專利名稱：小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集成工作系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集成工作系統(tǒng)，尤
其涉及一種低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀、智能人工日光浴燈、磁懸浮振動骨量剌激儀與 干式超聲波骨密度儀組成的集成工作系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
骨質(zhì)疏松癥是世界衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)定為對人類影響最大的三種疾病之一。在美
國，這種疾病每年造成150萬例骨折，年耗資達(dá)100億美元；由骨質(zhì)疏松導(dǎo)致骨折的年死亡
率約為12% 20%，已成為美國12種主要死亡原因之一。在中國，據(jù)估計目前骨質(zhì)疏松患
者已超過9000萬人。隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口老齡化趨勢的加重，骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率
也勢必迅猛地增加，嚴(yán)重威脅老年人的健康，造成社會醫(yī)療成本的大幅度提升。 骨質(zhì)疏松癥是一種嚴(yán)重危害人類(尤其是婦女)的疾病，一般說來，婦女35歲以
后骨質(zhì)就開始慢慢流失；而停經(jīng)后雌激素水平下降，骨質(zhì)流失就會加速(骨質(zhì)的丟失與雌
激素水平下降成比例)。此外，骨質(zhì)疏松被稱為無聲的殺手，因為發(fā)病之初，患者無法感覺到
骨質(zhì)正在流失，骨骼正在變得越來越脆弱。因此，對于骨質(zhì)疏松癥的檢測、預(yù)防和治療已經(jīng)
成為國際醫(yī)學(xué)界的重大課題。 骨質(zhì)疏松的治療一般可分為藥物治療和物理治療，藥物治療雖然在臨床上廣泛使 用，但由于眾多的副作用、費(fèi)用高，使其應(yīng)用受到了很大的限制；物理治療方法有多種，其中 使用低頻脈沖磁場治療骨質(zhì)疏松是目前證明確有療效的治療方法。發(fā)達(dá)國家如美國、意大 利、以色列等都推出了商品化的低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀。 便攜式超聲波骨密度儀是廣泛使用的骨質(zhì)疏松檢測儀器，其原理是測量骨頭的超 聲波量化參數(shù)(QUS):寬帶超聲波衰減(BUA)和波速(SOS)，從而指示骨密度。根據(jù)美國國 立衛(wèi)生研究院(NIH)研究工作結(jié)論跟骨是最佳測定部位。因為跟骨的95%是骨小梁，新陳 代謝最活躍，最能反映年齡、絕經(jīng)、鍛煉和藥物對骨質(zhì)的影響；跟骨體積大，軟組織覆蓋少， 而且位置又能精確重復(fù)定位，因而測定簡單可靠。 便攜式超聲波骨密度儀分為濕式和干式兩大類。濕式超聲波骨密度儀測量準(zhǔn)確度 高(相對于干式而言)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；干式超聲波骨密度儀使用醫(yī)用超聲膠作耦合劑，使用 方便。
目前，市場上的骨質(zhì)疏松檢測與治療設(shè)備存在以下主要問題 1.價格昂貴 便攜式超聲波骨密度儀目前主要有美國公司、法國公司、韓國公司等在中國銷售。
能測量BUA和S0S的便攜式超聲骨密度儀每臺市場價格在20 30萬元人民幣之間；即使
只測量S0S的便攜式超聲骨密度儀每臺市場價格也在15萬元人民幣左右； 低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀每臺市場價格在30 50萬元人民幣左右。 要擁有骨質(zhì)疏松檢測與治療設(shè)備需要50 100萬元投入，連許多中小型醫(yī)院也望
機(jī)興嘆，更不用說進(jìn)入私人診所和平常百姓家了 。
4[0012] 2.功能單一，治療效果參差不齊 盡管價格昂貴，目前的商品化低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀療效卻參差不齊，究 其原因，一是功能單一 ；二是產(chǎn)生脈沖磁場的裝置仍有改進(jìn)的必要。 骨質(zhì)疏松的治療是一個綜合治療的過程。骨科醫(yī)生通常會告訴患者治療(藥物 治療，物理治療)，服用鈣片和維生素D，曬太陽，運(yùn)動。所以，盡管確有療效，用低頻脈沖磁 場治療骨質(zhì)疏松仍然僅僅是眾多治療方法中的一種，應(yīng)該綜合考慮患者曬太陽，運(yùn)動的問 題，亦即存在增加功能的必要。 低頻脈沖磁場治療骨質(zhì)疏松需要在包圍人體的一定空間產(chǎn)生均勻磁場；而產(chǎn)生這 樣的均勻磁場的最好裝置是線圈。目前的商品化脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀大部分使用單個 線圈，其產(chǎn)生的均勻磁場空間有限；部分新產(chǎn)品使用兩個線圈(亥姆霍茲線圈)，磁場的均 勻性得到一定改善，但仍然有改進(jìn)的必要。 3.體積龐大 低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀很多為治療床結(jié)構(gòu)，具有一個或兩個治療線圈，治 療時患者需要躺到治療線圈中去，這導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大。