁场发生器产生稳恒静磁场或脉冲磁场，治疗局部骨质疏松或骨折。

实施例6，如图6所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为圆形件，磁场发生单元为单个超导线圈，线圈电流范围为0 - 500 A，用于产生最强为50 T的均匀稳恒磁场、梯度磁场或脉冲磁场。磁场发生单元2固定在旋转头13上，旋转头13通过转动臂7固定在可移动支架6上，转动臂7可沿可移动支架6上下移动，磁场发生单元2位于床体1上方，在磁场发生单元2与床体1中间位置产生需要的磁场，数据采集单元4由磁感应强度测量传感器构成，其嵌于床体1上表面。磁场发生单元2通过数据线连接控制箱3。元器件的市购同实施例2。

人体位于仰卧位平躺于床体1接受曝磁，床体为PVC塑钢结构，与地面相对静止。旋转头13磁场发生单元2通过可移动支架6以及移动臂7固定于人体目标位置上方，在人体目标位置上方以不同速度旋转。通过磁场控制器控制磁场发生单元2预定的磁场环境，磁力线的方向平行于床体1表面。

实施例7，如图3所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为环状，内部结构由超导线圈和电磁线圈的组合构成，线圈电流范围为250 - 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 50 T，其余同实施例3。

实施例8，如图3所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为环状，内部结构由超导线圈和永磁体组合构成，线圈电流范围为250 - 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 50 T，其余同实施例3。

实施例9，如图4所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括两个磁场发生单元2，磁场发生单元2为环状，内部结构由超导线圈和永磁体组合构成，线圈电流范围为250 - 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 16 T，其余同实施例4。

实施例10，如图4所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括两个磁场发生单元2，磁场发生单元2为环状，内部结构由超导线圈和电磁线圈组合构成，线圈电流范围为250 - 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 16 T，其余同实施例4。

实施例11，如图5所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为环状，内部结构由环形超导线圈和永磁体构成。线圈电流范围为250- 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 16 T，其余同实施例5。

实施例12，如图5所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为环状，内部结构由环形超导线圈和电磁线圈构成。线圈电流范围为250- 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 16 T，其余同实施例5。

实施例13，如图6所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为长方块状，由环形超导线圈和电磁线圈构成，线圈电流范围为250- 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 16 T，其余同实施例6。

实施例14，如图6所示，一种用于治疗骨代谢相关疾病的强磁场装置，包括一个磁场发生单元2，磁场发生单元2为长方块状，由环形超导线圈和永磁体构成，线圈电流范围为250- 500 A，产生的磁感应强度范围为3 - 16 T，其余同实施例6。

上述实施例中的磁场环境可以通过磁场控制器控制调节，磁场可以是无梯度的均匀稳恒静磁场；可以控制磁场发生单元中的每组线圈产生不同强度的磁场，在患者整体产生梯度磁场；也可以通过控制单组或多组线圈轮流产生特定场强的、频率可调节的脉冲磁场，此时作用于患者整体即是在时域内以一定频率变化的磁场环境；还可以是磁场方向可调可控的交变磁场。