专利名称：预防和治疗空间失重性骨丢失的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗机械装置，尤其是一种利用机械应力刺激骨骼系统的装置。
背景技术：
空间飞行中影响航天员健康最主要的因素之一是失重，在失重环境下，骨骼和肌肉负荷减少而导致航天员骨丢失和肌肉萎缩。航天飞行，即使是短期的飞行即可以引起骨丢失，而且所引起的骨密度下降在返回地球后恢复很慢，进而引起骨质疏松和骨折等运动系统损伤。此外，骨丢失还会提高心血管组织或软组织钙化、泌尿系统结石的危险性。失重环境中骨丢失主要是由于骨骼在地面时所受的负载消失，骨骼感受不到在地面上运动产生的载荷冲击，导致骨重建和骨吸收代谢失衡，从而导致了骨质减少。人体失重后，作用于腿骨、脊椎骨等承重骨的压力骤减，同时肌肉运动减少，对骨骼的刺激也相应减弱，骨骼血液供应相应减少，在这种情况下，成骨细胞功能减弱，而破骨细胞功能增强，承重骨(如下肢的股骨、跟骨和人体脊柱等)的骨矿物质含量明显下降，骨质大量脱钙，引起骨骼密度减少。
目前在空间站用于航天员健康保障的主要手段有太空跑台、拉力器、脚踏车以及企鹅服等，这些装置在一定程度上可以预防肌肉萎缩，但却不能阻止骨丢失的发生。骨的形状及其内部结构的变化取决于其受到的力学环境的改变，控制这些变化的主要因素只能是外力作用(生物力学因素)，而其它的非生物力学因素则起辅助作用。而且，只有连续的、变化的力学载荷才能有效地促进骨骼的生长和发育，长期较大的静载荷作用反而会对骨产生负面作用(骨出现吸收)。空间失重条件下的研究表明，作用于骨骼肌肉系统的机械应力减弱、消失，导致了骨丢失的发生。
近年来，高频低振幅的振动作为促进骨骼生长的力学刺激，开始受到国外学者的关注。美国纽约州立大学Rubin等研究表明机械振动引起的应力可以明显刺激骨骼重建，增强骨矿物质含量，并且连续变化的力学载荷可以更为有效的促进骨骼生长。频率较高、应变量小的刺激信号(通过站立或维持身体姿势等就可达到)可以改变骨的形态，提高骨量和改变骨结构。纽约州立大学石溪分校发表在2003年英国《nature》杂志上报告的一项研究证实了骨骼在受到压力时会产生新的骨细胞来进行自我强化。航天员因为受环境条件限制，缺少主动锻炼的机会，适当的振动则相当于被动锻炼。美国NASA目前正在研究能否通过振动来解决航天员的骨丢失问题。
但是目前仍然尚无应用于空间环境中对抗骨丢失的防护器械，现有技术均是针对地面人群老年性骨质疏松或骨折等相关疾病的预防和治疗。公开号为CN1306869A的中国专利公开了一种非侵入式电磁场治疗骨质疏松的方法和装置，该装置主要是通过电磁场发生装置产生用于治疗的电磁场，通过电磁场刺激感受性敏锐的部位，改善全身血气，调理生理功能，但其作用有限，治疗线圈只适合于设置在颈部到骨盆的躯干部分，而空间失重性骨丢失主要发生在承重骨，例如股骨、髋骨等，所以该装置不能应用于空间骨丢失的预防和治疗。
近年来，关于低强度、高频率的机械振动刺激抑制骨丢失的技术已经应用到骨质疏松的治疗中，并且可以增加骨量，对骨质疏松有一定的疗效。专利号为200420002429.6的中国专利运用电动机驱动的直线往复“动力加载”原理对人体的骨骼加载一定频率的定量动负荷，对人体骨质疏松进行治疗，该装置虽然结构较为简单，但对振幅、加速度以及频率的控制不易做到十分精确，且无法实现不停机调节振幅的问题，而且在骨组织上施加载荷以促进骨骼生长的技术经研究证明作用有限，而且当需要获取一个高峰值应变的高冲击负载时，容易导致骨折或其它危害。专利号为200380102816.5的中国专利公开了一种通过机械振动作用来预防和治疗骨折、骨质减少及骨质疏松等疾病的装置，所涉及的装置由驱动器提供预定第一频率的振动，经与驱动器相连的驱动杆、减震部件形成第二预定频率，部分振动再传递到支撑振动台面的分配杆壁，平均分配给振动台面，由于分配杆壁的存在，所以无论人体站立在台面的什么位置，台面可以保持水平而不致于倾斜。