專利名稱:預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療機(jī)械裝置，尤其是一種利用機(jī)械應(yīng)力刺激骨骼系統(tǒng)的裝置。
背景技術(shù)：
空間飛行中影響航天員健康最主要的因素之一是失重，在失重環(huán)境下，骨骼和肌肉負(fù)荷減少而導(dǎo)致航天員骨丟失和肌肉萎縮。航天飛行，即使是短期的飛行即可以引起骨丟失，而且所引起的骨密度下降在返回地球后恢復(fù)很慢，進(jìn)而引起骨質(zhì)疏松和骨折等運(yùn)動系統(tǒng)損傷。此外，骨丟失還會提高心血管組織或軟組織鈣化、泌尿系統(tǒng)結(jié)石的危險性。失重環(huán)境中骨丟失主要是由于骨骼在地面時所受的負(fù)載消失，骨骼感受不到在地面上運(yùn)動產(chǎn)生的載荷沖擊，導(dǎo)致骨重建和骨吸收代謝失衡，從而導(dǎo)致了骨質(zhì)減少。人體失重后，作用于腿骨、脊椎骨等承重骨的壓力驟減，同時肌肉運(yùn)動減少，對骨骼的刺激也相應(yīng)減弱，骨骼血液供應(yīng)相應(yīng)減少，在這種情況下，成骨細(xì)胞功能減弱，而破骨細(xì)胞功能增強(qiáng)，承重骨(如下肢的股骨、跟骨和人體脊柱等)的骨礦物質(zhì)含量明顯下降，骨質(zhì)大量脫鈣，引起骨骼密度減少。
目前在空間站用于航天員健康保障的主要手段有太空跑臺、拉力器、腳踏車以及企鵝服等，這些裝置在一定程度上可以預(yù)防肌肉萎縮，但卻不能阻止骨丟失的發(fā)生。骨的形狀及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化取決于其受到的力學(xué)環(huán)境的改變，控制這些變化的主要因素只能是外力作用(生物力學(xué)因素)，而其它的非生物力學(xué)因素則起輔助作用。而且，只有連續(xù)的、變化的力學(xué)載荷才能有效地促進(jìn)骨骼的生長和發(fā)育，長期較大的靜載荷作用反而會對骨產(chǎn)生負(fù)面作用(骨出現(xiàn)吸收)?？臻g失重條件下的研究表明，作用于骨骼肌肉系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力減弱、消失，導(dǎo)致了骨丟失的發(fā)生。
近年來，高頻低振幅的振動作為促進(jìn)骨骼生長的力學(xué)刺激，開始受到國外學(xué)者的關(guān)注。美國紐約州立大學(xué)Rubin等研究表明機(jī)械振動引起的應(yīng)力可以明顯刺激骨骼重建，增強(qiáng)骨礦物質(zhì)含量，并且連續(xù)變化的力學(xué)載荷可以更為有效的促進(jìn)骨骼生長。頻率較高、應(yīng)變量小的刺激信號(通過站立或維持身體姿勢等就可達(dá)到)可以改變骨的形態(tài)，提高骨量和改變骨結(jié)構(gòu)。紐約州立大學(xué)石溪分校發(fā)表在2003年英國《nature》雜志上報告的一項研究證實(shí)了骨骼在受到壓力時會產(chǎn)生新的骨細(xì)胞來進(jìn)行自我強(qiáng)化。航天員因為受環(huán)境條件限制，缺少主動鍛煉的機(jī)會，適當(dāng)?shù)恼駝觿t相當(dāng)于被動鍛煉。美國NASA目前正在研究能否通過振動來解決航天員的骨丟失問題。
但是目前仍然尚無應(yīng)用于空間環(huán)境中對抗骨丟失的防護(hù)器械，現(xiàn)有技術(shù)均是針對地面人群老年性骨質(zhì)疏松或骨折等相關(guān)疾病的預(yù)防和治療。公開號為CN1306869A的中國專利公開了一種非侵入式電磁場治療骨質(zhì)疏松的方法和裝置，該裝置主要是通過電磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生用于治療的電磁場，通過電磁場刺激感受性敏銳的部位，改善全身血?dú)?，調(diào)理生理功能，但其作用有限，治療線圈只適合于設(shè)置在頸部到骨盆的軀干部分，而空間失重性骨丟失主要發(fā)生在承重骨，例如股骨、髖骨等，所以該裝置不能應(yīng)用于空間骨丟失的預(yù)防和治療。