若想減小治療儀的體積，除了需要 改變治療床結(jié)構(gòu)外，必須減小線圈的直徑，但由此產(chǎn)生兩個問題一是磁場均勻性下降，影 響療效；二是減小直徑后，不方便患者運(yùn)動進(jìn)入線圈內(nèi)，和從線圈內(nèi)退出。 因此，如何在一定的條件下，例如，對低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀，在不犧牲磁 場均勻性及療效的前提下，增加設(shè)備的功能，降低設(shè)備的成本，減小治療儀的體積；對便攜 式超聲波骨密度儀，在其準(zhǔn)確度足以滿足普通中、小型醫(yī)院對骨密度、骨質(zhì)疏松癥進(jìn)行普查 的前提下，降低設(shè)備的成本，是一個極大的挑戰(zhàn)。 綜上所述，集診斷檢測與治療為一體的骨質(zhì)疏松診斷與治療集成工作系統(tǒng)，尤其 是這樣的小型化低成本集成系統(tǒng)更具有極大的市場潛力和社會價值，目前中國這一方面仍 然為空白，本發(fā)明填補(bǔ)了這個空白，讓骨質(zhì)疏松癥診斷檢測與治療設(shè)備進(jìn)入中小型醫(yī)院，私 人診所，甚至平常百姓家成為了可能。

發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種低成本骨質(zhì)疏松癥診斷檢測與治 療集成工作系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，能根據(jù)用戶的要求增、減模塊。最全的配置有四個功能 模塊干式超聲波骨密度儀，低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀，智能人工日光浴燈、磁懸浮振 動骨量剌激儀，這樣配置的潛在用戶是大、中、小型醫(yī)院和私人診所；除了干式超聲波骨密 度儀以外的配置，其潛在用戶可以是私人診所和平常百姓。低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀
也可用于治療高血脂、高膽固醇、血液高粘滯綜合癥、前列腺，和預(yù)防心肌梗塞以及腦血栓
坐坐 寸寸。 本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 從功能上來說，本實用新型由低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀、智能人工日光浴燈、 磁懸浮振動骨量剌激儀、干式超聲波骨密度儀四個功能模塊組成，各個功能模塊既可單獨(dú) 工作、銷售，也可以組合工作、銷售。這樣的系統(tǒng)集成不是功能的堆砌或重迭，而是互相補(bǔ) 充，各有所長。除了可以測量骨密度外，這個系統(tǒng)可對骨質(zhì)疏松進(jìn)行全面的治療低頻脈沖 磁場治療骨質(zhì)疏松引起的疼痛、阻止和扭轉(zhuǎn)骨質(zhì)繼續(xù)流失；治療骨折引起的疼痛、加速已折
5骨頭愈合；人工日光浴促進(jìn)維生素D轉(zhuǎn)化為活性維生素D進(jìn)而促進(jìn)人體對鈣的吸收；磁懸 浮振動剌激骨量增加。容易理解，這樣的集成治療系統(tǒng)的療效是別的系統(tǒng)無法比擬的。 從電路上說，上述四個功能模塊共用公共模塊，公共模塊通過主板上的撥位開關(guān) 檢測集成工作系統(tǒng)的配置。 公共模塊帶片內(nèi)模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器的低成本數(shù)字信號處理器(DSP)或16 位高端微處理器(MCU)，或普通中端微處理器、實時時鐘芯片、液晶顯示器(LCD)、鍵盤、穩(wěn) 壓電源、機(jī)箱。 低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀公共模塊、隔離器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(波形 DAC)、幅度調(diào)節(jié)(幅度DAC)、預(yù)放大器、開關(guān)(D類)功放、磁場線圈；光電隔離、驅(qū)動器、開 關(guān)元件、直流電動機(jī)、蝸輪、蝸桿傳動系統(tǒng)、治療椅/治療床等。 智能人工日光浴燈公共模塊、交流固態(tài)繼電器、電子鎮(zhèn)流器、中波UVB紫外線燈 管、燈架外殼等。 磁懸浮振動骨量剌激儀公共模塊、光電隔離、驅(qū)動器、開關(guān)元件、永磁懸浮振動器 (永磁體與電磁鐵)、承重踏板、外殼、扶手等。 干式超聲波骨密度儀公共模塊、發(fā)射電路、接收電路、自動增益控制電路、時間差 T0F檢測電路、超聲波換能器、熱打印機(jī)等。 小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集成工作系統(tǒng)最全配置的構(gòu)成與連接 如圖l所示。 1.低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀 脈沖磁場治療骨質(zhì)疏松癥的理論基礎(chǔ)是骨細(xì)胞對微小負(fù)荷以及電信號具有識別 能力。低頻脈沖磁場可激活成骨細(xì)胞，促進(jìn)成骨細(xì)胞的有絲分裂，從而增加骨密度。 低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的治療椅結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路如圖3所示。 