專利名稱：用于生物剌激、加速治療和減輕疼痛的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的脈沖信號發(fā)生器。尤其是，本發(fā)明涉及在至少四個定時間隔T1-T4，更尤其是在七個定時間隔T1-T7基礎(chǔ)上產(chǎn)生輸出波形的輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)緊湊的脈沖信號發(fā)生器。
背景技術(shù)：
受傷、感染和退化狀況是疼痛、不方便、花費、失去工作(和空閑)時間和減少生產(chǎn)力的主要來源。由于在年輕、健康人中很快治愈的受傷對于年老、不太健康或這兩種情況都具備的人要花費長的多的時間，因此與這些情況相關(guān)的問題隨著年齡的增長惡化。像現(xiàn)在在許多工業(yè)化國家中所見到的老齡化社會中，在接下來的幾十年過程中這些社會和經(jīng)濟影響會變得更大。
然而很難估計這些狀況的總成本-姑且不論它們對于生活質(zhì)量的影響-單在美國每年確定的總量達到數(shù)十億美元。例如，每年五百萬到一千萬美國居民遭受骨損傷，這些病例中的許多人包括多處骨折。對于年輕、健康病人，許多骨折需要六個星期或更長時間內(nèi)在石膏中固定不動。即使去掉石膏后，在治愈的骨重新獲得全部力量之前病人的活動也經(jīng)常受限制。對于老年人，不太健康或營養(yǎng)不良的人，多處骨折的人，或具有影響治愈過程狀況的病人，骨折治愈得更慢。在一些病例中，骨折不能完全治愈，導(dǎo)致被稱為“不愈合”或“不愈合骨折”的情況，這種情況有時會持續(xù)一生。
結(jié)果，估計在美國僅由于骨折就損失二十五萬人-年生產(chǎn)力。不僅能在其他類的外部傷害中得到相似的統(tǒng)計結(jié)果，而且在例如骨關(guān)節(jié)炎、骨貭疏松癥、糖尿病和褥瘡潰瘍患者、韌帶損傷、腱炎和重復(fù)張力損傷(包括通常稱為“網(wǎng)球肘”和腕骨隧道病綜合癥的情況)等慢性病中也可得到這樣的結(jié)果。
自從20世紀60年代以來，人們已日益認識到作為受傷、張力和其它因素的結(jié)果，人體會產(chǎn)生許多低能級的電信號；這些信號在治愈和疾病恢復(fù)過程中成為一個必須的部分；并且能通過提供人工產(chǎn)生的頻率、波形和力量上模擬人體自身的信號加速這樣的過程。這樣的“模擬”信號已顯示出在人體中具有許多效果，包括幫助指引纖維原細胞和巨噬細胞這樣的移動細胞位于它們所需要(趨電性)的位置，并導(dǎo)致例如轉(zhuǎn)化增長因子β(TGF-β)和類胰島素增長因子(IGF)的細胞增長因子的釋放。這些結(jié)果可使下列情況更快速治愈，包括皮膚和肌肉創(chuàng)傷、由糖尿病導(dǎo)致的慢性潰瘍；包括許多不愈合骨折的損傷骨的修補；受傷或斷裂神經(jīng)的再生長；修補像在腱炎和骨關(guān)節(jié)炎中由于重復(fù)性運動損傷的組織；減輕腫脹炎癥和疼痛，包括通常基于藥物治療但減輕效果不令人滿意的慢性疼痛。
一些人體信號，如在傷口中測量到的“損傷電勢”或“損傷電流”只是DC(直流電)，其隨時間緩慢改變。已發(fā)現(xiàn)，骨折修補和神經(jīng)再生長鄰近負電極時加快，但接近正電極時減慢，一些病例中在接近正電極處會發(fā)生組織萎縮或壞疽。由于這個原因，最近的研究已聚焦于更高頻、通常沒有凈余DC成分的更復(fù)雜的信號。
盡管今天許多復(fù)雜信號研究已用于骨折治愈，但所有組織中的共同基本生理過程表明，適當(dāng)?shù)男盘枌τ诩铀僭S多其他治愈和疾病恢復(fù)過程會有效。事實上，已觀察到特定頻率和波形的結(jié)合可抗擊骨關(guān)節(jié)炎和失眠癥，刺激頭發(fā)生長，減輕腫脹和炎癥，抗擊局部感染，加速包括皮膚、神經(jīng)、韌帶和腱的受傷軟組織的痊愈，減輕疼痛而無需忍受TENS(經(jīng)皮電神經(jīng)刺激)的替代不適。
圖1A和1B顯示了已發(fā)現(xiàn)在刺激骨折治愈中有效的波形20的示意圖，其中線22(圖1A)表示短時標的波形，線24(圖1B)表示更長時標的相同波形，電平26和28表示電壓或電流的兩個不同的特征值，間隔時間30、32、34和36表示特定轉(zhuǎn)換之間的定時。通常選擇電平26和28使得當(dāng)平均整個周期的波形時，沒有凈余DC成分。在實際應(yīng)用中，波形20由于所有的電壓或電流向電平26和28之間某一中間電平指數(shù)衰減而被典型地改變，衰減時間常數(shù)通常與間隔時間34相似，該結(jié)果由線38表示(圖1C)。
在市場上獲得的治療不愈合骨折的的典型裝置中，間隔時間30大約200微秒，間隔時間32大約30微秒，間隔時間34大約5毫秒，間隔時間36大約60毫秒。間隔時間30和32的交替重復(fù)產(chǎn)生脈沖群40，間隔時間34的每一個長度由信號大約保持在電平28的長度36的間隔時間分開。這樣每一個波形38由頻率約為4400Hz、占空比約為85％的在電平26和28之間交替的矩形波組成。脈沖群以頻率15Hz、占空比7.5％重復(fù)，與基本上無信號的周期交替。由于體內(nèi)和體外骨產(chǎn)生信號的特性取決于許多因素，包括但并不限于它的類型、尺寸和礦物密度，應(yīng)力值和它的應(yīng)用率，這樣信號的定時可廣泛變化。因此，可相信造骨細胞能響應(yīng)波形和頻率內(nèi)容稍微不同的信號范圍。
然而，組織可不同地響應(yīng)明顯不同的頻率和波形。例如，圖1A-C的波形在加速骨折治愈方面有效而在減慢骨質(zhì)疏松癥的過程方面不太有效。另一方面，由每一個持續(xù)大約350-400微秒的極性26的單脈沖52，以頻率約60-75Hz與極性28的間隔時間54交替組成的波形50(圖2)能減慢或甚至逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松癥，但對骨折修補幾乎不起作用。另外，對于每種應(yīng)用的確切波形和頻率可改變。
信號強度也可以改變，事實上，更強的信號通常并不比弱信號產(chǎn)生更多好處，有時效果更小。這種荒謬的關(guān)系在圖3中示意性顯示，其中線60表示在各種信號強度下治愈效果的大小。對于典型信號(例如圖1A-C中的信號)，最大效應(yīng)62典型地在一到十μA/cm2之間的某處下降，交叉點64約在這個值的百倍處。超過點64，信號就減慢治愈或本身可能引起進一步的損傷。相似的反應(yīng)可在其它響應(yīng)電刺激的生物過程中看到，這些生物過程包括細胞分裂，蛋白質(zhì)和DNA合成，基因表達和細胞內(nèi)第二信使?jié)舛取＠?，?dāng)傳統(tǒng)的TENS能使用相對強信號阻止疼痛感覺時，就像人為干擾信號防礙無線通訊，它也可由于疼痛警告功能的無效而導(dǎo)致日益增多的更壞的受傷。
許多治愈裝置的重要因素似似乎是高頻信號以脈沖群出現(xiàn)，由平信號或無信號的時間間隔分割，這些脈沖群中的波形是自身不對稱的。當(dāng)濾出約50KHz以上的頻率成分，按照五微秒的時間轉(zhuǎn)換時，結(jié)果似乎更好。使用頻率高于50KHz的正弦波，方波，或波形通常與圖1中類似但占空比達到50％或具有過快或過慢上升時間的測試與其它相比較的功率電平相比顯示了低得多的效果。
消費者和醫(yī)學(xué)專業(yè)人員可獲得許多不同類型的電刺激裝置，該裝置產(chǎn)生從通過低頻得到的恒定電流或恒定電壓(DC)到高頻波形的許多不同波形范圍。通常，在低頻范圍內(nèi)的低頻波形和高頻脈沖趨向于針對組織治愈應(yīng)用，然而高頻波形用于減輕疼痛。
電刺激廣泛用于組織治愈應(yīng)用。這里，Petrolsky(US5974342)顯示了通過應(yīng)用治療電流治療受傷組織、腱或肌肉的微處理器控制的裝置。該裝置具有提供雙相恒定電壓或電流的幾個通道，包括100-300微秒正相，200-750微秒中間相，和每12.5-25毫秒發(fā)生一次的100-300微秒負相。
Pilla等人(US5723001)公開了一種帶有脈沖無線頻率電磁放射的治療人體組織的裝置。該裝置產(chǎn)生具有1-100MHz頻率的脈沖群，每個脈沖群有100-100,000脈沖，脈沖群重復(fù)頻率為0.01-1000Hz。脈沖范圍可以是常規(guī)、非常規(guī)或任意的。
Bartelt等人(US5117826)公開了一種組合神經(jīng)纖維和身體組織刺激的裝置和方法。該裝置產(chǎn)生用于神經(jīng)纖維刺激的雙相脈沖對，和用于身體組織治療的凈余DC刺激(由具有比正脈沖更大數(shù)目的負脈沖的雙相脈沖序列提供)。在US4895154中，Bartelt等人描述了刺激增強治愈軟組織損傷的裝置，該裝置包括產(chǎn)生輸出脈沖的多個信號發(fā)生器。輸出脈沖的強度、極性和速率可通過裝置前面板上的一系列控制把手或開關(guān)改變。
Gu等人(US5018525)顯示了產(chǎn)生由具有相同寬度的脈沖群組成的脈沖序列的裝置，其中每一個脈沖群由多個特定頻率的脈沖組成。脈沖的數(shù)目從一個脈沖群到下一個變化；每一個脈沖群中的脈沖頻率相應(yīng)于每個群中脈沖數(shù)目變化而從一個脈沖改變到下一個。脈沖具有230-280KHz的頻率；脈沖群的占空比在033％到5.0％之間。
Liss等人(US5109847)關(guān)于一種便攜、非侵入的電子裝置，該裝置產(chǎn)生特定波形的恒電流和包括具有至少兩個低頻調(diào)制的載波頻率的限流波形。載波頻率在1-100,000KHz之間；方波或矩形波調(diào)制頻率是0.01-199KHz和0.1-100KHz。占空比可以改變，但對于這三種波形通常是50％，50％和75％。
Borkan’s的組織刺激器(US4612934)包括可植入的、皮下的接收器和植入電極。接收器為完成想要的響應(yīng)，可在植入后非侵入地編程，以刺激不同電極或改變刺激參數(shù)(極性和脈沖參數(shù))；程序數(shù)據(jù)在載波上以調(diào)制信號的形式傳輸。編程的刺激可響應(yīng)于測量到的生理參數(shù)和電極阻抗進行修改。
Hondeghem(US4255790)描述了一種可編程脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，其中輸出脈沖的時間周期和子間隔由來自基準時鐘頻率發(fā)生電路的信號加上連接到時鐘頻率發(fā)生電路的一對并聯(lián)設(shè)置的分頻電路來確定。時間周期、子間隔和輸出波形是可變的。
Hsiang-Lai等人(US3946745)提供了一種用于治療目的的產(chǎn)生正、負電脈沖的裝置。該裝置產(chǎn)生由連續(xù)脈沖對組成的信號，其中每對脈沖具有相反極性。振幅、持續(xù)時間和每對脈沖之間的時間間隔以及連續(xù)脈沖對之間的時間間隔是獨立可變的。
McDonald(US3589370)顯示了一種通過將單方向脈沖應(yīng)用到合適的變壓器以產(chǎn)生雙向脈沖群的電子肌肉刺激器。
Landauer(US3294092)公開了一種產(chǎn)生電流以用于阻礙肌肉萎縮、治療營養(yǎng)不良引起的缺陷、去除分泌液和減小粘連的裝置，該裝置輸出信號的振幅是可變的。
Kronberg(US5217009，5413596，US6011994，US6321119和申請?zhí)枮?9/935007的美國申請(2001年8月21日提出)，均在這里收入作為參考文獻)描述了用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的信號發(fā)生器。這些發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，這些脈沖信號具有固定的和可變的振幅，固定的、變化的和掃描頻率以及(在某些情況下)可選擇的DC偏壓。