近年來，關(guān)于低強(qiáng)度、高頻率的機(jī)械振動刺激抑制骨丟失的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到骨質(zhì)疏松的治療中，并且可以增加骨量，對骨質(zhì)疏松有一定的療效。專利號為200420002429.6的中國專利運(yùn)用電動機(jī)驅(qū)動的直線往復(fù)“動力加載”原理對人體的骨骼加載一定頻率的定量動負(fù)荷，對人體骨質(zhì)疏松進(jìn)行治療，該裝置雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但對振幅、加速度以及頻率的控制不易做到十分精確，且無法實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)節(jié)振幅的問題，而且在骨組織上施加載荷以促進(jìn)骨骼生長的技術(shù)經(jīng)研究證明作用有限，而且當(dāng)需要獲取一個高峰值應(yīng)變的高沖擊負(fù)載時，容易導(dǎo)致骨折或其它危害。專利號為200380102816.5的中國專利公開了一種通過機(jī)械振動作用來預(yù)防和治療骨折、骨質(zhì)減少及骨質(zhì)疏松等疾病的裝置，所涉及的裝置由驅(qū)動器提供預(yù)定第一頻率的振動，經(jīng)與驅(qū)動器相連的驅(qū)動桿、減震部件形成第二預(yù)定頻率，部分振動再傳遞到支撐振動臺面的分配桿壁，平均分配給振動臺面，由于分配桿壁的存在，所以無論人體站立在臺面的什么位置，臺面可以保持水平而不致于傾斜。該裝置提供了一種比較穩(wěn)定的振動，對人體站立在平臺上的位置不敏感，可以保證振動臺面水平。該專利可以實(shí)現(xiàn)對頻率、振幅等參數(shù)的控制，同時也解決了不停機(jī)調(diào)節(jié)的問題。但是該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計是針對地面人群的骨質(zhì)疏松或組織等相關(guān)疾病人群而研制的，首先，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、重量大，驅(qū)動振動臺需要的功耗也隨之增加，這對于在資源十分寶貴的空間中應(yīng)用難度較大；其次，由于該裝置提供的振動是利用產(chǎn)生的第二頻率，即驅(qū)動器驅(qū)動頻率的諧振頻率、諧振頻率的諧波或分諧波，不易實(shí)現(xiàn)對施加到人體上振動頻率的精確控制。所以，現(xiàn)有技術(shù)涉及的裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計均不能適用于空間特殊環(huán)境下骨丟失的預(yù)防和治療。

發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、不能適用于空間特殊環(huán)境及其地面模擬應(yīng)用等方面的不足，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、適合于預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種利用機(jī)械應(yīng)力刺激骨骼系統(tǒng)，促進(jìn)骨骼生長，預(yù)防和治療空間骨丟失的裝置。該裝置是主要針對空間失重環(huán)境中人群施加振動刺激，包括限位擋塊，導(dǎo)軌，滑動板，肩部固定器，腰部固定器，膝關(guān)節(jié)固定器，振動臺，拉繩，滑輪，力矩電機(jī)，支架。導(dǎo)軌安裝在固定面上，導(dǎo)軌兩端固定有限位擋塊，滑動板安裝在導(dǎo)軌上，前端有用于固定滑動板的緊固旋鈕；滑動板上安裝有肩部固定器、腰部固定器、膝關(guān)節(jié)固定器，可根據(jù)不同使用者的身材進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)空間特殊環(huán)境要求，導(dǎo)軌可以固定在航天器艙壁上，上下限位塊固定于導(dǎo)軌兩端，滑動板通過導(dǎo)軌結(jié)合在艙壁上。振動臺位于導(dǎo)軌延長線方向，通過支架連接在固定面上；拉繩的一端固定在滑動板上，繞過固定在固定面上的滑輪，另一端連接在力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動輪上，力矩電機(jī)通過拉繩拉動滑動板使人對振動臺面產(chǎn)生一定的壓力，保證振動臺產(chǎn)生的振動有效施加到人體上。
所述振動臺兩側(cè)裝有拉帶固定架，用于連接彈性拉帶，彈性拉帶的上端連接人體，如套于人體肩部或手上，使人固定在振動臺上。