本實用新型低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀使用四個磁場線圈產(chǎn)生脈沖磁場的結(jié) 構(gòu)如下一個線圈位于座椅下，固定不動；另外三個線圈由直流電動機(jī)、蝸輪、蝸桿傳動系 統(tǒng)驅(qū)動，可作上下運(yùn)動。使用前，先將上面三個線圈向上移動到極限位置，此時一個身高 175cm的患者不用彎腰就可以坐到椅子上；患者坐好后，上面三個線圈再向下移動，直到最 上面線圈的上端面與患者頦隆突對齊時為止。此時，另外兩個線圈覆蓋患者胸腹部。用這 樣的方式可以產(chǎn)生覆蓋患者整個脊柱、胸骨、髖骨、股骨頸、腕骨等重點治療部位的勻強(qiáng)脈 沖磁場。 治療椅的高度可適當(dāng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)個子較矮的患者。 磁場線圈可以是圓形線圈，也可以是方形線圈。圓形線圈的直徑最小為60cm，方 形線圈的邊長最小為60cm，四個線圈的直徑(或邊長)、間距、安匝數(shù)可以相等，也可以不相 等，取決于對磁場均勻性的要求和用什么形式的線圈。圓形線圈可用巴克(Barker)線圈； 李-懷亭(Lee-Whiting)線圈；方形線圈可用馬瑞特(Merritt)線圈等。這些著名的四個 線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場均勻區(qū)大大超過單線圈或兩個線圈(亥姆霍茲線圈)磁場的均勻區(qū)。 在不破壞磁場均勻性的前提下，線圈的結(jié)構(gòu)(直徑和間距)受三個因素制約一是 從治療椅座位平面到患者下巴之間的距離，這個距離大約為70cm(以身高175cm的患者為 標(biāo)準(zhǔn))；二是椅子座位平面到其上最近一個線圈的距離，這個距離應(yīng)該接近或大于20cm，以 便容納患者的大腿；三是在一個線圈對的最小直徑為60cm的情況下，另外一個線圈對的直徑不能超過70cm，否則導(dǎo)致系統(tǒng)體積太大。 為了使電路簡單，選擇四個直徑都為60cm的巴克(Barker)線圈四個線圈串聯(lián) (通過同一電流)，但匝數(shù)不同。在此條件下，整個低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的體積為 [OO38] 治療狀態(tài)或運(yùn)輸狀態(tài)下60cm(長)X 70cm(寬)X 120cm(高)； 上面三個線圈升高到極限位置時(僅在患者運(yùn)動進(jìn)入、退出線圈時才會出現(xiàn)這種 狀態(tài))60cm(長)X70cm(寬)X190cm(高)。 低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的巴克(Barker)線圈的結(jié)構(gòu)見圖4。圖4(a):巴克 四線圈匝數(shù)、間距；圖4(b):巴克四線圈橫截面。圖中N1和N2為線圈的匝數(shù)；線圈匝數(shù)比 (即匪比)Nl/N2 = 2. 26044。 D和d為線圈間距；D = 56. 5cm， d = 14. 6cm。①為線圈直 徑，①=60cm。 使用四個線圈產(chǎn)生脈沖磁場及三個線圈可運(yùn)動的治療椅結(jié)構(gòu)的優(yōu)點 (1)四線圈磁場的均勻區(qū)大大超過單線圈或兩個線圈(亥姆霍茲線圈)磁場的均
勻區(qū)。所以，用均勻區(qū)很大的四線圈磁場可補(bǔ)償由于線圈直徑變小對磁場均勻區(qū)的影響。換
言之，用較小直徑的四線圈系統(tǒng)可獲得用較大直徑的單線圈或兩個線圈(亥姆霍茲線圈)
系統(tǒng)相同的磁場均勻區(qū)；這樣使得在保證療效的前提下減小治療儀的體積成為可能。
(2)三個線圈可運(yùn)動的治療椅結(jié)構(gòu)既減小了線圈直徑，又使患者可以方便地進(jìn)入、
退出治療線圈。 本實用新型低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的信號頻率為1 100Hz (可調(diào))；信號 波形有脈沖波、矩形波、三角波和正弦波，以及由它們組成的復(fù)雜波形；磁場強(qiáng)度為0 80 高斯(可調(diào))；治療骨質(zhì)疏松癥的最佳參數(shù)頻率在50Hz附近，磁場強(qiáng)度在50 70高斯之 間。 圖2中，運(yùn)動機(jī)構(gòu)由螺旋傳動部件、蝸輪、蝸桿、直流電動機(jī)組成。其結(jié)構(gòu)見圖5。 螺旋傳動部件由螺桿(不能作軸向運(yùn)動)、帶內(nèi)螺紋的滑動套(作軸向運(yùn)動)、帶軸向長槽 的空心圓管(固定在治療椅靠背內(nèi)，不能作軸向運(yùn)動和轉(zhuǎn)動；軸向長槽對著患者背部)組 成。 直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，蝸桿驅(qū)動蝸輪，與蝸輪一體化的螺桿旋轉(zhuǎn)，套在螺桿外面的滑 動套將在帶軸向長槽的空心圓管內(nèi)作軸向運(yùn)動，從而帶動固定在滑動套上的三個線圈上下 運(yùn)動。蝸桿、蝸輪傳動與螺旋傳動都具有自鎖功能，運(yùn)動停止或斷電后三個線圈不會自行下 滑。運(yùn)動時三個線圈之間無相對運(yùn)動。 三個線圈同時還由兩副支撐部件支撐。每副支撐部件由固定在治療椅上且?guī)лS向 長槽的空心支撐圓管，和安裝在該空心圓管內(nèi)、可軸向運(yùn)動的支撐桿組成；三個線圈固定在 支撐桿上。 