专利名称：用于腰椎区的连续被动运动的装置和方法
技术领域：
本发明涉及对身体并且特别是对脊柱的腰椎区提供连续被动运动的方法和装置。
向本发明的发明人之一发布的美国专利号4,981,131公开了为了减轻下背部疼痛的目的在脊柱前凸的大致范围内使脊柱的腰椎区循环的装置。在此引用该专利讲述的内容作参考。在该专利中，一个与背部相接触的可充气气垫被加压和减压以在脊柱前凸部位引起显著变化。然而，在充气和放气的整个循环中没有措施测量并控制施加于人的背部的力。因此，该专利所教授的方法不能很好地适应脊柱活动中人的脊柱弯曲度、姿态及位置的变化。该专利也没有教授将气垫的位置调整以适应不同的个人。
用于在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环的装置包括与人的背部贴近的大体上静止的结构和放置于静止结构和背部之间的施力装置。施力装置包括一个背部贴合面，其能循环移动以增加和减小静力结构同该背部贴合面之间的距离，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环。采用一个传感器，其输出响应于背部贴合面和下背部之间的力。施力装置对传感器的输出作出响应，以控制施加于背部的力。在优选实施例中，该装置还包括可编程电路，用来将力控制为预先选择的时间的函数。在该实施例中，该装置包括定时电路，以提供将施加于背部的力增加到预选的最大值的力量增加期和减小施加在背部的力的力量减小期。在力量增加期和力量减小期之间可能提供第三个力量期，即大致稳定的力量期。
在一个实施例中，施力装置包括一个可充气和放气的气垫及对气垫里的压力作出响应的传感器。气泵供应气流用来对气垫充气并且采用一个与气垫相连的阀门用来给气垫放气。背部贴合面的位置最好是高度可调的，以便力贴合面可以适应特定人的腰椎区。
又在另一实施例中，施力装置包括齿杆和齿轮或机械凸轮机构，用来循环地增加和减小作用在人背上的力。在这种机械实施例中，力量传感器是一种测压仪。
本发明的力的反馈允许由用户预选的最大力去适应特定用户的脊柱弯曲度和其他因素。
图1是在此公开的装置的实施例的剖视图。
图2是本发明的装置的元件布局的示意图。
图3是本发明的装置的元件之间的功能关系示意图。
图4是作为时间的函数的支撑力的曲线图。
图5是力的反馈的逻辑图。
图6和图7是主程序循环图和中断程序循环图。
图8是本发明的采用凸轮操作的实施例的剖视图。
图9是本发明的齿杆和齿轮实施例的剖视图。
图10、图11和图12是本发明的允许调整可充气气垫的位置的实施例的透视图。
图13是本发明的包括多个气垫的实施例的透视图。
图14是图13的实施例的剖视图。
图15是本发明的允许机械调整可充气气垫的位置的实施例的透视图。
图16是图15的实施例的剖视图。
图17是用于仰卧使用的实施例的剖视图。
首先参照图1，一个人10坐在带有底支撑面14和靠背部分16的座位12上。典型的座位12可能是汽车或其它交通工具(飞机、轮船)上的座位，或者，例如办公室的椅子。在本实施例中放置于人10和靠背16之间的是一个连续被动运动设备18。如以下将明了的，设备18包括用来循环地移动人10的腰椎区20以便在脊柱前凸的大致范围内来使下背部或腰椎区20循环的装置。
正如在申请人的在先美国专利号4,981,131中所详细讨论的，研究表明在脊柱前凸的大致范围内的下背部连续被动运动消除了下背部疼痛。这样的运动不是仅涉及表皮组织的按摩，而是构成了脊椎相互间的运动。由于脊柱弯曲度在人口中的各个人之间变化，因而适合一个人的力可能对另一个人不足或过大。本发明认识到这些差异并提供预选的力对时间的模式来适应在一般人口中的这些变化。
图2是在实施本发明的商业版中使用的布局的示意图，该布局可从本申请的受让人，Vermont，Winooski的Ergomedics公司获得。在本实施例中，可从California，Ontarol的AppolloEnterprises公司获得的，5000型气泵可优选为同用来给鱼箱充气的泵类似的12伏交流(AC)泵。气泵22最好是交流的，因为交流泵比同类的直流泵要廉价。控制和处理器电路板24合成适当的AC功率通过导线26向气泵22供应。处理器板24工作于12伏直流电压，该电压由诸如汽车上的香烟点火器提供。处理器24将12伏DC转换为四相AC方波，供气泵22运转。
四相方波从6.92毫秒的+12伏转向1.54毫秒的0伏，转向6.66毫秒的-12伏，转向1.54毫秒的0伏，回到+12伏等。通过这一过程，产生一大致为60HZ的波形。合适的气泵可能在10-150HZ这一范围。最好是，在150毫米贡柱的最小压力下气流量是在每分钟4-6升的流速范围内。气泵22通过软导管30向气垫28供应空气。阀门32与导管30相连，并且在它开启时允许空气从气垫28中流出。从Connecticut，Canaan的Bicron电子公司可得到标识零件号为B6673的合适的阀门32。这种阀门通常在加有电压时被开启和关闭。它包括一个回复弹簧用来强制开启。
装置18包括一个其气流通过导管36与气垫28相连的压力传感器34。优选的压力传感器34是提供与气垫28中的压力成正比的控制电压的硅片。合适的压力传感器可从日本Fujikura公司获得，型号为FPN-07PG。
现在参照图3，装置18包括操作员控制板，例如定时器40，ON42和OFF按钮44及压力控制钮46。当该器件运动时，可采用一发先二极管(LED)48来显示。
本发明的一个重要方面是考虑到在使用者脊柱弯曲度和其它因素上的变化例如坐的位置的变化而有能够控制施加到腰椎区的力。根据本发明的该实施例，一旦开启该器件，气泵22开始向气垫28供应空气。引起气垫28中的压力升高。这种压力由压力传感器34来连续监测。由于压力传感器34通过与气泵22所使用的导管相分离的管线与气泵28相连，因而压力传感器34同由气泵22的运转产生的低水平压力波动相隔离。操作者使用压力控制钮46调整所希望的压力设置。由用户设置的预选压力将维持在标称设置点的±4毫米汞柱之内。在图4中，说明了这种压力滞后现象。直线50和直线52限制了可调整在10毫米汞柱到140毫米汞柱的范围之内的标称预选压力。为保证适当的特性曲线，压力传感器34应当具有感受气垫28内的2毫米汞柱的压力变化的灵敏度。
如图4所示，系统在两种状况间循环，就是充气期和放气期。典型的充气曲线由曲线54来表示。在这一阶段，压力及由比作用于背部的力增加到通常落在由直线50和52所确定的带内。例如依用户的运动，可能有少量的过冲和下冲。用户利用定时器控制钮40可以调整直线56左侧的充气时间和直线56右侧的放气时间。典型的曲线是60秒的充气之后紧接60秒的放气。
在图4中的直线56的左侧的时控充气阶段期间，气泵22充气于气垫使其压力在预选设置点的界线内。即使用户在座位上向前或向后移动，为了维持气垫里的常压，系统将调整气垫中的空气量。在循环的开始气泵22接通，开始对气垫28充气以增加对背部的力，用来在脊柱前凸的部位产生显著的变化。例如在充气阶段期间如果用户靠在气垫上向后移动，则压力增加超过预设的压力水平，阀门32会打开来减小压力直到压力在预选的界限内。类似地，如果用户向前移动，离开气垫28，因而减小气垫里的压力使其低于预设的压力值，则气泵22启动以增加压力直到压力又在预选的界限内。在充气期结束时，气泵22关闭并且阀门32向大气打开，允许空气从气垫28里流出，允许脊柱放松到它的“中间”状态。
图5是说明上述关于图4所描述的逻辑过程的方框图。图5中所说明的逻辑过程是通过图6所示的主程序循环及图7所示的中断程序循环来实现的。
现在描述BackcyclerTM的优选实施例的元件。当用户启动ON按钮42时，充气循环就开始。一种任选的发声器(未示出)将产生持续0.13秒的频率大约为600HZ的嘟嘟声，两声之间间隔0.083秒。如果该器件已经开启后按下ON按钮42，则定时器40将使循环计数器复零到充气循环的开始。按下OFF按钮44将关闭该器件，并会通过持续0.13秒的单嘟声来发出信号以提醒用户器件已关闭。本实施例中的压力控制钮46是一个可调线性分压器，利用它来调整气垫28中预选的所希望的压力。压力控制钮46中的分压器能在1和5之间调整，这表示在整个刻度表上130个离散点的总分辨率。在此线性刻度盘上的1表示10毫米的汞柱，5表示140毫米汞柱。在该器件处于运行之中时可调整压力控制分压器46。在这种情况下，如果分压器被调到负方向的任何值，阀门32将会自动打开，以减小压力从而减小作用在背部的力。相反，如果分压器被调到正方向的任何值，气泵22将自动增加气垫28里的压力，而不管器件在当前运行的循环状态。发光二极管(LED)48在器件本身开启时被开启。一旦开启，LED指示器48保持开启状态直到器件被关闭或自动被关闭。时间周期由定时器40在10秒和不一定的期间之间调整。当定时器40被设置到不定的充气时间期间时，施力装置作为有效控制施加到背部的力的大小的静支撑力。在这种状态下，只要设备是开启的，力就会被持续不停的控制。时间周期被定义为完全的充气和放气周期，并且随着不定期间的设置，该器件被用作静力腰椎支撑。
处理器板24由12伏DC电源供电并且在该器件关闭时处理器一直处于静止状态。静止状态下的最大电流小于或等于大约15毫安。以这种电流值，典型的汽车电池能持续1500小时。处理器板24运行在板诊断测试，以保证正常的运行。在测试状态中，检测下列元件处理器，凸轮检测，阀门检测，气泵检测，杨声器检测，零刻度查询表调，100毫米汞柱刻度测试以及确保能读出全范围的0到140毫米汞柱的检测。该器件也包括电压保护。具体地，超过18伏的电压将被箝位并且引起保险丝(未示出)熔断。如果电压降到低于9.8伏，处理器板24将气泵22关闭，以提供场效应晶体管(FET)保护(未示出)。在这些情况下，阀门32和压力传感器34将保持运转。如果电压降到在处理器板24的5伏线上的4.6伏以下，则处理器复位并且保持到电压超过4.6伏。一旦电压大于4.6伏，在重新启动处理器之前会有0.2秒的延迟。在气泵22的60HZ调制过程中在FET上采用无线电频率(RF)噪声消音器。一个电容器(未示出)被用来作为60HZ噪声抑制滤波器。如果人没坐着靠在气垫28上达一段可选择的时间，例如达12秒，则可进行自动关闭。
现在参照图8，机械连续被动运动设备60包括驱动凸轮64的马达62。凸轮64将挠性板66移进和移出，以把运动施加给脊柱的腰椎区。测压仪68测量挠性板66和人的背部(未示出)之间的力。凸轮64由与马达62相连的传动带70驱动。
图9所示是本发明的另一机械实施例。装置90包括驱动传动带94的马达92。传动带94带动与齿杆98啮合的齿轮96。以这种方式，可移动的表面100被移进和移出以贴合于用户的脊柱的腰椎区。测压仪102对作用于表面100上的力作出响应。
图8和图9中说明的机械设备以与上述气动实施例大致相同的方式工作。如前述，力增加一段时间之后紧接减小力的期间，以便在脊柱前凸的大致范围内活动脊柱的腰椎区。
现在参考图10、11和12，其描述的实施例允许调整施力部件的位置以适合不同的个人，或某个人的特别嘉好。在这些图中，托架110适合顶住在本实例中支撑可充气气垫部分114的套垫112。托架110包括一伸长段116，该段能在坐垫118和座位的靠垫120之间楔入，在例如汽车上可以发现这样的座位。当伸长段116正好楔入坐垫118和靠垫120之间时，托架110的直立段向后弯曲以便贴合靠垫120上。托架110和套垫112包括协同连接结构(未示出)，例如公知的VelcroR的钩和环结构，以便如这些图所示的在垂直方向上相对托架110固定套垫112的位置。参照图12，通过在套垫112的较低部分在托架110和套垫112之间插入手指以放松钩和环部件，可以调整套垫112的位置，经该调整以后，套垫112就被移到垂直方向上的不同位置处，在该处钩和环又被重新挂合。以这种方式，施力部分114的位置可由用户调整到希望的地方。托架完全可从套垫112上移走，这样套垫112可被放在诸如床或地板的大体上的水平表面，用来仰卧姿势，这一点连同图17下面会说明。
图13和14所示是为施力装置提供可选择的位置的本发明的另一实施例。本实施例特别设计以被安装于如汽车的靠背部分120的座位里面。本实施例包括多个分离的、隔开的气垫122、124、126及128。用户可选择开启这些气垫中的一个用来调整所要的施力装置的高度。每个隔开的气垫的运行与在本说明书中连同前述图件所说明的单个气垫的实施例一样。
图15和图16所示的是本发明的另一实施例。这种设计在应用中也特别适合于安装在交通工具座位或其它形式的椅子上的坐垫120内。气垫130固定到与可旋转的转轴134啮合的挠性部件132上。使用旋转136可手动地转动转轴134。当旋转旋钮136时，气垫130的位置按图15中的箭头所示上下移动，由此调整对于用户的气垫位置。
图17说明了当用户处于仰卧位置时本发明的使用。如图中所示，人10仰卧在大体上水平的结构上例如床150上面。施力装置118将力施加在人10的腰椎区20上。施力装置118的操作如在本说明书中参考其他附图所说明的一样。同其他实施例一样，当人10躺下时，施力装置118在脊柱前凸的大致范围运动，活动腰椎区20的脊柱。
可以认识到，本发明的修改和变化对本领域的技术人员将是显而易见的，应当表明所有这样的修改和变化都包括在权利要求的范围之内。
权利要求
1.用于在脊柱前凸的大致范围内使的下背部循环的装置，包括与人的背部贴近的大体上静止的结构；一种放置于该静止结构和人的背部之间的施力装置，该施力装置包括一个背部贴合面，其可循环移动以增加和减小该静止结构同该背部贴合面之间的距离，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环活动；及一种传感器，其输出响应于背部贴合面和下背部之间的力，该施力装置对传感器的输出作出响应以控制施加于背部的力，而且还包括用来控制该力为预先选择的时间的函数的可编程电路。
2.用于在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环的装置，包括与人的背部贴近的大体上静止的结构；一个放置在该静止结构和背部之间的施力装置，该施力装置包括一个背部贴合面，其可循环移动以增加和减小静止结构和背部贴合面之间的距离，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环；及一种传感器，其输出响应于背部贴合面和下背部之间的力，施力装置对传感器的输出作出响应以控制施加于背部的力而且还包括定时电路，以提供将施加到背部的力增加到预选的最大值的力量增加期，以及减小施加在背部上的力的力量减小期。
3.用于在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环活动的装置，包括与人的背部贴近的大体上静止的结构；放置于静止结构和人的背部之间的施力装置，该施力装置包括一个背部贴合面，其能循环移动以增加和减小静止结构和该背部贴合面之间的距离，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环活动；及一种传感器，其输出响应于背部贴合面和下背部之间的力，施力装置对传感器的输出作出响应以控制施加于背部的力，并且还适于提供将施加到背部的力增加到预选的最大值的力量增加期以及在装置运行的过程中维持其力量。
4.权利要求2的装置还包括在力量增加期和力量减小期之间的大致稳定的力量期。
5.用于在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环活动的装置，包括一种与人的背部贴近的大体上静止的结构；一种施力装置，放置于静止结构和背部之间，该施力装置包括一个背部贴合表，其能循环移动以增加和减小静止结构和该背部贴合表之间的距离，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环活动；及一种传感器，其输出响应于背部贴合面和下背部之间的力，该施力装置对传感器的输出作出响应以控制施加于背部的力，该施力装置包括一个可充气和放气的气垫。
6.权利要求5的装置还包括用于为对气垫充气而供应气流的泵以及一个同气垫相连的阀门，用于将气垫放气。
7.用于在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环活动的装置，包括一种与人的背部贴近的大体上静止的结构；一种放置于静止结构和人的背部之间的施力装置，该施力装置包括一个背部贴合面，其能循环移动以增加和减小静止结构和该背部贴合面之间的距离，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环活动；及一个传感器，其输出响应于背部贴合面和下背部之间的力，施力装置对该传感器的输出作出响应以控制施加于背部的力，其中该背部贴合面的位置在高度上是可调的。
8.权利要求5的装置，其中传感器包括适于提供与压力成比例的电压信号的硅片。
9.权利要求4的装置，包括用来向气垫供应气流的气流泵。
10.权利要求5的装置，还包括用来对气垫放气的电动操作阀门。
11.用于在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环活动的装置，包括一种施力装置，包括一个背部贴合面，其能循环移动以增加和减小作用在下背部的力，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环活动；及用来调整背部贴合面相对于人的背部的位置的装置。
12.权利要求11的装置，其中该调整装置包括托架，包括用来把托架固定到座位结构中的用具；及套垫，包括适于在托架上滑动的施力装置；套垫和托架，包括至少两个隔开的协同连接结构，由此相对于托架的套垫的位置是可调的。
13.权利要求12的装置，其中托架可从套垫上移走，允许在大致水平的平面上使用施力装置。
14.权利要求12的装置，其中连接结构包括钩和环部件。
15.权利要求11的装置，其中调整装置包括环绕并贴合于可旋转的转轴的挠性部件，该挠性部件支撑着施力装置；及啮合结构，固定在转轴上的用来旋转转轴，从而调整施力装置的位置。
16.用于在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环活动的装置，包括一种施力装置，包括至少两个隔开的背部贴合面，每个能循环移动以增加和减小作用在下背部的力，从而在脊柱前凸的范围内使下背部循环活动；及选择逻辑线路，用来选择至少两个隔开的循环运动的表面中的一个，由此背部贴合面的位置可以调整。
全文摘要
在脊柱前凸的大致范围内使人的下背部循环活动的装置。该装置包括与人的背部贴合的大体上静止的结构和放置于该静止结构和人的背部之间的施力装置(18)。该施力装置包括一个背部贴合面,其能循环移动以增加和减小静止结构和背部贴合面之间的距离,以便在脊柱前凸的范围内使下背部循环活动。一个传感器(54),其输出响应于背部贴合面和下背部之间的力,并且传感器的输出被施力装置用来控制施加背部的力。定时电路(24)提供将施加到背部的力增加到预选的最大值的力量增加期和减小施加在背部的力的力量减小期。可在力量增加期和力量减小期之间设置大致稳定的力量期。
文档编号A61H1/00GK1169673SQ95192434
公开日1998年1月7日 申请日期1995年2月14日 优先权日1995年2月14日
发明者罗兰·G·哈泽德, 史蒂文·M·赖内克 申请人:尔高医药公司