本發(fā)明采用輕質(zhì)合金或復(fù)合材料，最大限度的減小了自身重量。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置加裝支撐臺后作為預(yù)防和治療地基模擬空間失重性骨丟失的裝置。將導(dǎo)軌與振動臺固定在支撐臺上，滑動板可在導(dǎo)軌允許的范圍內(nèi)沿支撐臺的長度方向上自由滑動。力矩電機(jī)和滑輪固定在支撐臺上。拉繩的一端與滑動板相連，繞過滑輪，另一端連接在力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動輪上。振動臺位于滑動板后方，保持臺面振動的方向為水平方向，即與滑動板滑動的方向一致。
所述的振動臺是本發(fā)明的核心部件，包括臺面、導(dǎo)向桿、導(dǎo)套、彈簧、殼體、驅(qū)動裝置、信號發(fā)生器、功率放大器、壓力傳感器、加速度傳感器、顯示裝置、調(diào)節(jié)裝置。臺面四角分別安裝有一組彈簧連接殼體。驅(qū)動裝置采用音圈電機(jī)或者小型電磁驅(qū)動器，其上端連接于臺面，下端與殼體固連。通過信號發(fā)生器、功率放大器驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)需要的振動波形。導(dǎo)向桿固定在臺面上，導(dǎo)套固定在殼體上，導(dǎo)向桿同軸插入到導(dǎo)套中。振動臺的臺面上固定有壓力傳感器、加速度傳感器，信號通過引線引出至信號處理裝置，處理后的信號輸出給顯示裝置，調(diào)節(jié)裝置與信號發(fā)生器和功率放大器連接，控制振動信號的調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的工作原理把人體固定在滑動板上，使其無法相對滑動板的滑動方向移動。移動滑動板使人體足部緊貼于振動臺面上，通過力矩電機(jī)拉動滑動板使人在振動臺面上產(chǎn)生一定的壓力，使振動臺產(chǎn)生的振動有效施加到人體上。信號發(fā)生器提供振動所需波形的信號，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動振動臺振動。振動臺面輸出的振動參數(shù)由壓力傳感器和加速度傳感器測量得到，經(jīng)過信號處理裝置的處理如A/D轉(zhuǎn)換等，在顯示裝置上顯示測量結(jié)果。如果測量結(jié)果與輸入?yún)?shù)有所差別，經(jīng)過調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)使臺面輸出的振動達(dá)到預(yù)期要求。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明載荷為10-100kg，頻率0~100Hz、振幅0~5mm，可提供最大加速度為1g的正弦、脈沖或各種復(fù)合波形的振動，可以使人體骨骼產(chǎn)生50~2000με的應(yīng)變，使骨骼處于骨再建和骨塑形階段，從而促進(jìn)骨再建過程，平衡骨骼代謝。
本發(fā)明在一定程度上彌補(bǔ)由于骨骼受到的力學(xué)刺激減少所帶來的副作用，從而迫使骨骼對此應(yīng)力產(chǎn)生相應(yīng)的變化，使得骨骼維持正常的情況，避免在返回地球或進(jìn)入其它重力場時，由于骨量下降所導(dǎo)致骨骼抗載荷能力下降而引起機(jī)體無法適應(yīng)正常的重力環(huán)境。實(shí)驗證實(shí)該裝置可有效預(yù)防和治療地面大鼠廢用性骨丟失，且該裝置安全可靠，未發(fā)現(xiàn)其他臟器損害。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明所述的預(yù)防和治療空間骨丟失的裝置示意圖圖中，1-限位擋塊，2-導(dǎo)軌，3-緊固旋鈕，4-滑動板，5-肩部固定器，6-腰部固定器，7-膝關(guān)節(jié)固定器，8-彈性拉帶，9-振動臺，10-拉繩，11-滑輪，12-力矩電機(jī)，13-支架，14-拉帶固定架；圖2是本發(fā)明所述的預(yù)防和治療地基模擬空間骨丟失的裝置示意圖圖中，15-支撐臺；圖3是本發(fā)明所述振動臺的結(jié)構(gòu)示意圖圖中，16-臺面，17-導(dǎo)向桿，18-導(dǎo)套，19-懸掛彈簧，20-殼體，21-驅(qū)動裝置，22-壓力傳感器，23-加速度傳感器圖4是本發(fā)明所述振動臺的工作原理示意圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例一、預(yù)防和治療空間骨丟失的裝置參照圖1，本發(fā)明裝置包括限位擋塊1、導(dǎo)軌2、緊固旋鈕3、滑動板4、肩部固定器5、腰部固定器6、膝關(guān)節(jié)固定器7、彈性拉帶8、振動臺9、拉繩10、滑輪11、力矩電機(jī)12、支架13和拉帶固定架14，導(dǎo)軌2、緊固旋鈕3、滑動板4、振動臺9、滑輪11、力矩電機(jī)12、支架13和拉帶固定架14均采用鋁鎂合金制成，限位擋塊1、肩部固定器5、腰部固定器6、膝關(guān)節(jié)固定器7采用碳/碳復(fù)合材料。