為減少金屬材料對治療區(qū)域磁場的影B向，治療椅、治療床、運(yùn)動機(jī)構(gòu)等均采用非金 屬材料，如工程塑料(ABS)、尼龍等。直流電動機(jī)采用非永磁直流電機(jī)，并安裝在由磁屏蔽材 料構(gòu)成的屏蔽箱中。 為了消除人體對磁場信號的適應(yīng)性以確保療效，在自動工作模式時，本實用新型 低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀可每天加載不同的信號參數(shù)頻率、振幅(磁場強(qiáng)度)、波形。 其實現(xiàn)方法是系統(tǒng)軟件查詢實時時鐘芯片獲得當(dāng)前時間(日期)；再根據(jù)當(dāng)前時間給信 號產(chǎn)生軟件模塊賦不同的初值；同時根據(jù)當(dāng)前時間控制幅度調(diào)節(jié)模塊以調(diào)節(jié)輸出信號振幅(磁場強(qiáng)度)。
由于骨質(zhì)疏松常常導(dǎo)致骨折，本機(jī)有專門的骨折治療處方。 上述治療椅結(jié)構(gòu)也可以由用戶在工作現(xiàn)場改裝成治療床結(jié)構(gòu)，如圖6所示。治療 床結(jié)構(gòu)可供年老體弱或已骨折患者使用。 治療床具有一個類似跑步機(jī)的傳送帶部件，它使患者可以比較容易地滑入、滑出 治療線圈。傳送帶部件由轉(zhuǎn)輥、床板、循環(huán)傳送帶、承重支撐框架等構(gòu)成。傳送帶部件不用 或運(yùn)輸時可以折迭以減小長度。 2.智能人工日光浴燈 目前，很多人有一個誤解，以為服用鈣片和維生素D，就可以預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松。 其實，對停經(jīng)后的老年婦女來說，即使服用維生素D，服用的鈣片也不容易被人體所吸收，因 為維生素D必須轉(zhuǎn)化為活性維生素D后，才能促進(jìn)鈣質(zhì)吸收；而要讓維生素D轉(zhuǎn)化為活性維 生素D，每天至少需要接受10分鐘的紫外線照射。其原理是日光的紫外線照射皮膚后，將 在人體內(nèi)引起一系列光生物學(xué)作用，以生成活性維生素D ;活性維生素D能調(diào)節(jié)人體鈣磷代 謝，促進(jìn)腸道對鈣質(zhì)的吸收，促進(jìn)鈣在骨中沉積，有利于骨的生長。 但是，患者可能由于住宅、季節(jié)、體力、時間等的原因，無法天天作日光浴，故本實 用新型設(shè)計了智能人工日光浴燈。它可以單獨(dú)使用，也可配合低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療 儀使用，或配合磁懸浮振動骨量剌激儀使用。 智能人工日光浴燈電原理框圖見圖7。 燈管使用功率為36W 108W、波長為280nm 320nm的中波紫外線(UVB)保健燈 管，這個波段是紫外線生物學(xué)效應(yīng)最活躍部分，有強(qiáng)烈的皮膚反應(yīng)及促使維生素D轉(zhuǎn)化為 活性維生素D的作用。其中，波長為310nm 315nm的UVB-NB (窄譜UVB)保健燈管可以在 家庭中使用。 由于長期、反復(fù)、過度接受紫外光照射會誘發(fā)和促進(jìn)皮膚腫瘤的發(fā)生，為防止這種 危險，人工日光浴燈設(shè)計有兩種智能模式一是使用人工日光浴燈需要輸入密碼，以防止無 關(guān)人員誤用；二是對同一密碼，自動累加過去24小時的照射時間，當(dāng)超過最小安全照射時 間后，人工日光浴燈將自動關(guān)機(jī)。 3.磁懸浮振動骨量剌激儀 骨質(zhì)疏松癥有從老年人為主向年輕人(白領(lǐng))擴(kuò)展的趨勢，而曬太陽少、缺乏體育 鍛煉是主要的原因?，F(xiàn)代人工作節(jié)奏快、壓力大，很多人沒有進(jìn)行日曬、體育鍛煉的時間。 運(yùn)動鍛煉可通過肌肉活動產(chǎn)生對骨的機(jī)械性應(yīng)力，剌激骨形成和影響機(jī)體的鈣平 衡，使局部及全身的骨礦物含量增加。但是，患者可能由于住宅、季節(jié)、體力、時間等的原因， 無法天天進(jìn)行運(yùn)動鍛煉；而患有骨質(zhì)疏松的老年人在進(jìn)行運(yùn)動鍛煉的同時，亦有跌倒損傷 等誘發(fā)骨折的可能性。所以本實用新型設(shè)計了磁懸浮振動骨量剌激儀，使患者足不出戶就 可安全而有效地進(jìn)行鍛煉。磁懸浮振動骨量剌激儀配合人工日光浴燈效果更佳。 磁懸浮振動骨量剌激儀的工作原理是，骨細(xì)胞對微小負(fù)荷具有識別能力，所以通 過機(jī)械振動施加一定縱向應(yīng)力給雙腿骨骼，可激發(fā)成骨細(xì)胞活力，增加骨量。 磁懸浮振動骨量剌激儀電原理框圖見圖8，磁懸浮振動器由釹鐵硼永久磁鐵和電 磁鐵組成，結(jié)構(gòu)見圖9。圖9(a)為承重踏板俯視圖，圖9(b)為磁懸浮振動器結(jié)構(gòu)剖面圖。 釹鐵硼永久磁鐵可以吸引比自身重量重500倍的重物，所以使用永磁懸浮可以極大的降低功率消耗，縮小磁懸浮振動骨量剌激儀體積。圖9中，永久磁鐵位于固定的外殼上，可以避 免振動造成永久磁鐵退磁；永久磁鐵和電磁鐵的S極與N極相對，因而永久磁鐵內(nèi)部的磁力 線方向與電磁鐵的磁力線方向相同，這樣可以避免永久磁鐵被電磁鐵的磁場退磁。 磁懸浮振動器的工作原理是當(dāng)患者站到承重踏板上面后，重力使承重踏板向下 運(yùn)動，橡膠彈簧(使用橡膠彈簧的目的是降低噪聲)被壓縮，永久磁鐵和電磁鐵之間的距離 增大；通電后永久磁鐵和電磁鐵互相吸引，產(chǎn)生的磁懸浮力使承重踏板向上運(yùn)動，同時橡膠 彈簧被釋放；此時若斷開電源，則重力又使承重踏板向下運(yùn)動。如此循環(huán)往復(fù)，形成振動。 