設(shè)計用于減輕疼痛的經(jīng)皮神經(jīng)電刺激(“TENS”)的單元可廣泛獲得。例如，Bastyr等人(U5487759)公開了能與使電極墊保持在適當(dāng)位置的不同類型的支持裝置一起使用的電池供電裝置。鍵入連接器提供了用于確定哪種類型的支持裝置被用于阻抗匹配和載波頻率調(diào)整的二進制編碼。載波頻率約為2.5-3.0KHz；治療頻率通常為2-100Hz。
Kolen(US5350414)提供了由微處理器控制載波脈沖頻率、調(diào)制脈沖頻率、強度和頻率/振幅調(diào)制的裝置。該裝置包括脈沖調(diào)制配置，其中載波頻率與治療位置處的組織電極負載匹配以提供更有效的能量傳遞。
Liss等人(US4784142)公開了一種電子牙止痛裝置和方法。該裝置產(chǎn)生帶有非對稱低頻(8-20Hz)振幅調(diào)制的較高頻率(12-20KHz)脈沖的輸出。
Bartelt等人(US5063929)描述了一種產(chǎn)生雙相恒定電流輸出脈沖的微處理器控制的裝置，其刺激強度可由使用者改變。
Charters等人(US4938223)提供了一種輸出信號由具有盈虧振幅的刺激脈沖群組成的裝置，其中每一個刺激的振幅是脈沖群振幅的固定百分比。對信號進行振幅調(diào)制以幫助防止病人體內(nèi)的適應(yīng)性響應(yīng)。
Molina-Negro等人(US4541432)公開了一種用于減輕疼痛的電神經(jīng)刺激裝置。該裝置對于第一時間周期產(chǎn)生具有預(yù)選重復(fù)率和寬度的雙極矩形信號。然后，對于第二時間周期矩形信號以偽隨機率產(chǎn)生，并且對于第三、偽隨機周期禁止傳遞信號。這種方案據(jù)說可基本消除神經(jīng)細胞對于刺激的適應(yīng)性。
Butler等人(US4431000)顯示了一種治療失語癥和其它基于神經(jīng)病學(xué)的說話和語言損傷的經(jīng)皮神經(jīng)刺激器。該裝置使用偽隨機脈沖發(fā)生器以產(chǎn)生由模仿典型生理學(xué)波形(如腦α節(jié)律)的梯形、單相信號組成的不規(guī)則脈沖序列。一系列這樣的脈沖具有零DC電平；裝置中的電流源減少象皮膚阻抗這樣的變量的效果。
Maurer(US4340063)公開了一種可植入或應(yīng)用到身體表面的刺激裝置。脈沖的振幅隨著沿強度持續(xù)雙曲線限定的曲線的脈沖寬度的減小而降低。這據(jù)說會由于脈沖寬度和閾值之間的非線性關(guān)系導(dǎo)致成比例的神經(jīng)纖維的更多復(fù)原Kosugi等人的系統(tǒng)(US4338945)產(chǎn)生按照1/f規(guī)則波動的脈沖。也就是說，波動的譜密度隨頻率相反變化令人愉快的刺激通常具有由該規(guī)則控制的隨機波動。該系統(tǒng)產(chǎn)生的不規(guī)則脈沖序列據(jù)說能提高刺激期間病人的舒適度。
信號發(fā)生器也用于聽覺假體。例如，McDermott的接收器/刺激器(US4947844)產(chǎn)生一系列短間距電流脈沖，這種脈沖具有比每一個間隔脈沖持續(xù)更長的零電流脈沖間的時間間隔。該刺激電流的波形包括一系列這樣的跟隨著相等數(shù)量的相反極性間隔脈沖的單極間隔脈沖，使得通過電極轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)目大約為零。
Alloca(US4754759)描述了一種產(chǎn)生負振幅峰值是正振幅峰值的三分之二的“階梯形”脈沖序列的神經(jīng)傳導(dǎo)加速器。加速器在神經(jīng)活動電勢的傅立葉分析基礎(chǔ)上設(shè)計；輸出頻率可在1-1000Hz之間變化。
Galraith(US4592359)描述了一種多通道可植入神經(jīng)刺激器，其中每一個數(shù)據(jù)通道適于攜帶單極、雙極或模擬形式的信息。該裝置包括設(shè)計用來當(dāng)電源關(guān)閉時恢復(fù)剩余電量的電量平衡開關(guān)(據(jù)說由不通入DC電流或電量可阻止電極損傷和骨增長)。
盡管具有很大的治療潛能，傳統(tǒng)西醫(yī)僅勉強接受電療法的治療，并且至今很少使用。這似乎是信號需要具有高局部強度才有效這樣的早期信念的遺留產(chǎn)物?，F(xiàn)在，許多電治療裝置既可通過直接植入電極或整個電子議器組件獲得，也可由通過皮膚的感應(yīng)耦合獲得。一方面對于外科手術(shù)和生物兼容材料的需要，而另一方面過度電路復(fù)雜性和輸入功率的需要，這已使許多這樣的裝置(除TENS裝置以外)保持相對較高的價格，也限制了它在廣大受過訓(xùn)練的人員中的使用。仍然需要一種通用的、成本效益合算的裝置，該裝置在包括加速治愈和減輕疼痛的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域中用于提供生物電刺激。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的主要方面和廣泛闡明，本發(fā)明是產(chǎn)生在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的電信號的裝置和方法。信號包括由在至少四個定時間隔T1-T4，尤其是在七個定時間隔T1-T7基礎(chǔ)上的類矩形波間歇脈沖群組成的不對稱、雙相波形。該裝置包括一個產(chǎn)生定時間隔T1和T2的第一定時單元；一個產(chǎn)生定時間隔T3和T4的第二定時單元(如果存在，定時單元也可產(chǎn)生間隔T5、T6和T7)；一個將這些間隔組合成在間隔中具有預(yù)定關(guān)系的輸出信號的互連單元；一個傳輸輸出信號至負載(例如使用裝置進行治療的組織)的輸出單元；一個電池包；一個可選的、從輸出信號中去除不想要頻率成分的濾波器；以及一個從具有預(yù)定特性的多個輸出信號中選擇的調(diào)整單元。信號具有在間隔T1、T5和T6期間的第一振幅電平L1，在間隔T2和T4期間的第二電平L2，以及在間隔T7期間的第三電平L3，其中L3在包含L到L之間的范圍內(nèi)下降。
該裝置質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備齊全、制造和維修的成本效益合算，并且可以長時間攜帶和使用。它對于無人監(jiān)督的家庭使用很安全而且無需特定訓(xùn)練，并且能產(chǎn)生上述輸出信號并通過直接與負載接觸的導(dǎo)電板有效地對其進行傳送。由于只能使用低電壓和電流，即使在失靈時裝置也為會產(chǎn)生電擊危險。通過緊湊和便宜的電池提供電壓，在幾星期的使用中僅需更換一次。
本裝置可用于為生病的人和動物提供活體內(nèi)、可定制的電治療，包括但不限于加速治愈、減輕急性或慢性疼痛和減輕腫脹和/或炎癥。由于電治療波形也可影響隔離細胞或組織培養(yǎng)(已觀察到適當(dāng)?shù)碾姶碳た筛淖兗毎玛惔x，分泌和復(fù)轉(zhuǎn)的速率)，本裝置也可用于體外應(yīng)用。與用于阻斷神經(jīng)系統(tǒng)中的疼痛脈沖的TENS類裝置相比，本裝置在低于正常人體閾值的信號電平下操作許多使用者除了感受到先前存在的疼痛的穩(wěn)定降低以外沒有任何感覺?？梢韵嘈疟狙b置通過增強包括在對各種生理學(xué)狀態(tài)的細胞響應(yīng)內(nèi)的象細胞質(zhì)這樣的化學(xué)因子的釋放在治療位置直接操作。這樣的操作導(dǎo)致在治療位置的血流增加和抑止進一步炎癥，因此增強體內(nèi)固有的治療過程。
輸出信號是本發(fā)明的重要特征，輸出信號是在具有下列關(guān)系的至少四個定時間隔T1-T4基礎(chǔ)上的波形
(a)(2×T2)≤T1≤(20×T2)(b)50微秒≤(T1+T2)≤5000微秒(c)T3≥(10×T1)(d)T4≤500毫秒其中信號在間隔T1期間具有第一振幅電平L1，在間隔T2和T4期間的第二振幅電平L2，其中間隔T1和T2交替通過間隔T3，間隔T3和T4也交替通過其中。
更優(yōu)選地，波形在七個定時間隔T1-T7基礎(chǔ)上，具有上面描述的三個不同振幅。定時間隔大致具有下面的關(guān)系(a)(2×T2)≤T1≤(20×T2)(b)50微秒≤(T1+T2)≤5000微秒(c)T3≥(10×T1)(d)0≤T4≤500毫秒(e)0≤T5≤T1(f)0≤T6≤T1(g)0≤T7≤500毫秒(h)5毫秒≤(T3+T4+T7)≤500毫秒在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，間隔T3包括下列順序間隔T5，跟著是至少一對間隔(T1，T2)，然后是間隔T6。定時間隔和振幅電平是可變的，從而提供一個能被調(diào)整以用于廣泛的治療應(yīng)用的輸出信號。
產(chǎn)生信號的裝置是本發(fā)明的另一個重要特征。裝置包括產(chǎn)生定時間隔的定時單元(例如振蕩器或不穩(wěn)定多頻振蕩器)，其最好連接使得第一定時單元通過互連單元控制第二定時單元。裝置可包括允許使用者從間隔(T1，T2)的多個成對值，間隔(T3，T4)的多個成對值和多個振幅輸出電平L1-L3中選擇一組的轉(zhuǎn)換單元。更優(yōu)選地，電平L1至L3的任何兩個之間進行的轉(zhuǎn)換具有不大于約1/2T2的衰減時間常量。如果想要，裝置也可產(chǎn)生所有振幅電平向位于L1和L2中間的值L4衰減的波形。在這種情況下，L4可等于或不等于L3，并且衰減發(fā)生的時間常量不小于約10倍的T1。因此，輸出信號的波形和振幅都可調(diào)整，以適合各使用者和特定應(yīng)用的需要。
本發(fā)明的另一個特征是提供間隔T7，在這期間中間電壓或電流電平L3出現(xiàn)在負載而不是低電平L2。該特征最小化了在脈沖群之間的休止間隔期間出現(xiàn)在負載(例如裝置所治療的組織)的能量值。
本發(fā)明的另一個特征是阻止所選能級(即，高于有意產(chǎn)生的最高頻率的頻率)以上頻率的濾波器，以產(chǎn)生想要轉(zhuǎn)換外形或通過外部高頻信號源防止干涉。例如，濾波器可包括分路電容、電阻器網(wǎng)絡(luò)、電壓控制的電流源，或同時減慢和控制轉(zhuǎn)換率、抵消50KHz以上(或其它選擇頻率)輸出頻率成分以及防止外部無線電頻率信號干涉電路功能的其它合適的裝置。
本發(fā)明的另一個特征是使用雙定時單元，雙定時單元可產(chǎn)生能被結(jié)合以產(chǎn)生具有所選特性的輸出波形的波形。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，兩個定時單元中的一個由另一個控制。也就是說，第二個單元的輸出是“開”或“關(guān)”取決于第一個單元的輸出是“低”還是“高”。這產(chǎn)生了生成輸出信號的電路，輸出信號的特性-頻率、占空比、振幅-可通過組成部分的特定選擇在寬的范圍內(nèi)確定。輸出信號具有理想選擇特性的這兩個電路可以與非常簡單全面的電路結(jié)構(gòu)組合，以產(chǎn)生想要的、具有定時間隔T1到T7的輸出波形。
本發(fā)明的另一個特征是使用傳統(tǒng)的、穩(wěn)定可靠的低壓電池作為裝置的電源。然而本發(fā)明也可使用AC(交流)電源(帶有任何合適的適配器)，電池電壓不僅減小了裝置的尺寸和重量，而且對于接受治療的病人增加了它的安全性和便于使用。典型地，電池很少需要替換(取決于輸出信號和特定應(yīng)用，通常每幾個星期不多于一次)，從而簡化了病人的操作并減少操作花費。由于在使用時發(fā)生器不與AC輸送管線上的電流相連，不產(chǎn)生高壓，也不產(chǎn)生類似于感應(yīng)心室纖維顫動的頻率，因此極大地降低了電損傷的可能性。僅需要產(chǎn)生治療效果的低電壓電平應(yīng)用到人體。因此，發(fā)生器即使在失靈時也不產(chǎn)生電擊危險結(jié)果本發(fā)明適于在無人監(jiān)督的家里使用。
本發(fā)明的另一個特征是多用途?？蛇x擇本裝置的元件以產(chǎn)生具有可選時間隔T1-T7的輸出波形和L1-L3的輸出電壓(或電源)值。正如前面所描述，組織對于純AC信號或疊加有正或負DC成分的AC信號可以不同方式響應(yīng)不同信號頻率。類似地，如圖3所示，不同效果可出現(xiàn)在不同電流密度上。
具有可調(diào)整輸出信號的裝置與具有固定輸出的裝置相比可用于更多種類的應(yīng)用；另一方面，醫(yī)學(xué)專業(yè)人員可優(yōu)選具有固定輸出的發(fā)生器，或只能在大小上可調(diào)的輸出由他們的病人進行門診使用。在本發(fā)明的一個實施例中，使用者可選擇通過旋轉(zhuǎn)刻度盤或使用鍵盤為給定應(yīng)用選擇信號以選擇上面提到的多個可獲得信號中的一個。
本發(fā)明的另一個特征是能夠在預(yù)定治療持續(xù)時間結(jié)束后關(guān)閉輸出信號，從而按照預(yù)定間隔時間反轉(zhuǎn)信號極性，或者兩者同時。一個可選的定時裝置允許使用者為單個病人專門治療。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，通過仔細閱讀下文記載的帶有附圖的實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施例，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點是顯而易見的。


在附圖中，圖1A和1B是用于刺激骨折治愈的波形分別在短時標和長時標上的示意圖；圖1C顯示了圖1B中波形的修改形式；圖2顯示了用在骨質(zhì)疏松癥治療中的波形；圖3顯示了治療效果與信號強度(振幅)對照的示意圖；圖4示出了按照本發(fā)明最佳實施例的波形；圖5A-F示出了圖4中波形的特定實施例；圖6是按照本發(fā)明最佳實施例的裝置框圖；圖7和8分別顯示了非對稱振蕩電路和雙非對稱振蕩電路，兩者均可用在圖6的裝置中；圖9顯示了圖6中裝置的特定實施例的多個波形輸出；圖10、11和12分別顯示了電源、一對定時單元、電壓轉(zhuǎn)換單元和具有關(guān)聯(lián)電路的濾波器，這些元件均可用在圖6的裝置中；圖13是一對輸出波形的示意圖；圖14示出了電壓電平可調(diào)整以產(chǎn)生強直流(DC)信號分量的波形；圖15顯示了圖12中電路的可選形式，其設(shè)計用于產(chǎn)生圖14中的信號；圖16A和16B示出了在選擇的間隔時間反轉(zhuǎn)極性的具有DC分量的波形；圖17舉例說明了具有DC分量以及周期性反轉(zhuǎn)極性的波形，其波形也可在治療的預(yù)選長度時間后關(guān)閉；以及圖18顯示了圖11中電路的可選形式，其設(shè)計用于產(chǎn)生例如圖15和16中的波形。
具體實施例方式
在下面實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式的描述中，索引號用于識別結(jié)構(gòu)元件、元件部位和圖中的表面或區(qū)域，這樣的元件、部位、表面或區(qū)域可通過整個撰寫的說明書進一步說明或解釋。為保持一致，當(dāng)相同的索引號用在不同附圖中時，它表示與第一次使用時相同的元件、部分、表面或區(qū)域。除非另外指出，附圖應(yīng)與說明書一起閱讀，并按照35U.S.C.§112作為本發(fā)明完整撰寫說明的一部分考慮。正如在這里所使用的，術(shù)語“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”以及它們的形容詞和副詞的衍生詞，其當(dāng)特定附圖面向讀者時表示所顯示結(jié)構(gòu)的相對方向。
本發(fā)明是一種用在多領(lǐng)域中提供生物電刺激的裝置。該裝置產(chǎn)生具有約為矩形或類矩形，以低于約50KHz的所選頻率重復(fù)的非對稱脈沖，濾出約50KHz以上頻率的波形(然而，不同的濾掉頻率也可能是有用的)。這些脈沖以脈沖群出現(xiàn)，它們本身以更低頻率重復(fù)。波形的特征是可變的，以適合所治療的不同應(yīng)用或需要治療的靶組織，這一點將在下面進一步描述。
現(xiàn)在參照圖4，按照本發(fā)明優(yōu)選實施例顯示了波形70。由線72表示的波形70有七個分別由74a-74g表示的定時間隔T1-T7以及三個表示為76a-76c的電壓或電流電平L1-L3。然而在圖4中電平L1顯示為在L2之上，應(yīng)當(dāng)理解為L1對于L2不是必須為正或為負。間隔T1-T7有如下關(guān)系(a)(2×T2)≤T1≤(20×T2)(b)50微秒≤(T1+T2)≤5000微秒(c)T3≥(10×T1)(d)0≤T4≤500毫秒(e)0≤T5≤T1(f)0≤T6≤T1(g)0≤T7≤500毫秒(h)5毫秒≤(T3+T4+T7)≤500毫秒也就是說，間隔74a(T1)相應(yīng)于占空比在5％到33％之間，為間隔74b(T2)長度的2-20倍，優(yōu)選約七倍。T1和T2的總和約在50-5000微秒之間。間隔74e(T5)和74f(T6)長度在零到T1之間。間隔74c(T3)至少約為間隔74a(T1)的十倍。74c(T3)、74d(T4)和74g(T7)在5毫秒到500毫秒之間，優(yōu)選為約70毫秒。(應(yīng)理解這些范圍為大約值；也可使用這些范圍以外的T1-T7值。)由于這些限制，T4、T5、T6和T7的任何一個或它們的組合均可具有包括零的任何長度。
間隔T1和T2形成T1，T2，T1，T2這樣的交替循環(huán)，其表示頻率位于200Hz-200KHz之間的矩形波的相反相。類似地，間隔T6，T4，和T7形成T6，T4，T7，T6，T4，T7這樣的交替循環(huán)，其表示頻率位于5-50Hz之間的三相波的連續(xù)相。每一個間隔T3被再分為以單間隔T5開始的多個短間隔，通過上面描述的多個間隔T1和T2交替進行，并以結(jié)尾與間隔T3相符的單間隔T6結(jié)束，使得代表性(如果非典型地短)的例子可能是T5，T1，T2，T1，T2，T6。相反地，間隔T4和T7不進行這樣的再分。
第一和第二電壓或電流電平L1(電平76a)和電平L2(76b)極性相反，并在它們之間限定了在使用波形70進行治療的組織中典型跨越幾個mV/cm(電壓)或幾個μA/cm2(電流)的范圍。在這個范圍中存在一個第三和可選的第四電壓或電流電平L3(電平76)和L4(電平76e)，兩者均可具有L1-L2范圍之間的任何值(對于許多應(yīng)用，L3和L4可均為零)。
在波形70的一個完整周期中，電壓或電流假定電平L1(即，電平76a)在間隔T1、T5和T6期間，電平L2(76b)在間隔T2和T4期間，電平L3(76c)在間隔T7期間。(如前所述，間隔T3被再分。)電壓或電流電平之間的轉(zhuǎn)換優(yōu)選約為朝向新電平的一個指數(shù)衰減，該衰減具有小于T2六分之一的時間常數(shù)t1。更優(yōu)選地，該時間常數(shù)約為5毫秒，使得大于約50KHz的頻率成分被消除。當(dāng)方便時，每一個這樣的轉(zhuǎn)換之后的電壓或電流也可向L4指數(shù)衰減，這樣的衰減具有大于十倍T1的時間常數(shù)t2。
衰減時間常數(shù)τ定義為指示的數(shù)量和它最后的值之間的差值衰減了因子e或約2.71828的時間。因此，在等于一個時間常數(shù)的時間后，差值已下降到約為開始值的27％。三個時間常數(shù)后，差值下降到約5％，可認為衰減基本完成。對于電壓或電流電平之間的轉(zhuǎn)換，這種衰減優(yōu)選發(fā)生在約15微秒或T2的一半中較短的時間處。
圖4和圖1波形之間差別的主要點是包括輸出間隔T7(74g)，在這期間是中間電壓或電流電平L3(76d)而不是在低電平L2(76b)出現(xiàn)在輸出或被治療組織處。這種變化的目的是使在脈沖群之間的休止期間出現(xiàn)在被治療物質(zhì)之處的能量值最小化。
例如，參照圖1中的線38，其顯示了大量的電荷保持在輸出電容器或其它濾波裝置上，并在脈沖群之間的間隔36期間指數(shù)衰減。相反地，在圖4中，間隔T4(74d)在電壓或電流電平L2定義了完全中和剩余在該裝置上的任何電荷的負“均衡”脈沖。一旦這樣的中和發(fā)生，電平L3(76c)發(fā)生轉(zhuǎn)換使在間隔T7(74g)期間沒有明顯的輸出電流，從而補償了定時周期的剩余。
注意到圖4顯示的波形70顯示了由于波形70在T1和T5期間均具有電平L1，因此在任何給出的間隔T3內(nèi)間隔T5和第一間隔T1之間沒有轉(zhuǎn)換。相似地，如果T6在正常轉(zhuǎn)換時間部分接近零，由于波形70在間隔T2和間隔T4期間均具有電平L2，因此它們之間就沒有轉(zhuǎn)換。
上面描述波形的特定情況是間隔T4、T5、T6和T7均接近零，從而使產(chǎn)生的波形是交替在電壓或電流電平L1和L2之間、分別對應(yīng)間隔T1和T2的連續(xù)脈沖序列，如圖5A所示。在這種情況中，波形80a的T3(74c)可設(shè)為具有T1和T2之和整數(shù)倍的任意長度。
圖5B-F顯示了波形70另外的特定實施例。為了清楚，顯示在這些圖中的每個波形中的時間間隔和電壓電平?jīng)]有單獨標注。波形80b(圖5B)表示了T1比T3長的單脈沖群，使得群保持相對少的單個脈沖。作為對比，波形80c(圖5C)表示了T1比T3短的單脈沖群，使得群保持相對多的單個脈沖。
波形80d(圖5D)表示兩個完整的脈沖群，其中T3比T4短，使得脈沖群只占全部時間的相對少的部分。作為比較，波形80e(圖5E)表示兩個完整的脈沖群，其中T3比T7長，使得脈沖群占全部時間的相對多的部分。波形80f(圖5F)表示在相同級數(shù)中的末端情況，其中間隔T4、T5、T6和T7均接近零，使產(chǎn)生的波形與先前圖5A中所示的相同。盡管通常優(yōu)選波形80b-80d之一的脈沖群波形，如波形80f那樣使用T1和T2值相同的連續(xù)波形也是有效的。最佳治療協(xié)議取決于多種因素，包括治療條件和可獲得的治療時間。很顯然，除圖5A-F中顯示的波形以外，普通波形70的特定實施例也在本發(fā)明的精神內(nèi)。
上面描述的波形可成形為“電荷平衡”，也就是說由于在所有負電流期間離開電極的電荷等于所有正電流期間進入它的電荷，T1-T7和L1-L4之間的相互作用導(dǎo)致在任意長治療期間的總電流為零或大約為零。在這樣電荷平衡的情況下，沒有DC成分并且信號由全部純AC組成。例如，可通過下列方式平衡電荷在輸出路徑中放置DC-阻礙電容器，或設(shè)置L3為零，L1和L2相等但具有相反極性，并且T4＝T5+T6+所有的T1-所有的T2，使得在每一個周期中L1和L2所占的時間相同。
對于任何波形70或80a-80f，一個或更多象間隔T1和T2之和或電壓/電流電平L1和L2之間跨距這樣的參數(shù)可特定應(yīng)用而改變。例如，可調(diào)整L1和L2，優(yōu)選一起調(diào)整以保持它們之間的比率，來補償可變的使用者皮膚阻抗或激活不同組織修復(fù)過程。相似地，也可改變在治療單元輸出的電壓或電流L1和L2之間的跨距，以補償受治療的可變組織橫截面或各種組織不同的最優(yōu)電流密度。
