专利名称：非侵入式电磁场治疗骨质疏松的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用电磁场对骨质疏松进行非侵入式治疗的方法和装置。
骨质疏松是一种多发性疾病，其特征是骨量减少、骨组织微细结构受损，导致骨骼脆性增加，骨折危险性升高。骨质疏松患者遭受轻微外力即可发生骨折，即非暴力性骨折。
治疗骨质疏松的方法之一是药物治疗，常用的药物包括雌激素、降钙素、甲状旁腺素、双膦酸盐、氟化物等。这些药物不仅昂贵，而且长期疗效欠佳，并且还无一例外地具有副作用。例如，目前医学界最为推崇雌激素替代疗法，但是，妇女患者长期服用后有约30％出现了子宫内膜增厚等癌样病变。迄今为止，尚无一种安全、显效的用于治疗骨质疏松的药物。
另一种治疗方法是向人体施加电磁场，从而达到治疗骨质疏松的效果。20世纪50年代以来，人们对电磁场对人体骨骼的作用机理进行了广泛的研究。到1989年，Bassett较系统地对该方面的研究成果进行了总结，肯定了电磁场的治疗效果，初步从理论上提出了电磁场影响骨组织修复行为的机理，即电磁场可以改变活组织的电和/或化学环境，影响和修正组织的生长、修复和维持行为。
向人体施加电磁场的方式按所加电磁场的性质可以分为直流、交流和交直流复合场三种。如果按照施加的方法则可以分为侵入式和非侵入式两种。侵入式方法是在人体内置入电极，在电极上施加电场。这种方法不仅需要复杂的手术，而且患者存在感染的危险。非侵入式方法则是用体外装置在组织中导入电场和电流。同侵入式方法相比，非侵入式方法简单易行，而且十分可靠，容易为患者所接受。
非侵入式疗法又分为电阻式、电容式和电感式三种方法。第一种方法是电阻式，该技术是将一对电极通过导电胶连接在病人皮肤表面，在电极上施加电压，从而在组织内部产生电流。该方法要求电极和皮肤之间要有良好的电接触，并须经常更换导电胶。第二种方法是电容式，即将一对电极平行相对地放置在所要治疗部位的两侧，电极同病人的皮肤绝缘，在电极上施加电场，从而在组织中产生电流。但该方法的缺陷是两个电极之间存在空气间隙，当频率很低时导致一个很大的容抗，外加的电势绝大部分降在空气间隙上，而高频情况下由于电磁集肤效应同样不适合治疗目的。另外，病人皮肤和电极之间的这个很大的容抗随两者之间的距离而改变，不易精确控制。第三种方法是电感式，即让交变电流经过一个磁场线圈，电流在线圈中和周围空间产生交变磁场，该磁场作用于人体组织，在组织中产生电场和电流。
美国专利No.5267939公开了两种非侵入电感式骨质疏松治疗装置。一种是绷带便携型，可用于腿部等长骨部位的局部治疗。另一种是大尺寸螺线管型，用于全身性治疗。该专利所提出的绷带型仅适用于局部治疗，因为两个电磁铁平行相对放置，近似等效于亥姆霍兹线圈，磁力线被局限于两个相对的磁极面之间的区域中。而螺线管型虽然可用于全身治疗，但其磁力线是沿着人体纵轴方向分布，不能产生有利于骨组织生长的负电位。另外，治疗中人头部也处于磁场中，存在遭受损害的危险。同时，这种设计结构上非常笨重、制造成本高。
中国专利申请公开说明书CN1100659A提出一种将磁场施加于人体大范围的磁疗仪。该装置包括一个吊于人体上方的盖，一个支撑所述盖使之处于水平状态的支架。盖中具有多个排列成阵列形式的螺线管。加电后，所有螺线管产生的磁场均朝一个方向，从而产生大面积垂直穿透人体的磁场。该装置不仅笨重复杂、造价高，而且磁场同时也作用于人的头部，存在对人体造成损害的可能。
可见，现有技术在实现对全身性治疗的方法上存在严重的偏见，错误地认为只有让治疗磁场辐照全身才能进行全身性治疗。而基于该错误认识所设计的用于全身性治疗的装置不仅笨重、复杂、造价高，而且易于对人的头部产生不良影响。
本发明的目的是提供一种非侵入式电磁场治疗骨质疏的方法和装置，按照该方法和装置可以大大提高治疗效果，从而可以不需进行全身性辐照就能达到全身性治疗效果。
根据本发明的一个方面，提供了一种非侵入式电磁场治疗骨质疏松的方法，包括步骤提供一个电磁场发生装置；将所述电磁场发生装置设置在靠近待治疗人体的感受性敏锐部位分布密集的区域；通过所述电磁场发生装置产生一个用于治疗的电磁场，使该电磁场穿过所述区域，通过刺激这里的感受性敏锐的部位，改善全身的气血运行，调节生理功能，以治疗骨质疏松。