導(dǎo)軌2兩端固定有限位擋板1，滑動板4前端有用于制動或固定滑動板的緊固旋鈕3。肩部固定器5插入滑動板4的固定槽中固定。腰部固定器6及膝關(guān)節(jié)固定器7用螺釘固定在滑動板4上，根據(jù)不同的人調(diào)節(jié)松緊程度。膝關(guān)節(jié)固定器7為高分子材料，可根據(jù)不同的人體在膝關(guān)節(jié)固定器7靠近膝關(guān)節(jié)的一面加裝海綿墊。為了適應(yīng)空間特殊環(huán)境要求，導(dǎo)軌2固定在航天器艙壁上，限位擋塊1分別固定于導(dǎo)軌2兩端，滑動板4通過導(dǎo)軌2安裝在艙壁上。振動臺9位于滑動板4下方，通過支架13固定在航天器艙壁上；拉繩10的一端固定在滑動板4上，繞過固定在艙壁上的滑輪11，另一端連接在力矩電機(jī)12的轉(zhuǎn)動輪上，力矩電機(jī)12通過拉繩10拉動滑動板4使人對振動臺9產(chǎn)生一定的壓力，保證振動臺9產(chǎn)生的振動有效施加到人體上。振動臺9兩側(cè)裝有拉帶固定架14，用于連接彈性拉帶8，彈性拉帶8的上端套于人體肩部或手上，通過彈性拉8帶產(chǎn)生的拉力使人體在固定在振動臺9上。
參照圖3，所述的振動臺9是本發(fā)明的核心部件，包括臺面16，導(dǎo)向桿17，導(dǎo)套18，懸掛彈簧19，殼體20，驅(qū)動裝置21，壓力傳感器22，加速度傳感器23、信號發(fā)生器、功率放大器、顯示裝置、調(diào)節(jié)裝置。采用凸形臺面16和凹形殼體20，殼體20凹形上邊沿向內(nèi)翻轉(zhuǎn)，殼體凹口與臺面凸臺相吻合。八個懸掛彈簧19分為四組，每兩個在臺面16上下兩面對接為一組，四組彈簧對稱分布在殼體20內(nèi)四角，臺面16固定于兩層懸掛彈簧19中間。驅(qū)動裝置21采用音圈電機(jī)或者小型電磁驅(qū)動器，其上端連接于臺面16，下端固定于殼體20底部。通過信號發(fā)生器，功率放大器驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)需要波形的振動。導(dǎo)向桿17固定在臺面16上，導(dǎo)套18固定在殼體20上，導(dǎo)向桿17同軸插入到導(dǎo)套18中。振動臺9的臺面16上固定有壓力傳感器22、加速度傳感器23，信號通過引線引出至信號處理、顯示裝置。
人體接受振動刺激時，根據(jù)肩部寬度調(diào)整肩部固定器5的位置，使其位于兩肩上部，當(dāng)人體下肢受到振動刺激時，可以限制人體向上移動。根據(jù)人體調(diào)整腰部固定器6的位置。調(diào)整膝關(guān)節(jié)固定器7的位置，使膝蓋位于其上預(yù)留的孔內(nèi)。適當(dāng)增減海綿墊的厚度，保證膝關(guān)節(jié)時刻處于直立狀態(tài)。由于振動在人體內(nèi)的傳遞與人體肌肉的緊張程度、人體和臺面的耦合程度等密切相關(guān)，所以需要增加或減小人體在振動臺臺面16上施加的壓力，達(dá)到不同的振動效果。前后調(diào)整滑動板4的位置直至足底接觸振動臺臺面16，此時逐步增加力矩電機(jī)12的輸出力矩，通過拉繩10、滑輪11，使滑動板4向振動臺臺面16靠近，增加人體對臺面16產(chǎn)生的壓力。壓力和加速的參數(shù)可以通過固定在臺面16上的壓力傳感器22和加速度傳感器23測得，信號經(jīng)過信號處理裝置，在顯示裝置上讀出壓力、加速度數(shù)值。參數(shù)達(dá)到需要的數(shù)值時，轉(zhuǎn)動緊固旋鈕3固定滑動板4，即可接受振動刺激。也可以只利用力矩電機(jī)12提供持續(xù)的拉力。