相信可用波形70或80a-80f治療的情況包括，但不必須限于骨折，骨質(zhì)疏松癥，急性疼痛，慢性疼痛，腫脹，簡單炎癥，和例如腱炎(包括腕管綜合癥和其它重復(fù)性壓力損傷)和骨關(guān)節(jié)炎這樣的炎性紊亂。然而應(yīng)當(dāng)理解，間隔T1-T7和電壓/電流電平L1-L3(L1-L4)中沒有一種設(shè)置對于治療所有(或者甚至大多數(shù))這些狀況都有用。在使用波形72或80a-80f治療期間也可看到包括許多組織類型和由外傷或糖尿病這樣的變性狀況引起的受傷的加速治愈。然而不希望受理論約束，相信適當(dāng)?shù)碾妷?電流電平和定時間隔可用于治療更廣泛變化的情況，這些情況的病原學(xué)包括細胞新陳代謝、分泌或復(fù)制不適當(dāng)比率或不平衡，或通過合適地修改這些因子能減輕這些情況。因此，應(yīng)當(dāng)理解每一種特定應(yīng)用的最優(yōu)波形特性最好以觀察和實驗相結(jié)合的適當(dāng)方式尋找。
按照本發(fā)明的波形，例如波形70或80a-80f，可使用如圖6中方框圖形式顯示的裝置90產(chǎn)生。裝置90包括產(chǎn)生一連串間隔T1和T2以及最好還有T5和T6的第一定時單元92；產(chǎn)生一連串間隔T3以及最好還有T4和T7的第二定時單元94；組合來自單元92和94的信號使一連串間隔T1和T2僅在間隔T3中出現(xiàn)的互連單元96；以可用強度產(chǎn)生輸出信號的電壓或電流開關(guān)98；可選擇的修改信號定時和強度(即振幅)的調(diào)整單元100；去除不想要信號成分并優(yōu)選也設(shè)置轉(zhuǎn)換和衰減時間常數(shù)的濾波器102；將信號向外輸送到負載106(細胞培養(yǎng)物，組織，有機體或?qū)儆谒鼈兊囊徊糠值?的連接單元104；以及為裝置90的其它組成部分提供能量以執(zhí)行其功能的電源裝置。
目前，調(diào)整單元100能夠從間隔T1和T2、間隔T4和T7或兩個間隔均包括的多個交替的成對值中選擇。更優(yōu)選地，當(dāng)保持一個選擇的占空比時選擇這樣的成對間隔值以改變裝置90的操作頻率，或反之亦然。例如，間隔T4和T7的一個這樣的成對值可以是兩個間隔均接近零，因此輸出象波形80f那樣的連續(xù)脈沖序列。
為了在接受治療的活體物質(zhì)(即負載106)內(nèi)確立對于特定應(yīng)用可能需要或想要的最佳電流密度，可選的調(diào)整單元100也可提供在多個電壓或電流電平L1、L2和L3的交替值中進行選擇的功能。在這結(jié)束后，開關(guān)98作為電壓波形產(chǎn)生輸出波形70或80a-80f，然后該波形在調(diào)整單元100的控制下，通過適當(dāng)?shù)碾娮杵鳌㈦娮杵骶W(wǎng)絡(luò)或組成濾波器102一部分的電壓控制的電流源轉(zhuǎn)換為電流波形。
當(dāng)需要電荷平衡輸出時，濾波器102優(yōu)選包括一個或更多與輸出序列串聯(lián)連接的非極化電容器或電解電容器的背對背結(jié)合，以阻礙來自信號的任何直流分量，除非對于特定應(yīng)用需要這樣的分量。然而，其它類型的裝置也可用于濾波器102。
濾波器102也優(yōu)選地包括阻礙所選能級以上頻率(即高于所產(chǎn)生的與目的有關(guān)的最高頻率的頻率)的適當(dāng)裝置，以產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)換波形或防止外部高頻信號源的干涉，這帶來了方便。例如，在信號已經(jīng)過前面提到的電阻器、電阻器網(wǎng)絡(luò)或電壓控制的電流源后，濾波器102可包括橫跨輸出線放置的旁路電容，以同時減慢和控制轉(zhuǎn)換率，衰減約50KHz以上的輸出頻率成分，和防止通過任何來自外部的無線電頻率信號對電路運行產(chǎn)生干涉。
濾波器102也可包括任何適當(dāng)類型的整流器，以將沒有凈余DC成分的其它雙相輸出轉(zhuǎn)換為具有受控DC成分的準單相輸出(對于某些受傷治愈應(yīng)用可能需要)。如果需要整流，可提供在治療的特定情況或階段打開或關(guān)閉整流的開關(guān)。經(jīng)過整流，可方便地消除間隔T7，或?qū)⑤敵鲭娖絃2和L3設(shè)置成彼此相對接近。
圖6的單元92、94、96、98、100、102、104、108以多種方式實現(xiàn)。例如，定時塊92和94可均是不穩(wěn)定多頻振蕩器，它們的輸出進一步由數(shù)字邏輯電路和互連單元96處理，其近似US5217009(在此作為引用文獻)中描述的方式?？蛇x地，定時單元92可以是具有不穩(wěn)定多頻振蕩器的定時單元94，然后例如可通過分頻電路從單元92數(shù)字導(dǎo)出。定時單元92和94可均由普通定時源使用分頻器鏈或微處理器以近似US5413596(在此作為引用文獻)中描述的方式數(shù)字導(dǎo)出。然而在另一種方法中，定時單元92和94可以是不穩(wěn)定多頻振蕩器，單元94以接近US6011994(在此作為引用文獻)中描述的方式控制單元92使產(chǎn)生間隔T1和T2的單元92只在間隔T3期間運行而在其它時間關(guān)閉。
定時單元尤其適合在互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)邏輯電路基礎(chǔ)上產(chǎn)生70和80a-80f這樣的非對稱、重復(fù)波形。很少有人知道知道CMOS邏輯門可作為邏輯或數(shù)字裝置使用，或同時使用。通過使用具有模擬或復(fù)合信號作為輸入的CMOS邏輯門，允許許多信號發(fā)生器和處理操作以非常有效和簡單的方式執(zhí)行。在這個原則基礎(chǔ)上的一個自啟動、非對稱的CMOS振蕩器120(技術(shù)上是不穩(wěn)定多頻振蕩器)由兩個反相邏輯門122a、122b和少量無源元件組成，這種振蕩器在US6011994中進行了描述，并以圖7中的圖解形式顯示。振蕩器120產(chǎn)生兩個互補輸出124a和124b，其中每一個輸出由一連串高和低電壓交替間隔組成，其持續(xù)時間取決于電容器126和電阻器128a、128b和128c的值以及二極管130的極性。這樣的振蕩器可作為圖6中的定時單元92或定時單元94運行。在差分模式中使用互補輸出124a和124b，而不是其中一個輸出具有固定電勢，從而產(chǎn)生極大值和極小值接近供應(yīng)電壓兩倍的輸出電壓。
具有所示連接的二極管130和電路元件的可忽視非理想特性T1＝1.1×R1C，T2＝(1.1×C)/(1/R1+1/R2)，F(xiàn)＝1/(T1+T2)，以及D＝T1/(T1+T2)其中T1是波形124a的“高”輸出期間，T2是它的“低”輸出期間，R1是電阻器128a的阻值，R2是電阻器128b的阻值，C是電容器126的電容值，F(xiàn)是振蕩頻率，以及D是占空比，并假設(shè)電阻器128c的阻值R3大于R1和R2。對于波形124b，T1和T2是顛倒的。如果二極管130的極性顛倒，T1和T2在兩個波形中也顛倒。
這些元件適當(dāng)?shù)闹悼赏ㄟ^首先指定通常在約100pF-1μF范圍內(nèi)的實際非極化電容器的電容值獲得；由下列方程計算R1和R2R1＝T1/(1.1×C)，以及R2＝1/(1.1×C(1/T1+1/T2)；指定R3為至少兩倍，優(yōu)選約十倍R2的任何實際值；然后優(yōu)化R1和R2(通過適度量的實驗)以補償現(xiàn)有元件的非理想性。R1和R2的優(yōu)化值通常處于上面描述的計算值的約±20-30％范圍內(nèi)。R1或R2決不能小于3300Ω或大于約3.3MΩ，同時R3也不能大于約22MΩ，如果這種情況發(fā)生，為使R1、R2和R3返回到這些范圍內(nèi)應(yīng)為C選擇新值。
這樣的振蕩器120事實上可提供從幾秒至1微秒或更小的任何想要的振蕩周期和在這樣振蕩中的任何想要的占空比。尤其有用的是振蕩頻率僅通過改變電容器126的值改變而基本上不改變占空比。這個特征使得可能在多個交替、成對的T1和T2值中進行選擇而保持想要的占空比，例如通過使用開關(guān)選擇多個電容器中一個的方式。
兩個這樣的振蕩器120可互相連接，使其中一個以較低頻率振蕩的振蕩器控制第二個振蕩器，第二個振蕩器僅在較低頻率振蕩的所選階段(T1或T2)以高得多的頻率振蕩，因此產(chǎn)生相似于圖1所示的波形。圖8中所示的這樣互相連接的振蕩器對120a、120b可作為圖6中的定時單元92和94使用，并且這兩個振蕩器之間的連接同時作為互連單元96。這種方法的優(yōu)點是，由于CMOS電路(忽略輸出負載)的功率消耗很大程度上取決于操作頻率，因此當(dāng)它需要使功率消耗最小時，就關(guān)閉除低頻振蕩部分期間的高頻振蕩器。
兩個這樣耦合的CMOS振蕩器也可用于產(chǎn)生間隔T4的均衡脈沖。更優(yōu)選地，更高頻振蕩器的兩個互補輸出被緩沖并由附加的、復(fù)合的模擬和數(shù)字部件轉(zhuǎn)換，使它們在相反邏輯狀態(tài)中一個設(shè)置內(nèi)產(chǎn)生輸出電壓和電流電平L1，在相反設(shè)置內(nèi)產(chǎn)生輸出電壓和電流電平L2，在間隔T4末端產(chǎn)生第三電平L3，兩個輸出均導(dǎo)致相似的邏輯狀態(tài)。
在優(yōu)選實施例中，裝置90產(chǎn)生多個針對各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的特定波形，包括但不必需限于骨折治愈、減輕疼痛和骨質(zhì)疏松癥治療。例如，裝置90的特定實施例可產(chǎn)生圖9所示的六個波形，所述波形可以具用若干用戶可選擇強度的任何一個。這里，波形150、152和154是脈沖群類型波形，每一個具有對于間隔T1、T2、T5和T6值的不同設(shè)置；然而T3、T4和T7在所有三個脈沖中是相同的。波形156、158和160分別與波形150、152和154的連續(xù)脈沖序列相似，與它們的不同之處僅在于T4和T7在每種情況中設(shè)置為零。圖9中波形的定時間隔設(shè)置的例子在表1中給出。
表1。波形150、152、154、156、158和160(圖9)的定時間隔定時間隔*波形 T1T2T3T4T5T6T7150200 30103 50 -54156200 30- 0 50 -0152600 70103 150 -54158600 70- 0 150 -01541500170 103 400 -54
1601500170-0 400-0*(T1，T2，T5，和T6以微秒給出；T3，T4和T7是毫秒)表1示例中的定時精確度是約±10％或20微秒中的較大值。具有這些定時間隔的裝置90已被美國食品及藥物管理局明確可用于減輕慢性疼痛。不同定時間隔對于某些應(yīng)用也有用。
當(dāng)一個這種類型的CMOS振蕩器以圖示方式控制另一個時，間隔T5是高頻振蕩器在脈沖群開始時的開始時延，T5通常為間隔T1的四分之一，然而間隔T6僅是保持在間隔T3末端的最后一個間隔T1的一部分。因此，沒有試圖在超出已給出的范圍外定義T6。間隔T3、T4和T7對所有三個脈沖群波形具有相同值；對于連續(xù)波形，間隔T3未定義而T4和T7都是零。
間隔T1和T2如此選擇使得對于脈沖群類型的波形，每一個脈沖群可以象在波形150中那樣被分為約6-8個脈沖(“低調(diào)制”)，象在波形152中那樣被分為約15-32個脈沖(“中調(diào)制”)，或象在波形154中那樣被分為約35-72個脈沖(“高調(diào)制”)。間隔T1和T2的相同值用在相應(yīng)連續(xù)的脈沖序列波形中。