利用DSP/MCU的P麗功能模塊控制開關(guān)元件改變通電、斷電的時間，就可以控制磁懸浮振動 器的振動頻率。 磁懸浮振動器的工作頻率在10 50Hz (可調(diào))；振動幅度在1 2cm。 振動幅度由機(jī)械裝配尺寸決定。 為了克服磁懸浮振動器對低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀磁場的干擾，磁懸浮振動 器的外殼由磁屏蔽材料構(gòu)成，且二者不同時使用。 4.干式超聲波骨密度儀 為降低成本，本機(jī)可用兩種不同的方式構(gòu)成干式超聲波骨密度儀。 方式之一 使用單超聲波換能器(單個超聲波換能器既發(fā)射、又接收)技術(shù)測量骨 密度值。超聲波換能器先發(fā)射超聲波信號，在被測物體第一個邊界產(chǎn)生第一個回波信號；部 分信號穿過第一個邊界后在第二個邊界上又產(chǎn)生第二個回波信號，如圖io所示。利用兩個 回波信號就可以得到寬帶超聲波衰減(BUA)和波速(S0S): a(/) = 20xlog(44^) (1) 式中，An(f)為第二個回波信號的能量頻譜；A工(f)第一個回波信號的能量頻譜。 對中心頻率為0. 5MHz的超聲波換能器，0. 2MHz 0. 6MHz頻率范圍內(nèi)的a (f)曲 線的斜率即為BUA(dB/MHz): 扁=咖e [。.2_。堡](20 x log( ^f^")) (2) 波速S0S可根據(jù)以下公式求出 S0S(m/s)=距離/時間差 (3) 其中，距離為被測跟骨厚度，時間差(Time of Flight, T0F)是兩個回波信號之間 的時間差。 使用單一換能器的簡易型超聲波骨密度儀無論在操作和計算上都十分簡便，能極 大地降低成本，但腳跟骨屬于高衰減系數(shù)的物質(zhì)，對超聲波而言，經(jīng)過兩倍腳跟骨厚度后， 波形會產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減變形而不利于計算T0F即S0S。這需要在硬件與軟件設(shè)計上下功夫， 將誤差控制在一定范圍內(nèi)，使這樣測出的BUA、 S0S其精確度可滿足骨密度或者說骨質(zhì)疏松 癥普查的要求。 單換能器超聲波骨密度儀電路原理如圖ll所示。電路中使用程控增益放大器 (PGA)放大微弱信號，而對回波信號處理的關(guān)鍵部分TOF檢測電路，則利用精密峰值檢波 器、微分電路和過零檢測電路，將回波幅度的峰值時間點作為回波到達(dá)時間。這種方法在原 理上和信號幅度無關(guān)，故具有優(yōu)良的傳輸時間檢測特性。
9[0080] 此種方式需要測量被測跟骨厚度。 方式之二 使用兩個超聲波換能器構(gòu)成僅僅測量SOS的簡易型超聲波骨密度儀。 這種方法有相當(dāng)高的SOS測量精確度，對硬件要求低不需要使用DSP和高速A/D轉(zhuǎn)換器。 簡化電原理框圖如圖12所示，圖中微處理器為一般中端微處理器。詳細(xì)電路框圖如圖13 所示。圖中，隔離器、耦合電路、信號源、驅(qū)動器、功率級組成發(fā)射電路；限幅器、跟隨器、可變 增益放大器(VGA)、AGC信號產(chǎn)生電路組成接收電路；精密峰值檢波器、低通濾波器、微分電 路和零交叉即過零檢測電路組成T0F檢測電路。 發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號后，微處理器啟動定時器，開始計時；當(dāng)接收電路收到超 聲波信號后，微處理器停止計時。此時，定時器的時間差就是超聲波在跟骨中的T0F ;再利 用公式(3)就可算出S0S。 此種方式需要測量被測跟骨厚度，需要使用兩個超聲波換能器，只能提供S0S指 標(biāo)，不能提供BUA測量值。但由于SOS指標(biāo)是用超聲波在骨組織中的傳遞速度來反映骨骼 強(qiáng)度的變化，故僅用SOS指標(biāo)也能綜合反映骨中有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)變化的情況。 本實用新型的有益效果是，設(shè)計了集診斷檢測與治療為一體的骨質(zhì)疏松癥診斷與 治療集成工作系統(tǒng)，具有小型、低成本、模塊化的特點；在不犧牲磁場均勻性的前提下減小 了低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的體積，可以達(dá)到采用較大直徑的單線圈或兩個線圈(亥 姆霍茲線圈)骨質(zhì)疏松治療系統(tǒng)相同的療效；提供了低成本、精確度能滿足骨密度或骨質(zhì) 疏松癥普查之用的超聲波骨密度儀；采用模塊化、硬件復(fù)用的原理，降低了價格，增加了功 能，讓骨質(zhì)疏松癥診斷與治療設(shè)備進(jìn)入中小型醫(yī)院，私人診所，甚至平常百姓家成為了可 能。這樣的集成系統(tǒng)具有很大的市場潛力和社會價值。

圖1為本實用新型最全配置構(gòu)成及連接圖。 圖2為本實用新型低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的治療椅結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本實用新型低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的電路原理圖。 圖4為本實用新型低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀巴克(Barker)線圈的結(jié)構(gòu)圖。圖