根据本发明的另一个方面，提供了一种非侵入式电磁场治疗骨质疏松的装置，包括用于产生治疗电磁场的线圈，所述治疗电磁场线圈由多组独立绕组组成，各绕组平行排列，依次连接在一起，同名端位于同一侧，通以电流时，各绕组产生的磁场平行分布，互相叠加，在治疗线圈周围空间产生基本均匀的电磁场。
按照本发明的方法和装置，电磁场施加于人体中诸如任脉、督脉等经络、穴位等感受性敏锐部位集中分布的区域，不仅可以增加骨矿含量，提高骨密度，而且，还可以显著改善骨的微观结构，提高其力学强度。具体地说，就是能抑制骨小梁蜕变的趋势，即抑制骨小梁变细、变薄、间隙扩大的趋势，通过生成新骨痂，使断裂的骨小梁重新连接，改善骨小梁断裂和不连续的特征，抑制并逆转骨质疏松的趋势。从而，与现有技术相比，治疗效果大大提高，不必进行全身性辐照即可达到全身性治疗效果。同时，还避免了对人头部的辐照，极大地提高了其安全性和可靠性。此外，与现有技术相比，本发明的装置成本低、耗电省、使用方便。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是电磁场治疗骨质疏松装置的原理框图。
图2是根据本发明的治疗线圈的总体结构示意图。
图3是如图2所示的根据本发明的治疗线圈的电路连接图。
图4是根据本发明的治疗线圈的装配图。
图5是根据本发明的治疗线圈的磁场分布示意图。
图6是根据本发明的治疗装置的一个实施例的电子线路的示意图。
图7是根据本发明的治疗装置的一个实施例的功率放大器部分的电子线路图。
图8是如图7所示的根据本发明的治疗装置的一个实施例的功率放大器的输出波形的振幅频谱图。
下面首先从微观上给出电磁场与生物体的作用机理。我们知道，电磁场对带电粒子施加洛仑兹力F→=qE→+q(v→×B→)]]>在洛仑兹力的作用下，当电磁场的频率和强度满足以下关系时，会改变诸如Ca2+、Mg2+、Na+、F-、Cl-等离子的通道和活性，改变其与酶的结合几率，从而影响到离子的逆浓度运输fc/B=q/(2πm)其中，fc是磁场频率，B是磁场强度，q是荷质比，m为粒子质量。
钙离子在成骨细胞中的浓度比胞外体液中高，从能量角度讲处于一个高能级状态。考虑到细胞膜的势垒，可以认为胞内的钙离子处于亚稳态状态。正常情况下，钙离子的输运应从高浓度一侧向低浓度一侧。钙离子的逆浓度运输，即从稳态到亚稳态的运输，需要克服细胞膜势垒。外加的电磁场正是通过为钙离子提供克服能量势垒的能量，改变了钙离子的输运方向，使之从胞外一侧输运到胞内一侧，从而增加成骨细胞内钙离子的含量，提高骨密度。这种能量并非由电磁场直接提供，而是通过ATP水解提供的，电磁场只不过起到了加速ATP水解的作用。
现有技术中的电磁场骨质疏松治疗方法和装置正是基于以上认识设计的。
我国传统医学认为，电磁场作用于人体经络、穴位等感受性敏锐的部位，可以疏通经络，使气血疏通，活血化瘀，消除气滞血瘀和水湿停留。最新研究表明经络穴位的生态学位置，是以结缔组织为基础，连带其中的血管、神经丛和淋巴管等交织而成具有复杂综合生理功能的某种生理结构。与穴位相应的深层结缔组织结构中，富集有钙、磷、钾、铁、锌、锰、铬等元素离子，尤其是钙离子的含量要比非穴位的其他组织高数十倍甚至上百倍。而钙离子是人体重要的第二信使物质，在人体生理活动中发挥着极其重要的作用。这正好在某种程度上与西医的理论相一致。西医理论认为，钙离子在介导电磁场生物学效应中处于中心地位，胞内钙离子振荡对于电磁场刺激细胞基因表达、蛋白质合成、细胞导电性及胶原分泌起重要的调控作用。
本发明正是从以上认识出发，使该电磁场穿过人体躯干部分任脉、督脉等经络穴位等感受性敏锐的部位，改善气血运行，调节生理功能，从而达到治疗骨质疏松的目的。这样，不仅可以象现有技术那样，提高骨矿含量和骨密度，更重要的是，还可以改善骨的微观结构，即通过在骨小梁断裂部位微骨折处形成骨痂，恢复骨小梁正常的形态和结构，提高其力学性能指标，从本质上遏止并逆转骨质疏松的病症，降低骨质疏松性骨折发生率，特别是腰椎和Ward三角区等处的骨折发生率。
骨改建过程中存在所谓“记忆效应”，即钙、磷离子被破骨细胞“挖”走后，留下空陷窝，而成骨细胞将试图把新鲜的钙、磷离子搬运到该空陷窝。但是，当成骨细胞活性不足时，难以克服能量势垒的作用，使得钙、磷离子不能到达挖出的空陷窝处，造成破骨后钙、磷不能及时补充，日积月累便造成骨质疏松。本发明恰恰能克服这一症结，从而抑制并逆转骨质疏松症。
下面详细描述本发明的电磁场治疗骨质疏松装置。