為補償所治療的可變的組織橫截面或各種組織的不同最優(yōu)電流密度，可按照表2中所示對每種波形預(yù)設(shè)置強度。
表2，額定輸出電流(從連接塊104到負載106的總輸出電流按照編號為NS-4-1985的ANSI/AAMI標準測量。在負載106中，電流約均勻分配在負載的全部橫截面上，其局部變化取決于目前的特定組織類型。)輸出電流(μA)設(shè)置 脈沖群模式 連續(xù)模式低60 180中200600高6001800通常，推薦對于約一個小時或更長時間的治療使用脈沖群操作；對于許多情況推薦使用治療時間每天達到8個小時或甚至更長時間。然而，當(dāng)可獲得的治療時間限制在一個小時或更短，優(yōu)選連續(xù)脈沖群操作。對于治療具有薄或濕潤皮膚的病人推薦使用低調(diào)制，正常皮膚使用中調(diào)制，以及厚或干燥的皮膚使用高調(diào)制。相似地，在手指使用推薦低強度，在手和胳膊使用推薦中強度，高強度用于身體的其它部位。然而，設(shè)置的最優(yōu)組合對于要治療的每一個特定病人最好單個確定；少量實驗可用于找到在任何特定病例中的最有效的設(shè)置組合。如上所述，波形150-160符合ANSI/AAMI NS-4-1985的所有安全要求。因此，具有表1和2中所提出設(shè)置的裝置90可安全地用于傳統(tǒng)微電流電刺激器或TENS單元。
具有表1和2中輸出參數(shù)的裝置90包括相應(yīng)于圖6中單元92-108的部分，這些例子將在下面說明。然而，有時在下面描述中給出特定的、優(yōu)選的通孔類型部分標號，應(yīng)當(dāng)理解不同元件(包括表面裝配類型裝置)和按照不同技術(shù)制造的元件也是有用的。電阻器通常為1/4-瓦，具有±1％公差的金屬或金屬氧化物膜類型，除非另有規(guī)定。
圖10中所示的電源108包括可替換的電池172；一個三位開/關(guān)功能選擇開關(guān)174；一個用于功能選擇的控制二極管，當(dāng)電池174反向插入時防止損壞的一對阻塞二極管178a和178b；一個電解的旁路電容器180，其提供一個用于電路操作的電荷儲存的。沒有提供適配器、插座或其它外部電源輸入。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，電池172的電池盒設(shè)計為僅當(dāng)電池盒關(guān)閉時裝置90運行。
電池172可以具有九伏或大約九伏的少許輸出。該范圍內(nèi)的電壓輸出可通過每個至少具有約270毫安-小時容量的三個3伏鋰幣電池組成的電池組提供，例如，型號為2032的鋰幣電池，其外面套有大部分正極和負極表面被削減的熱收縮外殼。這樣的電池組可為具有下面描述的特定元件的裝置90提供約兩個星期連續(xù)使用的供電。為運轉(zhuǎn)更長時間，可使用更大的幣形電池和許多這樣的電池可并聯(lián)連接。優(yōu)選鋰電池是因為它們兼?zhèn)湫〕叽?、長保存期限、高能密度和在低或近似恒定負載的情況下相對平的放電曲線；然而，也可使用其它類型的電池。
在圖10所示的實施例中，選擇器開關(guān)174的位置“A”通過二極管176和輸出線182使控制振蕩器190停止工作，選擇連續(xù)脈沖序列模式；位置“B”允許兩個振蕩器運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生脈沖群，而位置“C”是“關(guān)閉”。開關(guān)176的位置“C”、“B”和“A”因此分別相應(yīng)于“關(guān)閉”、“脈沖群”和“連續(xù)”操作模式。
二極管178a和178b防止分別在開關(guān)位置“A”和“B”時反向電池插入引起的意外損壞。電容器180提供能量緩沖以最小化接近電池使用壽命時電池174內(nèi)升高的內(nèi)部阻抗效應(yīng)。來自電容器180的輸出線184和186分別是+9伏的額定電壓線和地線，為盡管未示出的、位于這些單元中包括這些線和CMOS邏輯塊之間的連接的剩余電路單元供應(yīng)電能。
開關(guān)174可以是開-開-開類型、單極三位(SP3T)微型滑動開關(guān)，例如NKK類型SS14SDP2。二極管176，178a和178b是小的通用硅整流器，例如二極管組合公司(Diodes Incorporated)的型號BAV19或相似類型的整流器。電容器180可是任何在10伏DC或更高時具有至少約100μF容量的常用、微型鋁或鉭電解類型。
圖11顯示了先前圖8所示的相同配置的定時單元92和94。第一定時單元92包括兩個CMOS邏輯門190和192；三個電阻器194a、194b和194c；一個電容器196；和一個二極管198。這些元件形成圖6中所示的不穩(wěn)定、非對稱多頻振蕩器。門190和192可以是CD4011B四芯導(dǎo)線組件中四個2-輸入與非門中的兩個，其作為正負電源與線184和186相連，優(yōu)選地是每一個門具有限定在“高”的輸入，使得它作為具有最小輸入和供應(yīng)電流的簡單反相器工作?？蛇x地，反相器可由將兩個門輸入連接在一起形成。
通過示例的方式，電阻器194a、194b和194c的值分別為732KΩ、212KΩ和2.2MΩ，偏差為±1％。電容器196可以是聚丙烯或聚酯膜類型的電容器，值約為偏差±2％的0.100μF。這些元件產(chǎn)生如圖5D所示、頻率為15Hz的相對低占空比的控制信號。如果需要其它占空比和頻率也可使用其它值的電阻和電容。確切的值也可取決于裝置類型、廠商和批號而不同，但可象前面描述的進行優(yōu)化。二極管198是一個小的通用硅整流器，優(yōu)選BAV18或類似類型。
類似地，第二定時單元94由兩個CMOS邏輯門200和202；三個電阻器204a、204b和204c；一次只選擇一個的三個電容器206a、206b和206c；和一個二極管208組成，這些形成與剛剛所描述的相同的振蕩器，區(qū)別在于這一個接受控制輸入并以圖7所示的方式產(chǎn)生互補輸出。門200和202優(yōu)選是CD4011B四芯導(dǎo)線組件中四個2-輸入與非門中的兩個，其作為正負電源與線184和186相連。
門200接收門192的輸出作為一個輸入，使當(dāng)這根線為“高”時打開振蕩器94，當(dāng)它為“低”時關(guān)閉(該連接對應(yīng)于圖6中的互連單元96)。因此，當(dāng)信號192具有低占空比時，振蕩器94只在全部時間的一小部分運轉(zhuǎn)，因此保存了電池量。門202以與門190和192相似的方式具有一個限定在“高”的輸入。門200和202分別向輸出線210a和210b以圖8所解釋的方式提供互補脈沖群信號。
通過作為調(diào)整單元100(圖6)的一部分工作的三位開關(guān)212在電容器206a、206b和206c之間選擇，電容器206a具有三個電容器中的最高值，電容器206c最低。因此，這三個電容器分別提供“低”、“中”和“高”調(diào)制設(shè)置。
為了說明的目的，二極管208在圖11中具有與二極管198相反的極性。這種安排產(chǎn)生在線210a具有低占空比，在線210b具有高占空比的互補輸出(圖7所示)。作為另一種選擇，反向二極管208則顛倒這種關(guān)系而輸出保持互補。
例如，電阻器204a、204b和204c值分別為147KΩ、15.4KΩ和2.2MΩ，偏差為±1％。電容器206a、206b和206c優(yōu)選偏差±2％的聚丙烯或聚酯膜類型，值分別為.0068μF，.002μF和.001μF。這些元件產(chǎn)生頻率分別為600Hz，1600Hz和4000Hz的具有高占空比的脈沖群序列。二極管208是一個小的通用硅整流器，優(yōu)選BAV19或具有相近功能的同等裝置。*這里作為示例提供的任何電路元件的最優(yōu)值因裝置類型、廠商、批號等因素而不同，并且對于每一個特定應(yīng)用可通過適當(dāng)數(shù)量的實驗找到。
電壓轉(zhuǎn)換單元98、濾波器102、調(diào)整單元100的關(guān)聯(lián)部分和連接單元104在圖12中一起示出。電壓開關(guān)單元98由兩個上拉電阻器220a和220b，兩個輸入保護電阻器222a和222b，兩個信號耦合電容器224a和224b，兩個旁路二極管226a和226b和兩個CMOS反相器228和230組成。為增加的電流控制容量，每一個反相器228和230可由兩個CMOS邏輯門形成，這兩個CMOS邏輯門具有匹配的開關(guān)特性，其輸入輸出并聯(lián)連接，通常由線184和186而不是由單個門作為正負電源。更優(yōu)選地，兩個反相器均由一個CD4011B四芯導(dǎo)線組件或成對使用的類似裝置中四個2-輸入與非門形成。
上拉電阻器220a和耦合電容器224a一起形成高通濾波器，以最小失真?zhèn)魉蛷木€210a到反相器228的輸入的快速變化的信號，但當(dāng)不存在快速變化的信號時將這些輸入拉動到邏輯“高”。電阻器222a和二極管電阻器226a防止電壓或電流超調(diào)而破壞反相器輸入。電阻器220b和222b，電容器224b和二極管226b為線210b和反相器230提供同等功能。因此，當(dāng)振蕩器94運轉(zhuǎn)時，反相器228和230分別重新產(chǎn)生輔助門202和200的互補輸出，但如果在特定延時時間內(nèi)這些線上沒有轉(zhuǎn)換發(fā)生，那么這兩個輸出均假設(shè)為相等的邏輯“低”電勢。這些輸出中的差動電壓然后變?yōu)榱?，它位于正和負峰值之間的中間并對應(yīng)于圖4中的間隔T7。
濾波器102由電容器240a-240d，電阻器244a和244b，和電容器246組成。與每一個反相器228和230串聯(lián)連接的是一對陽極連在一起的電解電容器240a和240b(或240c和240d)，因此形成一個單個的，有效的非極化電容器，該電容器可以通過快速變化的信號但阻礙任何直流成分，因此產(chǎn)生電荷平衡的輸出。也可使用高保真音響愛好者應(yīng)用的非極化電解電容；然而，這些類型的電容器對于用在本發(fā)明可能具有過多泄漏電流。
與每一個這樣的電容器串聯(lián)放置的是電阻器244a和244b，在那里兩條線由電容器246橋接。電阻器244a和244b和電容器246的功能是濾出離開反相器的信號中不想要的高頻信號成分，同時阻礙可能干擾裝置功能的外部高頻信號的進入。結(jié)果濾波器的角頻率約為50KHz。由于即使任何一個元件失靈，電流仍然可限制到安全水平，因此在電阻器244a和244b之間等分這些電阻也增強安全性。
在給出的脈沖群結(jié)束后，如圖1經(jīng)過間隔36由線38指示，電容器240a-240d放電，時間常數(shù)部分由濾波器102中的元件值和負載106的特性設(shè)置。當(dāng)這條曲線達到零時，電容器240a-240d沒有凈余電荷。
在電阻器220a和222a，電容器224a和二極管226a或由它們的“b”配對物產(chǎn)生的延時末端，反相器228和230的輸出假設(shè)具有相等的電壓，均為邏輯“低”。如果這種轉(zhuǎn)換與通過電壓電平L2的一段電容器放電曲線重合，那么放電曲線在該點截止。因此，零電壓與電容器并聯(lián)連接從而電容器上保持零電荷，直到下一個脈沖群的開始為止輸出電流一直為零。例如，在圖13的波形70中的間隔T4末端顯示了這樣的截止。