4(a)為巴克四線圈匝數(shù)、間距；圖4(b)為巴克四線圈橫截面。 圖5為本實用新型低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。 圖6為本實用新型低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的治療床結(jié)構(gòu)圖。 圖7為本實用新型智能人工日光浴燈電原理框圖。 圖8為本實用新型磁懸浮振動骨量剌激儀電原理框圖。 圖9為本實用新型磁懸浮振動骨量剌激儀結(jié)構(gòu)圖。圖9(a)為承重踏板俯視圖，圖 9(b)為磁懸浮振動器結(jié)構(gòu)剖面圖。 圖10為干式、單超聲波換能器測量BUA、 S0S原理圖。 圖11為本實用新型簡易型干式、單超聲波換能器骨密度儀電原理框圖。 圖12為本實用新型干式、兩個超聲波換能器測量S0S簡化電原理框圖。 圖13為本實用新型干式、兩個超聲波換能器測量S0S詳細(xì)電路框圖。
圖中 1.可運(yùn)動線圈，2.固定線圈，3.治療椅，3-1.治療椅靠背，3-2.海綿墊，4.運(yùn)動機(jī)構(gòu)，4-1.帶軸向長槽空心圓管，4-2.帶內(nèi)螺紋的滑動套，4-3.螺桿，4-4.蝸輪，4_5.蝸桿， 4-6.直流電動機(jī)，5.支撐部件，5-1.帶軸向長槽空心支撐圓管，5-2.支撐桿，6.直流電動機(jī) 屏蔽箱，7.傳送帶部件，7-1.承重支撐框架，7-2.床板，7-3.循環(huán)傳送帶，7-4.轉(zhuǎn)輥，8.外 殼，8-1.減振器，8-2.永久磁鐵，8-3.電磁鐵，8-4.彈簧套碗，8_5.橡膠彈簧，8_6.承重踏板。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖介紹本實用新型的具體實施方式
及具體工作過程。 本實用新型的每個功能模塊都可單獨(dú)工作，也可以將低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療
儀與智能人工日光浴燈，或者磁懸浮振動骨量剌激儀與智能人工日光浴燈同時使用。但低 頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀與磁懸浮振動骨量剌激儀不能同時使用，以免影響低頻脈沖磁 場骨質(zhì)疏松治療儀產(chǎn)生的磁場的均勻性。
(1)測量骨密度值 使用準(zhǔn)備用鍵盤輸入患者個人信息；在超聲波換能器(探頭)與跟骨測量區(qū)涂 醫(yī)用超聲膠作耦合劑；將超聲波換能器對準(zhǔn)跟骨測量區(qū)。 測量骨密度值選擇"骨密度測量"，測量在系統(tǒng)軟件控制下自動完成；選擇"打 印"將打印測試報告。測試報告滿足WHO標(biāo)準(zhǔn)，除提供數(shù)字超聲波量化參數(shù)BUA、SOS外(雙 探頭系統(tǒng)僅提供SOS)，還包括T值、Z值等等。 (2)使用低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀(以治療椅結(jié)構(gòu)為例敘述) 使用準(zhǔn)備按上升鍵將上面三個線圈向上移動到極限位置(在上極限位置會自動
停止)；讓患者坐到治療椅上；按下降鍵將三個線圈向下移動到極限位置(在下極限位置會
自動停止)。如果患者太矮，可適當(dāng)調(diào)節(jié)椅面高度，直到最上面線圈的上端面與患者頦隆突
對齊時為止。
骨質(zhì)疏松治療選擇"骨質(zhì)疏松治療"，系統(tǒng)將自動選擇治療處方(每個處方對應(yīng)
不同的信號參數(shù)頻率、振幅/磁場強(qiáng)度、波形、治療時間等)；選擇"骨質(zhì)疏松治療"后，再按
上升鍵、下降鍵，可人工選擇處方號。選擇治療處方后，就進(jìn)入治療階段，治療時間結(jié)束后，
系統(tǒng)會自動關(guān)機(jī)。在治療過程中，按停止鍵，治療將立即停止，即使治療時間未完。
骨折治療骨折治療只能人工選擇處方，因為骨折前期、骨折中期、骨折后期的治
療處方不同。選擇"骨折治療"后，再按上升鍵、下降鍵，可人工選擇處方號。其余操作與骨
質(zhì)疏松治療相同。
(3)使用智能人工日光浴燈 患者需戴防護(hù)眼鏡或用紗布遮蓋眼部；燈管置于照射部位的垂直位置，準(zhǔn)確測量 燈管與被照射部位的距離；選擇"日光浴"，輸入密碼后，系統(tǒng)將自動選擇照射時間；輸入密 碼后，再按上升鍵、下降鍵，可人工選擇照射時間。無論是自動選擇還是人工選擇照射時間， 對同一密碼，系統(tǒng)將根據(jù)過去24小時的累加照射時間，和最小安全照射時間，決定實際執(zhí) 行的照射時間。日光浴照射時間到后，人工日光浴燈將自動關(guān)機(jī)。
(4)使用磁懸浮振動骨量剌激儀 患者站到磁懸浮振動骨量剌激儀的承重踏板上；抓緊扶手；選擇"骨量剌激"，系 統(tǒng)將自動選擇處方(磁懸浮振動工作頻率、剌激時間)；選擇"骨量剌激"后，再按上升鍵、下降鍵，可人工選擇處方。選擇骨量剌激處方后，就進(jìn)入骨量剌激階段，時間結(jié)束后，骨量剌激 儀會自動關(guān)機(jī)。在使用過程中，按停止鍵，骨量剌激儀將立即停止工作，即使設(shè)定的時間未完。
(5)同時使用低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀與人工日光浴燈 工作過程與單獨(dú)使用類似。