图1是本发明的装置的原理框图。单片机10通过RS232接口接受来自上位计算机20的数字信号，经处理后送至D/A转换器30，再经过由两级光电耦合器件组成的模拟信号隔离放大电路40，送入集成功率放大器OPA52150的反相输入端。功率放大器50输出的功率信号经过同轴传输线送至治疗线圈60。当线圈60通以电流时，在周围空间产生磁场。
为了准确控制治疗磁场，在治疗线圈60中放置有磁场传感器70(图中为清楚起见将磁场传感器绘制在了治疗线圈之外)。在本实施例中，使用霍尔片作为传感器，显然，也可采用其他类型的磁场传感器。磁场传感器70中通以5mA的电流，在磁场作用下，霍尔片上最高可产生16mV的电压信号。该信号送至由三片LF356组成的测量放大器80，经两级放大后，幅度可达3.8V。该信号经A/D转换器ADC080990转换为数字信号，送至单片机10进行实时控制，以确保总磁场达到所设定的强度。
如图2所示，根据本发明的治疗线圈60由多达7个绕组L1至L7连接在一起构成，从而组成一个治疗平面，以在大面积内形成比较均匀的电磁场。绕组的数目显然也可以不是7个。每个绕组有约1500匝，用0.72mm的铜漆包线9绕制在一个特制的骨架13之上而成(参见图4)。为增强磁场，使磁力线密集排列分布，骨架13中空部分放置高磁导率的矽钢片11，矽钢片的总厚度可设计成恰好充满整个绕组的中空部分，兼而增强了线圈的结构强度。
各绕组L1至L7之间的电连接为并联形式，如图3所示。
相邻绕组之间的机械连接如图4所示。在骨架13的两端分别通过绝缘铆钉10固定连接片3。为了不影响磁力线的分布，连接片3最好采用非导磁材料。通过转动轴6将连接片3和相邻绕组的相应连接片3’组合在一起，使两个相邻绕组可作±45°转动。这样可以使每个绕组贴合人体治疗部位，提高治疗效果。转动轴支撑在阻尼压力轴承8中，它可以承受左右轴向的压力。通过调整螺母1的压紧力，可以调整阻尼压力轴承8的阻力，使相邻绕组之间的阻力符合特定治疗目的的要求。
为了实现相邻绕组之间可靠的电连接，在骨架13的一端固定电子线路板12，绕制绕组的铜漆包线9的起止端焊接至电子线路板12。在电子线路板12的两端焊接软导线，用于与相邻绕组的电连接。
各绕组L1至L7按照上述方式依次机械和电连接在一起。其外壳5采用上下两个塑料壳盖，它们通过分别呈凹凸形状的一对锁销M、N定位，并用螺钉固定在一起。在本实施例中，外壳5的长为180mm，宽为110mm，厚度为25.6mm。
在绕组外壳5的内侧固定有电流处理板17，在其上固定例如为霍尔片的磁场传感器70，二者共同构成反馈电路，用于监控磁场。导线14连接在电子线路板12和电流处理板17之间，用于向电流处理板17和磁场传感器16供电。
在本发明的线圈结构中，为使各部件在机械上紧密精确配合，采用了一系列特殊设计。转动轴6上的A和B两处轴肩之间的长度与骨架13的长度尺寸相适应，保证了各绕组尺寸的一致性，同时，使调整阻尼压力轴承8上的轴向阻力变得方便稳定。外壳5内侧带有定位块C、D、G、H，使绕组在横向上准确定位。定位块E、F则使绕组在纵向上准确定位。定位块K同连接片3上的凹槽配合，同样对绕组起定位作用。
在治疗装置工作时，线圈通以最高达3.0A的电流。该电流的平均值不为零，从而产生直流和交流复合磁场。每个绕组所产生的瞬间磁场分布如图5所示，这样，可以使治疗磁场沿横向穿过人体的经络、穴位分布密集的部分。
图6给出了根据本发明的治疗装置的一个实施例的电子线路的示意图。线路图主要包含单片机智能任意信号发生器、驱动及治疗线圈部分、传感及磁场检测部分。其各组成部分及工作原理如下单片机智能任意信号发生器以单片机为核心，由89C51单片机，74LS373锁存器，27C256EPROM存储器，8254定时器，74LS377八D型触发器，74LS393双四位二进制计数器，DAC0832数/模转换器，ADC0809模/数转换器，74LS138译码器，MAX232通信接口芯片，74LS74双D触发器，74HC14反相器等器件组成。其中U5(27C256EPROM存储器)通过74LS373锁存器与89C51单片机的P0接口相连，用来存放程序。74HC14反相器与晶振组成的电路为8254定时器提供时钟信号。74LS138译码器提供选通信号，用来控制各芯片的工作。74LS74双D触发器为ADC0809模/数转换器提供时钟信号，MAX232通信接口芯片通过J3插座将89C51单片机与上位计算机相连，实现串行通信。8254定时器，74LS377八D型触发器，74LS393双四位二进制计数器组成动态扫描电路，读取U13(27C256EPROM存储器)中存储的数据。当单片机从MAX232通信接口接到来自上位计算机的指令后，在软件程序的控制下，根据上位计算机的要求通过上述扫描电路读取U13(27C256EPROM存储器)中存储的数据，经程序运算处理后变成预定的数字信号，通过DAC0832数/模转换器转换成模拟信号，经U16(LF356)运算放大器组成的单极性模拟电压输出电路输出到驱动及治疗部分。同时在程序控制下实时采集ADC0809模/数转换器的数据，以便调整输出电流，确保总磁场强度保持在预定范围内。
驱动及治疗部分由U17,U18，双CF741运算放大器及双PC817光电耦合器构成的模拟光电隔离线路，U19(OPA521)功率放大电路和治疗线圈组成。A/D转换后的单极性输出信号经模拟光电隔离线路隔离放大后，送至功率放大器OPA521，输出0～3A范围内可调电流，通过J5插座与治疗线圈相连，驱动线圈工作。
传感及磁场检测部分由霍尔磁场传感器及测量信号调理电路组成，U20(CF741)构成的恒流源为磁场传感器提供高稳定度的工作电流，恒流源、测量信号调理电路通过插座J6连接到霍尔磁场传感器。磁场传感器输出的毫伏级信号经U21、U22、U23构成的差动电路放大后，再经U24二次放大，送入A/D转换器实现对治疗磁场强度的数据采集。
图7给出了功率放大器部分的电路。如图所示，功率放大器OPA521的正相输入端接地。前级信号通过电阻R11(10k)连接到反相输入端，反相输入端通过两个反向并联的二极管接地，起保护作用。功率放大器OPA521的5、7脚连在一起，再接电阻R13(0.1Ω/3W)，作为输出。从电路中的0点引出电流驱动治疗线圈。为保证功率放大器OPA521免受治疗线圈产生的高电压的冲击，用两个保护二极管D8、D9连接到正负电源上。电阻R12和可调电阻W8用来调整电路的放大倍数。为防止电路自激振荡，电容C1连接到功率放大器的输出和输入端，起稳定电路的作用。
图8为该功率放大电路输出波形的振幅频谱图。该波形为方波，占空比位25％，由下列傅立叶展开公式可求出其振幅频谱图Akm=2T∫0Ti(t)e-jkωtdt]]>从中可以看出，该波形代表的信号具有极其丰富的频谱分布，相当于不同频率、振幅的简谐电磁场同时作用。电磁波在生物体的传播速率仅比真空中的速率低一个数量级，而比生化反应的传播速率和生物电传导的速率高两个数量级以上，因而电磁场在所及各点的作用是同时发生的。此外，为避免组织对固定频率刺激产生的适应性，频率由软件控制在5％范围内波动。同时，这种波动还可起到抗谐振作用，避免病人产生不适感。
需要说明的是，本发明的装置中的治疗线圈可以置于人体背部、髋部、下肢、上肢等部位，对骨质疏松进行治疗。此外，本发明的方法和装置还可用于镇痛，消除水肿，治疗软组织损伤、骨关节病、骨不连、骨折难愈合等，并能用于促进青少年生长发育。另外，由于骨骼在人体中还具有钙库的作用，血钙浓度受多种激素，如甲状旁腺素、维生素B、降钙素和其他局部和系统因子的调节。使用本发明的方法和装置，可以通过对上述因子的综合调控，降低血钙水平，防止软骨组织钙化，降低心血管病、糖尿病的发病率。
权利要求
1．一种非侵入式电磁场治疗骨质疏松的方法，包括步骤提供一个电磁场发生装置；将所述电磁场发生装置设置在靠近待治疗人体的感受性敏锐部位分布密集的区域；通过所述电磁场发生装置产生一个用于治疗的电磁场，使该电磁场穿过所述区域，通过刺激这里的感受性敏锐部位，改善全身的气血运行，调节生理功能，以治疗骨质疏松。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述设置步骤中，将所述电磁场发生装置设置在靠近人体颈部至骨盆的躯干部分，以治疗全身性骨质疏松。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤提供一个磁场传感器，对治疗磁场进行监控，以使治疗磁场达到预先设定的磁场强度。
4．根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述磁场传感器是霍尔传感器。
5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁场发生装置包括由多组独立绕组组成的治疗磁场线圈，各绕组平行排列，依次连接在一起，同名端位于同一侧，通以电流时，各绕组产生的磁场平行分布，互相叠加，在治疗线圈周围空间产生基本均匀的电磁场。
6．根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述均匀分布的电磁场主要穿过所述感受性敏锐部位集中分布的区域。
7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电磁场沿人体横向穿过所述区域。
8．一种非侵入式电磁场治疗骨质疏松的装置，包括用于产生治疗电磁场的线圈，其特征在于，所述治疗电磁场线圈由多组独立绕组组成，各绕组平行排列，依次连接在一起，同名端位于同一侧，通以电流时，各绕组产生的磁场平行分布，互相叠加，在治疗线圈周围空间产生基本均匀的电磁场。
9．根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述治疗线圈适合于设置在靠近待治疗人体颈部至骨盆的躯干部分。
10．根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述治疗线圈适合于使其产生的电磁场主要穿过所述躯干部分的感受性敏锐部位集中分布的区域。
11．根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述治疗线圈设置成使电磁场沿人体横向穿过所述区域。
12．根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述绕组绕制在特制的骨架之上。
13．根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述骨架中空部分放置高磁导率的矽钢片，所述矽钢片的总厚度设计成恰好充满整个绕组中空部分。
14．根据权利要求12所述的装置，其特征在于，在所述骨架上固定印刷电路板，绕制所述绕组的导线的起止两端焊接在所述印刷电路板上，在所述印刷电路板的两端分别焊接有软导线，用于相邻绕组之间的电连接。
15．根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述骨架两端分别固定有连接片，用于相邻绕组之间的机械连接。
16．根据权利要求15所述的装置，其特征在于，相邻绕组的相应连接片是通过转动轴连接的。
17．根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述转动轴支撑在阻尼轴承中，通过调节所述阻尼轴承的阻力，可以使相邻绕组之间的阻力符合特定的治疗目的的要求。
18．根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述连接使相邻绕组可作±45°转动，从而使每个绕组贴合人体治疗部位。
19．根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述连接片是由非导磁性材料支撑的。
20．根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述绕组分别被设置在各自的塑料外壳内。
21．根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述外壳内侧固定有电流处理板和磁场传感器，二者共同组成反馈电路，用于监控磁场。
22．根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述外壳内侧设置有多个定位块，用于使绕组在横向和纵向准确定位。
全文摘要
本发明公开了一种非侵入式电磁场治疗骨质疏松的方法和装置,该方法包括步骤:提供一个电磁场发生装置;将电磁场发生装置设置在靠近人体感受性敏锐部位分布密集的区域;通过电磁场发生装置产生治疗电磁场,使其穿过所述区域。该装置包括治疗线圈,由多组独立绕组组成,各绕组平行排列,依次连接在一起,同名端位于同侧,通以电流时,各绕组产生的磁场平行分布,在治疗线圈周围空间产生基本均匀的电磁场。
文档编号A61N2/04GK1306869SQ0010166
公开日2001年8月8日 申请日期2000年1月28日 优先权日2000年1月28日
发明者孙多春, 沈洪, 才秀君, 高广智, 李璜, 周栋生, 汪群 申请人:北京国际技术合作中心