當(dāng)需要附加的元件以在每一個脈沖群后找到實際轉(zhuǎn)換時，在典型負載條件下上述裝置90的測試顯示，例如在10毫秒的脈沖群后，轉(zhuǎn)換在三或更多毫秒后發(fā)生。既然曲線在這點不是特別陡，濾波單元102和負載106的元件值，和信號要傳遞的活組織的電特性的較小的變化基本不會對輸出產(chǎn)生影響。因此，可找到電阻器220a和電容器224a(以及220b和224b)的值，從而基本上在所有使用的預(yù)期條件下給出最優(yōu)性能。產(chǎn)生的延時然后變?yōu)門4(圖4中的74d)，而在接下來的無電流“休止”期間變?yōu)門7(74g)。
電阻器220a和222a，電容器224a和二極管226a(以及它們的“b”配時物)通過設(shè)置反相器228和230的輸出均為邏輯“零”而執(zhí)行附加安全性功能，因此在振蕩器失靈的情況下輸出電流為零。該特征防止對組織的電解傷害，因為當(dāng)振蕩器失靈發(fā)生在的電容器222a到222d具有高于額定量的DC泄漏的裝置中時，電解傷害會緩慢發(fā)生。在這個標準基礎(chǔ)上的電阻器220a和220b的值分別都為681KΩ；電阻器222a和220b分別都為150KΩ；電容器224a和224b分別都為0.0068μF。這些電容器優(yōu)選偏差±2％的微型聚丙烯或聚酯膜類型。電容器240a-240d優(yōu)選小的10μF鋁和鉭電解類型且額定電壓為15伏或更高的電容，盡管每一個直接連接對可選地由具有類似值或電壓額定率的單個、非極化電容器替代。優(yōu)選電阻器244a和244b分別都為332Ω。二極管226a和226b是小的通用硅整流器，優(yōu)選BAV19s或類似裝置。
圖13示出了由上面描述的電路分別在脈沖和連續(xù)操作下產(chǎn)生的波形70和80。電壓“下降”(也就是說，向中間電平L4衰減)是由DC阻滯電容器的有限電荷容量導(dǎo)致。
對于某些應(yīng)用，例如受傷治愈的刺激，可以方便地波形70上疊加一個控制數(shù)量的DC，而不是抑止輸出的DC量，或者為選擇來提供這樣做的能力。優(yōu)選地，波形的DC偏差無需消除它的振幅而轉(zhuǎn)換。二極管250提供簡單的整流裝置，通過該裝置可完成這個操作，而開關(guān)252提供切換二極管進入和離開電路的靈活性，以提供電荷平衡或DC偏差操作。當(dāng)不需要靈活性而僅使用DC偏差操作時，圖12中的電路可通過下列方式進行修改去除輸入210a與電阻器224a和電容器246的連接點之間的所有元件；直接將這個連接點連接到正電源線184；和用短路取代電容器240c和240d的結(jié)合。這使得電平L2(76b)、L3(76c)和L4(76d)基本上相等而消除了電壓下降，正如波形82(圖14所示)那樣。
輸送到負載106的輸出電流的大小部分地由開關(guān)260確定，通過選擇三個不同電阻器262a、262b、262c中的任一個與電容器240a和240b和電阻器244a串聯(lián)連接，開關(guān)260作為調(diào)整單元100的一部分。電阻器262a具有三個中的最高值，電阻器262c具有最低值。所選的電阻器與電阻器244a和244b一起使用，這三者的串聯(lián)組合加上反相器228和230的內(nèi)部阻抗起到限制輸送到細胞培養(yǎng)、組織、有機體或106的一部分的輸出電流的作用。因此，這三個電阻器分別提供“低”，“中”和“高”輸出強度設(shè)置。電阻器262a、262b、262c值分別約為24.1KΩ，3.92KΩ，和332Ω。
輸出單元104由二極管270和272，線274a和274b，和導(dǎo)電單元276a和276b組成，通過導(dǎo)電單元276a和276b與要治療的活組織產(chǎn)生物理接觸。二極管導(dǎo)電單元270和272中至少一個是發(fā)光二極管(LED)，例如Fairchild MV8412，而另一個是小型硅整流器，如BAV19。LED可以是圖示的二極管270，或者是二極管272。然而，對于DC偏差(即單相的)操作，LED優(yōu)選為二極管270，272在輸出回路中共用二極管250的極性?？蛇x地，兩個二極管可均是LED。二極管以圖示的反并聯(lián)方式安排(每一個的陽極與另一個的陰極相連)，二極管可通過高頻信號并相應(yīng)于電流發(fā)光。這同時說明電池提供了足夠的操作電壓，從而使用它供電的所有電路單元正常工作，并且使線274a和274b以及導(dǎo)電單元276a和276b正確連接到負載106。
線274a和274b是多股、抗疲勞的線，例如，具有30/37股線的22AWG同等的線，使用堅固但柔軟的不導(dǎo)電材料例如PVC來絕緣。它們的長度可根據(jù)特定應(yīng)用的需要選擇。線274a和274b，或其中的部分可選地能夠從圖示的裝置剩余部分去除，例如，以適當(dāng)?shù)腇DA可接受的插頭和插座方式。每根線可以2mm(0.080″)直徑金屬別針，微型短嘴鱷夾和其它裝置結(jié)束，通過這些裝置可方便地連接到傳導(dǎo)塊276a和276b。
取決于要治療的負載106的預(yù)期的使用和類型，導(dǎo)電單元76a和276b可包括電導(dǎo)鹽溶液或保持適當(dāng)結(jié)構(gòu)的凝膠，例如一次性或可重復(fù)使用的電極墊，鹽橋或其它適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。例如，鹽凝膠電極可以粘附到患病的人或動物皮膚上，從而它們之間形成的電流區(qū)域包含了接受治療的組織。凝膠電極的一個這樣的例子是Uni-Patch“Multi-Day”#633；然而，也可使用其它類型的電極?？蛇x地，單元276a和276b可全部或部分為其它材料，例如銀線或用在相似方式中的鍍銀紡織結(jié)構(gòu)。
可選地，可更簡單地產(chǎn)生圖14中所示的輸出，然而使用圖15所示的電路290具有更高效率和更精確的電流限制。這里，信號210a和210b(來自圖11中的電路)通過電阻器300a和300b分別提供給雙極硅晶體管302和304的基極。每一個晶體管302和304以及相關(guān)聯(lián)的無源元件形成單電流調(diào)節(jié)器。
通過正向偏壓的半導(dǎo)體連接點的電流導(dǎo)致僅受(即，約為對數(shù))電流留過量微弱影響的電壓下降。對于許多應(yīng)用，這個有時稱作“二極管下降”的電壓下降可被假設(shè)為與電流的近似常數(shù)。電壓下降的幅度取決于材料的特性例如，硅通常接近于0.65伏，而磷化鎵(用于制造綠光發(fā)光二極管)約為2.1伏。
因此，當(dāng)電壓210a為低時，通過電阻器300a和二極管306a和306b的電流設(shè)置PNP晶體管302基極的兩個在正電源線184之下的二極管壓降，或約13伏。晶體管302的基極發(fā)射點抵消這之中的一個二極管壓降，當(dāng)?shù)诙O管壓降出現(xiàn)在線184和發(fā)射極之間時，在這種情況下，在基極發(fā)射支路內(nèi)越過電阻器308加一個小的寄生電阻(通常約10Ω)。因此產(chǎn)生的集電極電流約為0.65伏除以電阻器308加10Ω的值，除非被電流支路中的其它元件限制。因此晶體管302對輸出電流設(shè)置最大限制。
類似地，當(dāng)電壓210b為高時，通過電阻器300b和二極管306c和306d的電流在負電源線186之上設(shè)置NPN晶體管304基極的兩個二極管壓降。又一次，基極發(fā)射極抵消一個二極管壓降，當(dāng)另一個出現(xiàn)在發(fā)射極和線186之間時。在這種情況下，開關(guān)310允許選擇多個電阻器312a、312b...中的任何一個?？蛇x地，允許選擇一個或更多電阻器312a、312b...的某種組合，或使用一個連續(xù)變化的電阻替代。產(chǎn)生的集電極電流約為一個二極管壓降除以所選電阻器加10Ω的值，除非被其它元件限制。
通過圖11中所示和前面描述的元件的組合作用，在每一個波序列期間信號線210a通常是高(接近線184)而脈沖低(接近線186)，如簡化波形圖230b所示。因此，晶體管302和304在每一個波序列脈沖期間使它們的基極發(fā)射極正向偏壓，但脈沖之間或波序列之間的間隔時間除外，以允許集電極電流流過。因此僅在每一個波序列的脈沖期間向輸出提供電流。
如前所述，輸出通過線274a和274b，電極276a和276b，發(fā)光二極管270和負載106(可以是活體組織)，所有這些均在晶體管302和304的集電極之間串聯(lián)放置，使離開晶體管302集電極的電流在進入晶體管304的集電極之前通過它們。通過負載106的電流因此約為下列值的最小值(1)0.65伏除以電阻器308加10Ω(晶體管302控制)；或(2)0.65伏除以所選電阻器312a和312b等加10Ω的值(晶體管304控制)；或(3)線184和186之間的電壓減去兩個硅和一個磷化鉭二極管壓降，總共約為3.4伏，然而結(jié)果除以電阻器308、所選電阻器312a和312b等、線274a和274b、電極276a和276b、材料106加20Ω(負載控制)的所有電阻值。在這種情況下，電流可以任意小，當(dāng)具有9伏電源時，出現(xiàn)在負載上的電壓將約為7-8伏。
優(yōu)選地，電阻器312a、312b，...的最小值等于或稍高于電阻器308，其它值以近似對數(shù)級增長。因此，除非負載106具有低導(dǎo)電性，或線274a和274b之間或電極276a和276b之間連接錯誤，晶體管304通?？刂崎_關(guān)310所選擇的實際電流。對于圖示的以對數(shù)級增長的三個電阻器312a、312b和312c，負載106內(nèi)的電流成比例減少，如簡化的波形圖322a、322b和322c分別所示。如果晶體管304失靈，晶體管302接管并保持電流限制在安全水平，盡管不再是用戶可選電平?？蛇x地，開關(guān)310和電阻器312a、312b，...能夠連接到晶體管302上以替換電阻器，或帶有電阻器312a、312b，...的開關(guān)310可以是成對地用于兩個晶體管的雙刀類型。
如上所述，光發(fā)二極管270通過其閃光來監(jiān)控輸出電流和信號，以保證所有連接安全、電池良好并且使電流傳遞到負載106。然而，由于電流僅在輸出終端(出自晶體管302的集電極，通過線274a，材料106，線274b，二極管270并進入到晶體管304的集電極)之間的一個方向流動，因此不需要象圖12中的二極管272那樣的反并聯(lián)二極管。
作為圖15中電路的示例，晶體管302是小信號PNP類型，例如2N2907或MMBT4403LT1，晶體管304是小信號NPN類型例如2N2222或MMBT4401LT1，二極管306a到306d是硅整流器，例如BAV19s，電阻器300a和300b每一個都是10KΩ，電阻器308和312a每一個都是130Ω，電阻器312b是412Ω，電阻器312c是1400Ω。所有電阻器都有1％公差。
當(dāng)選擇電阻器312a時負載106中產(chǎn)生的最大電流約為4.2mA，選擇電阻器312b時約為1.4mA，選擇電阻器312c時約為0.42mA。假設(shè)負載不像上面解釋的進行控制，該電流幾乎不受負載106的電特性支配。具有200微秒打開和30微秒關(guān)閉的優(yōu)選波形定時，以上文所述的15倍每秒重復(fù)10毫秒，其產(chǎn)生的傳遞到負載106的平均時間DC電流當(dāng)開關(guān)310選擇電阻器312a時約為600微安，當(dāng)開關(guān)選擇電阻器312b時約為200微安，或開關(guān)選擇電阻器312c時約為60微安。
對于某些應(yīng)用，例如神經(jīng)再生刺激，不僅在AC波形上疊加DC分量，而且以通常每十到六十分鐘的規(guī)則間隔時間反轉(zhuǎn)這個DC分量的極性的做法是有用的。一個包括其反轉(zhuǎn)的波形在圖16A和16B中顯示。
圖16A顯示的短時間間隔波形330包括前述兩個脈沖序列340a和340b，極性反向342后面是兩個附加脈沖序列340c和340d。電壓電平76a和76b設(shè)置成與零等距離但極性相反，而電壓電平76c和76d均設(shè)置為接近零。為了清楚，反向342顯示為在脈沖序列之間的間隔期間出現(xiàn)，但它也容易發(fā)生在波形中的任何其它點或在不同時間的不同這樣的點。注意到反向時，在脈沖期間的電壓電平和它們之間的間隔期間的電平轉(zhuǎn)變位置，使得平均時間DC分量也在極性上反轉(zhuǎn)，而在幅度上一般保特恒定。
圖16B顯示了更長時期的波形330，包括反向342a、342b和342c，舉例說明脈沖期間的電壓電平和它們之間的間隔期間的電平怎樣重復(fù)轉(zhuǎn)變位置。為了圖示的目的，在反向之間的每個時期僅顯示五個脈沖序列。然而，在實際應(yīng)用中，反向之間脈沖序列的數(shù)目更可能是幾千個和幾萬個。
對于某些應(yīng)用，由于睡眠期間的治療，已發(fā)現(xiàn)在治療周期少于8個小時的條件下最優(yōu)，因此在所選的時間長度后關(guān)閉治療單元可能會有用。圖17顯示了類似于圖16B中的波形332，但也包括自動中斷344，在這之后輸出電壓和電流降至并保持為零。
圖18顯示了了能產(chǎn)生象圖14中所示的波形16A、16B和17的電路348。在圖11中，一個控制振蕩器92產(chǎn)生脈沖群包絡(luò)，然后一個脈沖振蕩器94產(chǎn)生脈沖群本身。
控制振蕩器92的所有元件如前所述，除了邏輯門92提供有第二控制輸入線350以在自動中斷時關(guān)閉控制振蕩器，同時也關(guān)閉脈沖振蕩器，使得電源消耗最小并延長電池壽命。例如，門192可是圖示的或非門，使得線350上的負信號允許正常操作但那里的正信號將其關(guān)閉。可選地，門192可是與非門，由線350上提供的負信號進行關(guān)閉。其它控制方法也是可能的。
類似地，脈沖振蕩器94的所有元件如前所述，除了兩個可能的互補輸出中僅有一個被接受，例如通過信號線210b。該信號不是直接提供給輸出濾波器，而是應(yīng)用到異或(XOR)門352的一個輸出。這樣的門具有下列特性如果一個穩(wěn)定或變化的邏輯電平信號提供給它輸入端中的一個，并且一個穩(wěn)定低電平供應(yīng)給第二個輸入端，邏輯信號如實地重復(fù)出現(xiàn)在它的輸出端。如果第二輸入端保持高電平，提供給第一輸入端的信號在輸出端出現(xiàn)反向。因此如圖16A，16B和17所示的信號極性反向，可以通過將提供給第一輸入端的信號354從邏輯高變?yōu)檫壿嫷偷姆绞絹砗唵蔚貙崿F(xiàn)，反之亦然。
來自門352的第一輸出信號356a然后通過反向器358，產(chǎn)生與第一信號356a互補的第二輸出信號356b，因此在相同時間但在相反方向經(jīng)歷極性反向。
然后第一和第二信號356a和356b在自動中斷后傳送到使輸出為零的元件。對于DC偏差操作，這些僅僅是與門192相同類型由相同的控制信號350輸入的一對邏輯門360a和360b。這樣的門產(chǎn)生輸出362a和362b，它們在信號350的一個狀態(tài)下是互充的，但在另一個狀態(tài)下它們相等并且輸出為零。例如使用如圖所示的或非門，只要信號350保持低電平，輸出362a和362b就互補，但當(dāng)信號350轉(zhuǎn)變到邏輯高時，它們相等并產(chǎn)生零輸出。
信號362a和362b然后與附加的濾波器和輸出元件相連，例如采用圖18所示的方式，其對于DC偏差操作在文本中提供刪除建議。
隨著自動中斷后電荷平衡操作，可以除去門362、358、360a和360b，保留控制線350和門192，如圖18所示，和從脈沖振蕩器獲取信號210a和210b，如圖11所示，并且如圖12所示進行濾波?？刂普袷幤饔尚盘?50簡單中斷，導(dǎo)致反過來通過圖12所示的元件的作用脈沖振蕩器中斷，這足以驅(qū)動并保持輸出為零而沒有任何其它電路修改。
中斷信號350、極性反向信號354或兩個信號均可通過例如多級二元分頻器鏈這樣的傳統(tǒng)數(shù)字分頻器372由控制振蕩器的輸出370得到。
例如，用優(yōu)選的控制振蕩器頻率15Hz除以214以產(chǎn)生信號354時，在約9.1分鐘的間隔處發(fā)生極性反向，而除以215時信號則在約18.2分鐘的間隔處發(fā)生極性反向。這兩種分頻對于許多不需要更精細分頻的電路應(yīng)用已足夠?？蛇x地，傳統(tǒng)分頻電路也可用于本發(fā)明。
類似地，用優(yōu)選的控制振蕩器頻率除以217產(chǎn)生約1小時13分鐘后能起作用的中斷信號350，218時約為2小時26分鐘后，219時約為4小時51分鐘后，220時約為9小時43分鐘后。此外，盡管在需要時可使用不同的分頻電路(包括提供不同間隔時間的電路)，這些間隔時間對于許多應(yīng)用已足夠。從控制振蕩器得到中斷定時的一個優(yōu)勢在于，一旦中斷發(fā)生，控制振蕩器就不能工作，并且沒有進一步的計算發(fā)生。因此，一旦中斷，裝置保持這種方式直到它被手動重啟，而不需要進一步的注意。重啟即可通過關(guān)閉激勵器并且然后再次打開完成，也可(另外，如果需要)通過按“重啟”按鈕發(fā)送適當(dāng)信號374至分頻器鏈372的重啟輸入來完成。
可選地，相同或不同類型的另外一個振蕩器，例如用在數(shù)字手表中的晶體振蕩器可用于產(chǎn)生中斷信號350，極性反向信號354，或兩個信號都產(chǎn)生。
使用上面給出的元件值制造并包括上面描述的所有或任何選擇的部分功能的裝置90，可安裝在小的、重量輕的模制塑料或任何其它合適材料的外殼內(nèi)，優(yōu)選具有小的夾子或其它裝置的外殼，以方便地安裝到繃帶、石膏、手腕或其它帶或一件衣服上。更優(yōu)選地，該外殼不大于容納所描述裝置和電路板或支承它們所需板的必要的容積。合適的外殼需要不大于約5cm×6cm×2cm(約2.0”×2.5”×0.75”)或其上下。如果裝置90的一些或所有描述的功能通過使用表面安裝元件，而不是在上面描述的在某些情況下的通孔元件實現(xiàn)，那么更小的外殼會有用。
裝置90輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)緊湊、配套、制造和使用的性能價格比合算，在延長期中方便攜帶或穿著。它可安全地在無人監(jiān)督的家中使用而不需要特別訓(xùn)練，能產(chǎn)生剛才描述的信號并通過導(dǎo)電板與皮膚直接接觸而有效地傳遞它們。既然僅僅使用低電壓和和電流，裝置90即使在失靈時也不會造成電擊傷害。通過結(jié)構(gòu)緊湊和廉價的電池供電，在幾周的使用中僅需替換一次。
本發(fā)明的裝置用于為生病的人或動物提供電療法治療，包括但不限于加速治療、減輕急性或慢性疼痛以及減輕腫脹和/或炎癥。然而，該裝置不限于用于完整有機體，因為隔離的細胞或組織培養(yǎng)也可受電療法波形影響(已觀察到適當(dāng)?shù)碾姶碳た筛淖兗毎玛惔x、分泌和復(fù)制的速度)。例如，可用選擇的波形在適當(dāng)?shù)拿浇橹袑Ω綦x的皮膚細胞進行處理，以在組織培養(yǎng)和自體皮膚移植材料的制備中增加細胞增生和變異。作為另一個例子，用適當(dāng)波形進行處理后，細菌的增長在遺傳上設(shè)計產(chǎn)生想要的產(chǎn)品，例如人類胰島素，其可能被加速或所需產(chǎn)品的分泌物增加。
關(guān)于本發(fā)明上面的描述，可認識到本發(fā)明各部分的最佳量綱關(guān)系，包括尺寸、材料、形狀、形式、功能和操作模式、裝配和使用的變化，是對于本領(lǐng)域熟練人員是顯而易見的，并且所有那些與附圖所示和在說明書中描述的等價的內(nèi)容也包含在本發(fā)明中。
因此，僅認為前面的描述是本發(fā)明精神的示例。另外，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員既然可進行很多修改和改變，因而本發(fā)明不應(yīng)限制到圖示和描述的確切構(gòu)造和操作，從而適當(dāng)?shù)男薷募捌涞葍r物均落在本發(fā)明范圍內(nèi)。因此，對本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來說，對此處描述的優(yōu)選實施例進行許多改變和替代而不背離由附帶的權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍是很顯然的。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生包括至少四個定時間隔T1-T4的電信號的裝置，所述裝置包括產(chǎn)生一組至少四個定時間隔T1-T4的裝置，所述定時間隔大致具有以下關(guān)系(a)(2×T2)≤T1≤(20×T2)(b)50微秒≤(T1+T2)≤5000微秒(c)T3≥(10×T1)，以及(d)0≤T4≤500毫秒，以及使用所述定時間隔產(chǎn)生具有一個振幅的電信號的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到所述產(chǎn)生裝置上以改變所述間隔T1-T4的至少一個的裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述產(chǎn)生裝置產(chǎn)生許多所述間隔T1和T2的成對值，其進一步包括選擇所述成對值中的一個的裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進一步包括傳輸所述電信號至負載的裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進一步包括反轉(zhuǎn)所述電信號極性的裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電信號是電荷平衡的，使得在治療期間傳遞至負載的總電流約為零。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進一步包括在選定的時間周期后中斷所述電信號的定時裝置。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電信號進一步包括在所述間隔T1和T5期間的一個第一電平L1；以及在所述間隔T2和T4期間的一個第二電平L2；其中L1和L2具有相等的振幅和相反的極性。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述至少四個定時間隔進一步包括至少三個附加的定時間隔T5-T7，所述至少三個附加的定時間隔T5-T7大致具有以下關(guān)系(e)0≤T5≤T1(f)0≤T6≤T1(g)0≤T7≤500毫秒，以及(h)5毫秒≤(T3+T4+T7)≤500毫秒
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述間隔T3進一步包括一個包含間隔T5，接著是至少一對間隔(T1，T2)，再接下來是間隔T6的序列。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述間隔T3、T4、和T7形成重復(fù)間隔T3、T4、T7的連續(xù)序列。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到所述產(chǎn)生裝置上以改變所述間隔T1-T7中至少一個的裝置。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述產(chǎn)生裝置產(chǎn)生所述間隔T4和T7的許多成對值，其進一步包括選擇所述成對值中的一個的裝置。
14.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述電信號的所述振幅進一步包括在所述間隔T1、T5和T6期間的第一電平L1；在所述間隔T2和T4期間的第二電平L2；以及在所述間隔T7期間的第三電平L3，其中L3在L1和L2之間。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中在所述電平L1到L3中任兩個之間的轉(zhuǎn)換具有不大于約所述間隔T2長度一半的衰減時間常數(shù)。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，其進一步包括第四電平L4，所述電平L4在所述電平L1和L2中間，其中在所述電平L1到L3中任一個和所述電平L4之間的轉(zhuǎn)換具有不小于約所述間隔T1長度10倍的衰減時間常數(shù)。
17.如權(quán)利要求14所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到改變所述電平L1到L3中至少一個的所述組合裝置的裝置。
18.如權(quán)利要求14所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到用于在許多所述電平L1到L3的值中進行選擇的所述組合裝置的裝置。
19.一種產(chǎn)生包括至少四個定時間隔T1-T4的電信號的裝置，所述裝置包括產(chǎn)生第一定時間隔T1和第二定時間隔T2的第一定時單元；產(chǎn)生第三定時間隔T3和第四定時間隔T4的第二定時單元；所述間隔T1-T4大致具有以下關(guān)系(a)(2×T2)≤T1≤(20×T2)(b)50微秒≤(T1+T2)≤5000微秒(c)T3≥(10×T1)，以及(d)0≤T4≤500毫秒；以及在所述第一和第二定時單元之間可操作地連接的互連單元，所述互連單元組合所述間隔T1-T4；以及可操作地連接到所述互連單元以使用所述定時間隔來產(chǎn)生具有所述間隔T1-T4的輸出信號的裝置；所述輸出信號具有一個振幅。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到所述發(fā)生裝置的一個濾波器，所述濾波器選擇性地傳輸在所選頻率范圍內(nèi)的信號成分。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到所述第一和第二定時單元、所述互連單元和所述信號發(fā)生裝置的電源裝置。
22.如權(quán)利要求19所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到所述發(fā)生裝置以改變所述振幅的裝置。
23.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述第一和第二定時單元分別進一步包括第一和第二不穩(wěn)定多頻振蕩器。
24.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述互連單元使用所述第一不穩(wěn)定多頻振蕩器的一個輸出控制所述第二不穩(wěn)定多頻振蕩器。
25.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述至少四個定時間隔的組進一步包括至少三個附加的定時間隔T5-T7，其中所述第一定時單元進一步包括產(chǎn)生所述間隔T5和T6的裝置，其中所述第二定時單元進一步包括產(chǎn)生所述間隔T7的裝置，以及其中所述至少四個附加的定時間隔大致具有以下關(guān)系(e)0≤T5≤T1，(f)0≤T6≤T1，(g)0≤T7≤500毫秒，以及(h)5毫秒≤(T3+T4+T7)≤500毫秒。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述間隔T3進一步包括包含間隔T5，接著是至少一對間隔(T1，T2)，再接下來是間隔T6的序列。
27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述互連單元將所述間隔T3分為一個更短間隔的序列，所述序列包括至少一個間隔T5，接著是至少一對間隔(T1，T2)，再接下來是至少一個間隔T6。
28.如權(quán)利要求25所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到改變所述間隔T1-T7中的至少一個的所述發(fā)生裝置的裝置。
29.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述發(fā)生裝置產(chǎn)生許多所述間隔T4和T7的成對值，其進一步包括在所述成對值中選擇一個的裝置。
30.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述輸出信號的所述振幅進一步包括在所述間隔T1、T5和T6期間的第一電平L1；在所述間隔T2和T4期間的第二電平L2；在所述間隔T7期間的第三電平L3，其中L3在L1和L2之間；以及可操作連接到改變所述電平L1至L3中至少一個的所述組合裝置的裝置。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中在所述電平L1到L3中任兩個之間的轉(zhuǎn)換具有不大于約所述間隔T2長度六分之一的衰減時間常數(shù)。
32.如權(quán)利要求30所述的裝置，其進一步包括第四電平L4，所述電平L4在所述電平L1和L2中間，輸出電壓初始設(shè)置為所述電平L1和L2中所選的一個，向所述電平L4衰減，具有不小于約所述間隔T1長度10倍的時間常數(shù)；可操作地連接到改變所述電平L4的所述組合裝置的裝置。
33.如權(quán)利要求30所述的裝置，其進一步包括可操作地連接到對所述電平L1到L3在多個值中進行選擇的所述組合裝置的裝置。
31.如權(quán)利要求19所述的裝置，其進一步包括反轉(zhuǎn)所述電信號極性的裝置。
32.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述電信號是電荷平衡的。
33.如權(quán)利要求19所述的裝置，其進一步包括在選定的時間后中斷所述電信號的定時裝置。
34.一種產(chǎn)生電信號的方法，所述方法包括產(chǎn)生的至少四個定時間隔T1-T4大致具有以下關(guān)系(a)(2×T2)≤T1≤(20×T2)，(b)50微秒≤(T1+T2)≤5000微秒，(c)T3≥(10×T1)，以及(d)0≤T4≤500毫秒；以及使用所述定時間隔產(chǎn)生具有一個振幅的電信號。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，進一步包括在所述間隔T1和T2的多個預(yù)定的成對值中選擇一個。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其進一步包括產(chǎn)生大致具有以下關(guān)系的至少三個附加的定時間隔的步驟(e)0≤T5≤T1，(f)0≤T6≤T1，(g)0≤T7≤500毫秒，以及(h)5毫秒≤(T3+T4+T7)≤500毫秒；以及組合所述附加的定時間隔與所述間隔T1-T4以產(chǎn)生所述電信號。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其進一步包括在所述間隔T4和T7的多個預(yù)定的成對值中選擇一個的步驟。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其進一步包括以下步驟在所述間隔T1、T6和T7期間將所述振幅調(diào)整到第一電平L1；在所述間隔T2和T4期間將所述振幅調(diào)整到第二電平L2；在所述間隔T7期間將所述振幅調(diào)整到第三電平L3，其中L3在L1和L2之間。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其進一步包括對所述電平L1到L3在多個預(yù)定值中進行選擇的步驟。
40.如權(quán)利要求34所述的方法，其進一步包括在選定的時間周期后中斷所述電信號的步驟。
41.如權(quán)利要求34所述的方法，其進一步包括電荷平衡所述電信號，使得治療期間傳遞到負載的總電流量大約為零的步驟。
42.如權(quán)利要求34所述的方法，其進一步包括在所選的時間周期后反轉(zhuǎn)所述電信號極性的步驟。
43.一種通過電信號的應(yīng)用而用于治療組織的方法，所述方法包括將電信號應(yīng)用到組織，所述信號在至少四個定時間隔基礎(chǔ)上大致具有以下關(guān)系(a)(2×T2)≤T1≤(20×T2)，(b)50微秒≤(T1+T2)≤5000微秒，(c)T3≥(10×T1)，以及(d)0≤T4≤500毫秒，所述定時間隔用于產(chǎn)生所述電信號。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其進一步包括在所述間隔T1和T2的多個預(yù)定的成對值中選擇一個。
45.如權(quán)利要求43所述的方法，其進一步包括產(chǎn)生大致具有以下關(guān)系的至少三個附加的定時間隔的步驟(e)0≤T5≤T1，(f)0≤T6≤T1，(g)0≤T7≤500毫秒，以及(h)5毫秒≤(T3+T4+T7)≤500毫秒；以及組合所述附加的定時間隔與所述間隔T1-T4，使所述電信號在所述間隔T1-T4和所述附加的間隔T5-T7基礎(chǔ)上產(chǎn)生。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其進一步包括在所述間隔T4和T7的多個預(yù)定的成對值中選擇一個的步驟。
47.如權(quán)利要求45所述的方法，進一步包括以下步驟在所述間隔T1、T6和T7期間將所述振幅調(diào)整到第一電平L1；在所述間隔T2和T4期間將所述振幅調(diào)整到第二電平L2；在所述間隔T7期間將所述振幅調(diào)整到第三電平L3，其中L3在L1和L2之間。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其進一步包括對所述電平L1到L3在多個預(yù)定值中進行選擇的步驟。
49.如權(quán)利要求43所述的方法，其進一步包括在選定時間周期后中斷所述電信號的步驟。
50.如權(quán)利要求43所述的方法，其進一步包括電荷平衡所述電信號，使得治療期間傳遞到負載的總電流量大約為零的步驟。
51.如權(quán)利要求43所述的方法，其進一步包括在所選的時間周期后反轉(zhuǎn)所述電信號極性的步驟。
全文摘要
一種產(chǎn)生用于生物醫(yī)學(xué)裝置的電信號的裝置和方法，包括產(chǎn)生定時間隔T
文檔編號A61N1/32GK1625421SQ02820853
公開日2005年6月8日 申請日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月21日
發(fā)明者詹姆斯·W.·科龍博格 申請人:康奧尼斯有限公司