(6)同時使用磁懸浮振動骨量剌激儀與人工日光浴燈 工作過程與單獨(dú)使用類似。 本實用新型不局限于上述最佳實施方式，其它根據(jù)本實用新型所揭示的精神完成 的修改設(shè)計，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集成工作系統(tǒng)，集診斷檢測與治療為一體，各功能模塊既可單獨(dú)工作、銷售，也可組合工作、銷售；最全的配置有四個功能模塊干式超聲波骨密度儀、低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀、智能人工日光浴燈、磁懸浮振動骨量刺激儀；所述干式超聲波骨密度儀主要包括公共模塊、發(fā)射與接收電路、自動增益控制電路、時間差TOF檢測電路、一個或兩個超聲波換能器；超聲波換能器在機(jī)箱外，通過電纜與機(jī)箱內(nèi)的發(fā)射、接收電路相連；所述低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀主要包括公共模塊、信號產(chǎn)生電路、三個～五個圓形或方形磁場線圈、直流電動機(jī)及驅(qū)動電路、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、治療椅/治療床；其中，直流電動機(jī)及運(yùn)動機(jī)構(gòu)、磁場線圈在治療椅或治療床上，直流電動機(jī)與機(jī)箱內(nèi)的驅(qū)動電路相連，磁場線圈與機(jī)箱內(nèi)的信號產(chǎn)生電路相連；磁場線圈最小直徑或邊長為60cm，治療時患者在磁場線圈內(nèi)；所述智能人工日光浴燈主要包括公共模塊、交流固態(tài)繼電器、電子鎮(zhèn)流器、紫外燈管；其中，紫外燈管在機(jī)箱外并與機(jī)箱內(nèi)的電子鎮(zhèn)流器與電源相連；所述磁懸浮振動骨量刺激儀主要包括公共模塊、隔離器、驅(qū)動器、開關(guān)元件、磁懸浮振動器；其中，磁懸浮振動器在機(jī)箱外，并與機(jī)箱內(nèi)的開關(guān)元件相連；治療時患者站在磁懸浮振動器上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集成工作系統(tǒng)，其 特征是集成工作系統(tǒng)的公共模塊由數(shù)字信號處理器DSP或微處理器MCU、實時時鐘芯片、 液晶顯示器、鍵盤、穩(wěn)壓電源、機(jī)箱組成；實時時鐘芯片、液晶顯示器、鍵盤、穩(wěn)壓電源與DSP 或MCU連通；公共模塊通過主板上的撥位開關(guān)檢測集成工作系統(tǒng)的配置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集成工作系統(tǒng)，其 特征是低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀使用三個、或四個、或五個線圈產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場；線圈 可以是圓形線圈，也可以是方形線圈；圓形線圈的直徑最小為60cm，方形線圈的邊長最小 為60cm，線圈的直徑或邊長、間距、安匝數(shù)可以相等，也可以不相等；對治療椅結(jié)構(gòu)，一個線 圈位于座椅下，固定不動；另外多個線圈可由運(yùn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動上下運(yùn)動，以便患者進(jìn)入和退出 治療線圈；治療時患者在線圈內(nèi)，且最上面線圈的上端面與患者頦隆突對齊，其余可動線圈 覆蓋患者胸腹部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l，或權(quán)利要求3所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集 成工作系統(tǒng)，其特征是低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀中，驅(qū)動線圈運(yùn)動的運(yùn)動機(jī)構(gòu)由非永 磁直流電動機(jī)、蝸輪、蝸桿、螺桿、套在螺桿外面的滑動套、帶軸向長槽的空心圓管構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1，或權(quán)利要求3所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集 成工作系統(tǒng)，其特征是低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀的治療椅結(jié)構(gòu)可以由用戶在工作現(xiàn) 場改裝成治療床結(jié)構(gòu)；該治療床具有一個類似跑步機(jī)的傳送帶部件，它使患者可以比較容 易地滑入、滑出治療線圈；傳送帶部件由轉(zhuǎn)輥、床板、循環(huán)傳送帶、承重支撐框架構(gòu)成；傳送 帶部件不用或運(yùn)輸時可以折迭以減小長度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1，或權(quán)利要求2所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療 集成工作系統(tǒng)，其特征是低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀電路由公共模塊、信號產(chǎn)生電路、 直流電動機(jī)驅(qū)動電路構(gòu)成；信號產(chǎn)生電路由DSP或MCU、隔離器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器即波形DAC、幅度調(diào)節(jié)元件即幅度DAC、預(yù)放大器、D類開關(guān)功放組成并依次連通；直流電動機(jī)驅(qū)動 電路由DSP或MCU、隔離器、驅(qū)動器、開關(guān)元件構(gòu)成并依次連通；治療信號頻率為1 100Hz， 信號波形有脈沖波、矩形波、三角波和正弦波，以及由它們組成的復(fù)雜波形，磁場強(qiáng)度為 0 80高斯，治療骨質(zhì)疏松癥的最佳參數(shù)頻率在50Hz附近，磁場強(qiáng)度在50 70高斯之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1，或權(quán)利要求2所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集 成工作系統(tǒng)，其特征是智能人工日光浴燈由公共模塊、交流固態(tài)繼電器、電子鎮(zhèn)流器、紫 外燈管組成并依次連通，交流固態(tài)繼電器還與電源連通，紫外燈管還與電子鎮(zhèn)流器、電源連 通；紫外燈管使用功率為36W 108W、波長為280nm 320nm的中波紫外線UVB保健燈管， 其中，波長為310nm 315nm的UVB-NB保健燈管可以在家庭中使用。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1，或權(quán)利要求2所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集 成工作系統(tǒng)，其特征是磁懸浮振動骨量剌激儀的磁懸浮振動器由釹鐵硼永久磁鐵、電磁 鐵、承重踏板、外殼、扶手組成；電磁鐵安裝在可上下運(yùn)動的承重踏板上，永久磁鐵安裝在固 定的外殼上，永久磁鐵位于電磁鐵的上方，永久磁鐵和電磁鐵的S極與N極相對；磁懸浮 振動器的驅(qū)動電路由隔離器、驅(qū)動器、開關(guān)元件組成并依次連通，隔離器與數(shù)字信號處理器 或微處理器的P麗模塊連接，開關(guān)元件與電磁鐵的線圈連接；磁懸浮振動器的工作頻率在 10 50Hz，振動幅度在1 2cm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l，或權(quán)利要求2所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集 成工作系統(tǒng)，其特征是干式超聲波骨密度儀可用單個超聲波換能器既發(fā)射、又接收的方式 測量跟骨的超聲波量化參數(shù)QUS，從而指示骨密度值；其電路由公共模塊、發(fā)射電路、接收 電路、自動增益控制電路、時間差TOF檢測電路、熱打印機(jī)構(gòu)成；發(fā)射電路由隔離器、信號 源、驅(qū)動器、功率級組成并依次連通，信號源通過隔離器與DSP或MCU連接；接收電路由限幅 器、跟隨器、程控增益放大器PGA、帶通濾波器BPF組成并依次連通，該帶通濾波器與DSP或 MCU的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊連通；超聲波換能器分別與功率級和限幅器連通；TOF檢測電路 由精密峰值檢波器、低通濾波器、微分電路和零交叉即過零檢測電路組成并依次連通，零交 叉檢測電路連接DSP或MCU的中斷INT模塊，精密峰值檢波器連接程控增益放大器；AGC電 路由精密峰值檢波器、低通濾波器、放大器組成并依次連通，放大器與DSP或MCU的A/D轉(zhuǎn) 換模塊連通，以指示接收信號強(qiáng)度；程控增益放大器與DSP或MCU連通。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1，或權(quán)利要求2所述的小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集 成工作系統(tǒng)，其特征是可以使用兩個超聲波換能器構(gòu)成只測量波速SOS的干式超聲波骨 密度儀；測量電路主要由發(fā)射超聲波換能器、發(fā)射電路、無片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器、接 收電路、接收超聲波換能器構(gòu)成；發(fā)射電路與發(fā)射超聲波換能器連通；接收電路與接收超 聲波換能器連通；發(fā)射電路、接收電路分別連接微處理器。
專利摘要小型低成本模塊化骨質(zhì)疏松癥診斷與治療集成工作系統(tǒng)，集診斷檢測與治療為一體，各功能模塊既可單獨(dú)工作、銷售，也可組合工作、銷售。最全的配置有四個功能模塊干式超聲波骨密度儀、低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀、智能人工日光浴燈、磁懸浮振動骨量刺激儀。四個功能模塊共用DSP或微處理器、實時時鐘芯片、LCD、鍵盤、穩(wěn)壓電源和機(jī)箱。超聲波骨密度儀測量跟骨的超聲波量化參數(shù)QUS；低頻脈沖磁場骨質(zhì)疏松治療儀有治療椅/治療床結(jié)構(gòu)，用三～五個圓形或方形磁場線圈產(chǎn)生勻強(qiáng)脈沖磁場治療骨質(zhì)疏松；智能人工日光浴燈使用中波紫外線保健燈管促進(jìn)人體對鈣的吸收；磁懸浮振動刺激骨量增加。這樣的集成工作系統(tǒng)具有無可比擬的療效和性價比。
文檔編號A61B8/08GK201492441SQ20092000555
公開日2010年6月2日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者云飛·王, 欣俊·易 申請人:王代梅