该装置提供了一种比较稳定的振动，对人体站立在平台上的位置不敏感，可以保证振动台面水平。该专利可以实现对频率、振幅等参数的控制，同时也解决了不停机调节的问题。但是该装置的结构设计是针对地面人群的骨质疏松或组织等相关疾病人群而研制的，首先，它的结构比较复杂、重量大，驱动振动台需要的功耗也随之增加，这对于在资源十分宝贵的空间中应用难度较大；其次，由于该装置提供的振动是利用产生的第二频率，即驱动器驱动频率的谐振频率、谐振频率的谐波或分谐波，不易实现对施加到人体上振动频率的精确控制。所以，现有技术涉及的装置结构设计均不能适用于空间特殊环境下骨丢失的预防和治疗。
发明内容
为了克服现有技术中存在的结构复杂、重量大、不能适用于空间特殊环境及其地面模拟应用等方面的不足，本发明提供了一种结构简单、重量轻、适合于预防和治疗空间失重性骨丢失的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种利用机械应力刺激骨骼系统，促进骨骼生长，预防和治疗空间骨丢失的装置。该装置是主要针对空间失重环境中人群施加振动刺激，包括限位挡块，导轨，滑动板，肩部固定器，腰部固定器，膝关节固定器，振动台，拉绳，滑轮，力矩电机，支架。导轨安装在固定面上，导轨两端固定有限位挡块，滑动板安装在导轨上，前端有用于固定滑动板的紧固旋钮；滑动板上安装有肩部固定器、腰部固定器、膝关节固定器，可根据不同使用者的身材进行调节。为了适应空间特殊环境要求，导轨可以固定在航天器舱壁上，上下限位块固定于导轨两端，滑动板通过导轨结合在舱壁上。振动台位于导轨延长线方向，通过支架连接在固定面上；拉绳的一端固定在滑动板上，绕过固定在固定面上的滑轮，另一端连接在力矩电机的转动轮上，力矩电机通过拉绳拉动滑动板使人对振动台面产生一定的压力，保证振动台产生的振动有效施加到人体上。
所述振动台两侧装有拉带固定架，用于连接弹性拉带，弹性拉带的上端连接人体，如套于人体肩部或手上，使人固定在振动台上。
本发明采用轻质合金或复合材料，最大限度的减小了自身重量。
作为本发明的一种优选方案，所述预防和治疗空间失重性骨丢失的装置加装支撑台后作为预防和治疗地基模拟空间失重性骨丢失的装置。将导轨与振动台固定在支撑台上，滑动板可在导轨允许的范围内沿支撑台的长度方向上自由滑动。力矩电机和滑轮固定在支撑台上。拉绳的一端与滑动板相连，绕过滑轮，另一端连接在力矩电机的转动轮上。振动台位于滑动板后方，保持台面振动的方向为水平方向，即与滑动板滑动的方向一致。
所述的振动台是本发明的核心部件，包括台面、导向杆、导套、弹簧、壳体、驱动装置、信号发生器、功率放大器、压力传感器、加速度传感器、显示装置、调节装置。台面四角分别安装有一组弹簧连接壳体。驱动装置采用音圈电机或者小型电磁驱动器，其上端连接于台面，下端与壳体固连。通过信号发生器、功率放大器驱动来实现需要的振动波形。导向杆固定在台面上，导套固定在壳体上，导向杆同轴插入到导套中。振动台的台面上固定有压力传感器、加速度传感器，信号通过引线引出至信号处理装置，处理后的信号输出给显示装置，调节装置与信号发生器和功率放大器连接，控制振动信号的调节。
本发明的工作原理把人体固定在滑动板上，使其无法相对滑动板的滑动方向移动。移动滑动板使人体足部紧贴于振动台面上，通过力矩电机拉动滑动板使人在振动台面上产生一定的压力，使振动台产生的振动有效施加到人体上。信号发生器提供振动所需波形的信号，经功率放大器放大后驱动振动台振动。振动台面输出的振动参数由压力传感器和加速度传感器测量得到，经过信号处理装置的处理如A/D转换等，在显示装置上显示测量结果。如果测量结果与输入参数有所差别，经过调节装置调节使台面输出的振动达到预期要求。
本发明的有益效果是本发明载荷为10-100kg，频率0~100Hz、振幅0~5mm，可提供最大加速度为1g的正弦、脉冲或各种复合波形的振动，可以使人体骨骼产生50~2000με的应变，使骨骼处于骨再建和骨塑形阶段，从而促进骨再建过程，平衡骨骼代谢。
本发明在一定程度上弥补由于骨骼受到的力学刺激减少所带来的副作用，从而迫使骨骼对此应力产生相应的变化，使得骨骼维持正常的情况，避免在返回地球或进入其它重力场时，由于骨量下降所导致骨骼抗载荷能力下降而引起机体无法适应正常的重力环境。实验证实该装置可有效预防和治疗地面大鼠废用性骨丢失，且该装置安全可靠，未发现其他脏器损害。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述的预防和治疗空间骨丢失的装置示意中，1-限位挡块，2-导轨，3-紧固旋钮，4-滑动板，5-肩部固定器，6-腰部固定器，7-膝关节固定器，8-弹性拉带，9-振动台，10-拉绳，11-滑轮，12-力矩电机，13-支架，14-拉带固定架；图2是本发明所述的预防和治疗地基模拟空间骨丢失的装置示意中，15-支撑台；图3是本发明所述振动台的结构示意中，16-台面，17-导向杆，18-导套，19-悬挂弹簧，20-壳体，21-驱动装置，22-压力传感器，23-加速度传感器图4是本发明所述振动台的工作原理示意图具体实施方式
实施例一、预防和治疗空间骨丢失的装置参照图1，本发明装置包括限位挡块1、导轨2、紧固旋钮3、滑动板4、肩部固定器5、腰部固定器6、膝关节固定器7、弹性拉带8、振动台9、拉绳10、滑轮11、力矩电机12、支架13和拉带固定架14，导轨2、紧固旋钮3、滑动板4、振动台9、滑轮11、力矩电机12、支架13和拉带固定架14均采用铝镁合金制成，限位挡块1、肩部固定器5、腰部固定器6、膝关节固定器7采用碳/碳复合材料。导轨2两端固定有限位挡板1，滑动板4前端有用于制动或固定滑动板的紧固旋钮3。肩部固定器5插入滑动板4的固定槽中固定。腰部固定器6及膝关节固定器7用螺钉固定在滑动板4上，根据不同的人调节松紧程度。膝关节固定器7为高分子材料，可根据不同的人体在膝关节固定器7靠近膝关节的一面加装海绵垫。为了适应空间特殊环境要求，导轨2固定在航天器舱壁上，限位挡块1分别固定于导轨2两端，滑动板4通过导轨2安装在舱壁上。振动台9位于滑动板4下方，通过支架13固定在航天器舱壁上；拉绳10的一端固定在滑动板4上，绕过固定在舱壁上的滑轮11，另一端连接在力矩电机12的转动轮上，力矩电机12通过拉绳10拉动滑动板4使人对振动台9产生一定的压力，保证振动台9产生的振动有效施加到人体上。振动台9两侧装有拉带固定架14，用于连接弹性拉带8，弹性拉带8的上端套于人体肩部或手上，通过弹性拉8带产生的拉力使人体在固定在振动台9上。
参照图3，所述的振动台9是本发明的核心部件，包括台面16，导向杆17，导套18，悬挂弹簧19，壳体20，驱动装置21，压力传感器22，加速度传感器23、信号发生器、功率放大器、显示装置、调节装置。采用凸形台面16和凹形壳体20，壳体20凹形上边沿向内翻转，壳体凹口与台面凸台相吻合。八个悬挂弹簧19分为四组，每两个在台面16上下两面对接为一组，四组弹簧对称分布在壳体20内四角，台面16固定于两层悬挂弹簧19中间。驱动装置21采用音圈电机或者小型电磁驱动器，其上端连接于台面16，下端固定于壳体20底部。通过信号发生器，功率放大器驱动来实现需要波形的振动。导向杆17固定在台面16上，导套18固定在壳体20上，导向杆17同轴插入到导套18中。振动台9的台面16上固定有压力传感器22、加速度传感器23，信号通过引线引出至信号处理、显示装置。
人体接受振动刺激时，根据肩部宽度调整肩部固定器5的位置，使其位于两肩上部，当人体下肢受到振动刺激时，可以限制人体向上移动。根据人体调整腰部固定器6的位置。调整膝关节固定器7的位置，使膝盖位于其上预留的孔内。适当增减海绵垫的厚度，保证膝关节时刻处于直立状态。由于振动在人体内的传递与人体肌肉的紧张程度、人体和台面的耦合程度等密切相关，所以需要增加或减小人体在振动台台面16上施加的压力，达到不同的振动效果。前后调整滑动板4的位置直至足底接触振动台台面16，此时逐步增加力矩电机12的输出力矩，通过拉绳10、滑轮11，使滑动板4向振动台台面16靠近，增加人体对台面16产生的压力。压力和加速的参数可以通过固定在台面16上的压力传感器22和加速度传感器23测得，信号经过信号处理装置，在显示装置上读出压力、加速度数值。参数达到需要的数值时，转动紧固旋钮3固定滑动板4，即可接受振动刺激。也可以只利用力矩电机12提供持续的拉力。
实施例二、用于预防和治疗地基模拟空间失重性骨丢失的的装置参照图2本发明装置核心部件与预防和治疗空间失重性骨丢失的装置一样，不同之处在用于地基模拟的装置包括支撑台15，滑动板4可在导轨允许的范围内沿支撑台15的长度方向上自由滑动，支撑台15和滑动板4之间通过导轨2结合。力矩电机12位于滑动板4后方，通过支架13固定在支撑台15上，保持台面16振动的方向为水平方向，即与滑动板滑动的方向一致。人体接受振动刺激时，平躺于滑动板4上，具体连接方式及方法同实施例一。
权利要求
1.一种预防和治疗空间失重性骨丢失的装置，包括限位挡块、导轨、滑动板、肩部固定器、腰部固定器、膝关节固定器、振动台、拉绳、滑轮、力矩电机和支架，其特征在于导轨安装在固定面上，导轨两端固定有限位挡块，滑动板安装在导轨上，前端有用于固定滑动板的紧固旋钮；滑动板上安装有肩部固定器、腰部固定器、膝关节固定器；振动台位于导轨延长线方向，通过支架连接在固定面上；拉绳的一端固定在滑动板上，绕过固定在固定面上的滑轮，另一端连接在力矩电机的转动轮上。
2.根据利用权利要求1所述的预防和治疗空间失重性骨丢失的装置，其特征在于所述的限位挡块、导轨、滑动板、肩部固定器、腰部固定器、膝关节固定器、振动台、滑轮、力矩电机和支架采用轻质合金或复合材料
3.根据利用权利要求1所述的预防和治疗空间失重性骨丢失的装置，其特征在于所述振动台两侧装有拉带固定架连接弹性拉带，弹性拉带的上端连接人体。
4.根据利用权利要求1所述的预防和治疗空间失重性骨丢失的装置，其特征在于所述的振动台包括台面、导向杆、导套、弹簧、壳体、驱动装置、信号发生器、功率放大器、压力传感器、加速度传感器、显示装置、调节装置；台面四角分别安装有一组弹簧连接壳体；驱动装置采用音圈电机或者小型电磁驱动器，其上端连接于台面，下端与壳体固连；信号发生器、功率放大器连接驱动装置；导向杆固定在台面上，导套固定在壳体上，导向杆同轴插入到导套中；振动台的台面上固定有压力传感器、加速度传感器，信号通过引线引出至信号处理装置，信号处理装置输出给显示装置，调节装置与信号发生器和功率放大器连接。
5.根据利用权利要求1所述的预防和治疗空间失重性骨丢失的装置，其特征在于所述导轨与振动台固定在支撑台上，滑动板可在导轨允许的范围内沿支撑台的长度方向上自由滑动；力矩电机和滑轮固定在支撑台上；拉绳的一端与滑动板相连，绕过滑轮，另一端连接在力矩电机的转动轮上；振动台位于滑动板后方。
全文摘要
本发明公开了一种预防和治疗空间失重性骨丢失的装置，在导轨两端固定限位挡块，滑动板安装在导轨上，前端有紧固旋钮；滑动板上安装有肩部固定器、腰部固定器、膝关节固定器；振动台位于导轨延长线方向，通过支架连接在固定面上；拉绳的一端固定在滑动板上，绕过固定在固定面上的滑轮，另一端连接在力矩电机的转动轮上，力矩电机通过拉绳拉动滑动板使人对振动台面产生一定的压力，保证振动台产生的振动有效施加到人体上。本发明能弥补由于骨骼受到的力学刺激减少所带来的副作用，安全可靠。
文档编号A61H23/02GK1994253SQ20061010522
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者商澎, 骞爱荣, 贾斌, 杨鹏飞, 王哲, 丁冲, 范明月 申请人:西北工业大学