實(shí)施例二、用于預(yù)防和治療地基模擬空間失重性骨丟失的的裝置參照圖2本發(fā)明裝置核心部件與預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置一樣，不同之處在用于地基模擬的裝置包括支撐臺15，滑動板4可在導(dǎo)軌允許的范圍內(nèi)沿支撐臺15的長度方向上自由滑動，支撐臺15和滑動板4之間通過導(dǎo)軌2結(jié)合。力矩電機(jī)12位于滑動板4后方，通過支架13固定在支撐臺15上，保持臺面16振動的方向為水平方向，即與滑動板滑動的方向一致。人體接受振動刺激時，平躺于滑動板4上，具體連接方式及方法同實(shí)施例一。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置，包括限位擋塊、導(dǎo)軌、滑動板、肩部固定器、腰部固定器、膝關(guān)節(jié)固定器、振動臺、拉繩、滑輪、力矩電機(jī)和支架，其特征在于導(dǎo)軌安裝在固定面上，導(dǎo)軌兩端固定有限位擋塊，滑動板安裝在導(dǎo)軌上，前端有用于固定滑動板的緊固旋鈕；滑動板上安裝有肩部固定器、腰部固定器、膝關(guān)節(jié)固定器；振動臺位于導(dǎo)軌延長線方向，通過支架連接在固定面上；拉繩的一端固定在滑動板上，繞過固定在固定面上的滑輪，另一端連接在力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動輪上。
2.根據(jù)利用權(quán)利要求
1所述的預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置，其特征在于所述的限位擋塊、導(dǎo)軌、滑動板、肩部固定器、腰部固定器、膝關(guān)節(jié)固定器、振動臺、滑輪、力矩電機(jī)和支架采用輕質(zhì)合金或復(fù)合材料
3.根據(jù)利用權(quán)利要求
1所述的預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置，其特征在于所述振動臺兩側(cè)裝有拉帶固定架連接彈性拉帶，彈性拉帶的上端連接人體。
4.根據(jù)利用權(quán)利要求
1所述的預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置，其特征在于所述的振動臺包括臺面、導(dǎo)向桿、導(dǎo)套、彈簧、殼體、驅(qū)動裝置、信號發(fā)生器、功率放大器、壓力傳感器、加速度傳感器、顯示裝置、調(diào)節(jié)裝置；臺面四角分別安裝有一組彈簧連接殼體；驅(qū)動裝置采用音圈電機(jī)或者小型電磁驅(qū)動器，其上端連接于臺面，下端與殼體固連；信號發(fā)生器、功率放大器連接驅(qū)動裝置；導(dǎo)向桿固定在臺面上，導(dǎo)套固定在殼體上，導(dǎo)向桿同軸插入到導(dǎo)套中；振動臺的臺面上固定有壓力傳感器、加速度傳感器，信號通過引線引出至信號處理裝置，信號處理裝置輸出給顯示裝置，調(diào)節(jié)裝置與信號發(fā)生器和功率放大器連接。
5.根據(jù)利用權(quán)利要求
1所述的預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置，其特征在于所述導(dǎo)軌與振動臺固定在支撐臺上，滑動板可在導(dǎo)軌允許的范圍內(nèi)沿支撐臺的長度方向上自由滑動；力矩電機(jī)和滑輪固定在支撐臺上；拉繩的一端與滑動板相連，繞過滑輪，另一端連接在力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動輪上；振動臺位于滑動板后方。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種預(yù)防和治療空間失重性骨丟失的裝置，在導(dǎo)軌兩端固定限位擋塊，滑動板安裝在導(dǎo)軌上，前端有緊固旋鈕；滑動板上安裝有肩部固定器、腰部固定器、膝關(guān)節(jié)固定器；振動臺位于導(dǎo)軌延長線方向，通過支架連接在固定面上；拉繩的一端固定在滑動板上，繞過固定在固定面上的滑輪，另一端連接在力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動輪上，力矩電機(jī)通過拉繩拉動滑動板使人對振動臺面產(chǎn)生一定的壓力，保證振動臺產(chǎn)生的振動有效施加到人體上。本發(fā)明能彌補(bǔ)由于骨骼受到的力學(xué)刺激減少所帶來的副作用，安全可靠。
文檔編號A61H23/02GK1994253SQ200610105222
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月21日
發(fā)明者商澎, 騫愛榮, 賈斌, 楊鵬飛, 王哲, 丁沖, 范明月 申請人:西北工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan