一种基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨质疏松治疗床

摘要

本发明公开了一种基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨质疏松治疗床，包括头仓、可升降防紫外线眼部遮光板、四肢与腰部固定绑带、位于床体上方的电磁场发生线圈、紫外线发生器、控制平台、内置紫外线传感器和电磁感应线圈的探头、位于床体下方的电磁场发生线圈、床体角度调节器、可移动调节的固定脚踏板、压力传感器和直线电机。控制平台以闭环控制模式，通过反馈控制模块，对紫外线发生器、电磁场发生线圈、直线电机进行控制。使用该治疗床三种物理因子的协同作用能够显著抑制骨质疏松患者骨丢失并降低骨吸收速率；并能够促进骨折患者的骨折愈合和加快骨损伤修复。

说明书

技术领域

本发明属于骨损伤和骨质疏松症治疗技术领域，涉及一种基于多物理因 子协同作用的骨损伤/骨质疏松治疗床。

背景技术

骨损伤和骨质疏松症是最为常见的临床疾病，其临床发病率高，对于病 患的身体和心理均造成极大的负担。骨质疏松症临床表现为骨量减少、骨脆 性增加和和骨组织的微细结构破坏，常致骨折的发生及肢体功能永久性丧失。 据统计，全球有2亿多的骨质疏松患者，而在我国患者人数就高达9000万之 多，我国每年用于骨质疏松的医疗经济花费也高达1080亿人民币之多，骨 质疏松性骨折的高致残率和致死率也是临床的重大难题之一。随着我国人口 老龄化的速度加剧，骨质疏松这一吞噬老年人健康的“寂静杀手”，给我国所 带来的经济和社会负担也在逐年加重。同时，随着我国载人航天事业的飞速 发展，航天员太空飞行中所出现的严重骨丢失现象也得到了航空航天工作者 们的广泛关注。其次，在临床上，骨折、骨缺损、骨不连等疾病也是临床骨 外科上最常见的骨疾病，如何快速的修复骨损伤疾病并降低其所致的高致死 率和致残率是临床上面临的重大挑战之一。按一个人一生平均骨折1-2次计 算，我国每年发生骨折的病例之高可想而知。

传统的促进骨生长的临床治疗药物药物方法主要有两类：(1)抑制骨吸 收的药物：二磷酸盐、雌激素、降钙素等；(2)促进骨形成的药物：生长激 素、胰岛素样生长因子、甲状旁腺素等。但是，这些药物存在着显著而广泛 的临床应用局限性，主要包括价格高昂且药物副作用明显，使骨质疏松及促 进骨损伤愈合的临床预防与治疗仍是一个棘手的医学难题。因此，探索更多 有效且安全的非药物治疗的方法具有十分重要的医学和社会价值，并且可以 惠及到广大经济欠发达地区的患者。

脉冲电磁场（pulsed electromagnetic fields,PEMF）作为一种经济、无创、 副作用小的物理治疗方法，其安全性也得到了美国FDA的批准认证，并在 20世纪70年代已经开始应用于临床。美国科学家Bassett于1974年首次发 现，当每天给予临床骨折后的骨不连患者PEMF刺激后，其骨折愈合速率显 著提升，因此他预言PEMF具有广阔的治疗骨骼疾病的临床应用前景，引起 了医学界对这一疗法的关注。

骨骼的质量除了受到电磁场的调控外，骨代谢及骨的健康状态同样受到 外界应力载荷刺激的影响。骨骼是机体的应力承载系统，骨骼处于复杂的力 学环境中，19世纪著名的Wolff定律就揭示了骨组织能够通过改变自身的结 构以适应外界的应力刺激的变化，而骨质疏松发生的主要原因之一就是骨骼 上的应力负荷不足或骨骼自身应力响应能力的衰退，造成骨钙的丢失，从而 诱发骨质疏松。有研究表明：宇航员在太空中飞行其骨量会以约2%/月的速 度丢失，50岁以上的中老年人卧床3～4个月后可丧失全身骨量的20%。而 对大鼠施加4周的尾吊后肢去负荷作用，可以使大鼠胫骨和股骨的骨量丢失 超过20%。机体长时间缺乏应力载荷刺激可以导致骨量的显著丢失，而大量 的研究证实选择适当的载荷强度、频率和加载时间可以显著的提高骨量和骨 强度。美国Stony Brook University的Rubin教授课题组于上世纪末首次发现 外源性的施加低强度、高频的全身振动波（whole-body vibration,WBV）刺激 能够显著的抑制火鸡骨质疏松的发生与发展。随后科学家们发现，低强度 （<50με）、高频（20-100Hz）的振动刺激具有显著的促进骨生成速率、加 速骨矿合成以及抑制骨吸收的效果。同时，一些动物实验研究亦证实，这种 振动的作用方式能够促进动物长骨骨折的愈合，揭示了其应用于临床骨质疏 松和骨损伤治疗的广阔前景。但是，单独的力学载荷作用难以完全恢复和逆 转骨丢失的发生和进展，因此在临床上通常与化学药物组合使用来治疗骨质 疏松和加速骨折愈合。

对于大多数骨质疏松和骨折愈合期的病人，临床医生会鼓励其进行更多 的太阳光暴露，从而可以实现提高骨量及降低骨折风险的目的。这一现象的 科学依据在于：太阳光中的中波紫外线（ultraviolet B,UVB）及长波紫外线 可使人体皮肤产生活性维生素D。具有活性的维生素D是骨骼代谢中必不可 少的物质，可以促进钙在肠道中吸收，从而使摄入的钙更有效地吸收，有利 于骨钙的沉积。反之维生素D缺乏可导致骨量的丢失。国内外学者通过动物 及临床实验研究证实，外源性的施加低强度的中波紫外线的暴露可以显著的 提高骨质疏松动物/患者的骨密度，一定程度上抑制骨质疏松的发生与发展并 促进骨折的愈合，提示中波紫外线能够作为一种辅助的临床加速骨生成的治 疗手段。但是，其仍无法对骨质疏松的发生和发展起到完全逆转的效果。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨 质疏松治疗床，该治疗床通过PEMF、WBV和UVB来协同作用，可以使得 患者在更为舒适的状态下实现骨质疏松或骨损伤的治疗。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨质疏松治疗床，包括两端分别 设有头仓和脚踏板的床体，床体配置有水平位置调整装置和床体倾斜角度调 节器，脚踏板与直线电机接触，通过直线电机的带动产生振动刺激；所述的 床体上方设有紫外线发生器，紫外线发生器包括紫外发生光源和灯罩；所述 的床体的上下两侧还分别设有第一电磁场发生线圈和第二电磁场发生线圈， 两个电磁场发生线圈在垂直方向保持同轴；

压力传感器采集脚踏板所施加的应力加载强度，内置紫外线传感器和电 磁感应线圈的探头分别测量治疗区域的紫外线强度和电磁场强度，压力传感 器和探头分别将所采集的应力信号、紫外线信号、电磁信号经信号调节器滤 波、放大后，传送至数据采集卡，再传送至控制平台，控制平台对所接收的 信息实时显示，控制平台还通过反馈控制模块向直线电机、紫外线发生器和 电磁场发生线圈发出反馈控制信号。

所述的头仓与脚踏板之间的距离可调，以头部与头仓的侧壁接触，脚部 与脚踏板紧密接触进行调节；

直线电机带动脚踏板产生振动强度为1～1000g线性可调、频率为1～ 100Hz线性可调的轴向振动波。

所述的床体还配置有多个固定绑带，分别用于固定四肢和腰部，通过固 定绑带固定后避免脚踏板振动过程中身体偏离轴向位置。

所述的水平位置调整装置调整床体的水平位置，以治疗区域与紫外发生 器、电磁场发生线圈的位置相匹配进行调节；

所述的床体倾斜角度调节器可在270°方向对床体进行调节，当脚踏板 产生振动时，头仓一侧向上调高5～10°，脚踏板受到重力施加的预加载力。

通过调节水平位置调整装置、床体倾斜角度调节器将治疗区域暴露于紫 外发生器、电磁场发生线圈的正下方，并以垂直方向上的升降移动调节暴露 的区域面积以及作用强度。

所述的床体还配置有可升降的遮光板，遮光板位于头仓的上方，以遮光 板罩住眼部进行调整遮光板的垂直位置的调整，确保紫外线暴露的过程中眼 部不受到伤害。

所述的紫外线发生器输出中长波段的紫外线，波长在300～400nm线性 可调，强度在1～10000μW/cm²线性可调。

所述的电磁场发生线圈生成单脉冲电磁场或脉冲群脉冲电磁场，所输出 的脉冲电磁场信号强度在1～20Gs线性可调，频率在1～50Hz可调，占空 比可调。

所述的控制平台以闭环控制模式，通过反馈控制模块，对紫外线发生器、 电磁场发生线圈、直线电机进行控制。

所述的控制平台控制紫外线发生器、电磁场发生线圈、直线电机协同工 作：

控制直线电机带动脚踏板产生振动强度为1～1000g线性可调、频率为 1～100Hz线性可调的轴向振动波；

控制紫外线发生器输出波长在300～400nm线性可调，强度在1～10000 μW/cm²线性可调的紫外线；

控制电磁场发生线圈输出的信号强度在1～20Gs线性可调，频率在1～ 50Hz可调，占空比可调的脉冲电磁场。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨质疏松治疗床，是一 种基于PEMF、WBV和UVB协同作用的骨损伤或骨质疏松治疗床，通过传 感器和探头进行信号采集、通过控制平台对三者进行反馈控制，使三者在指 定的强度、频率下进行协同作用，实现了低强度PEMF、低强度高频WBV 以及低强度UVB协同或组合作用的方式，可用于即治疗临床骨质疏松和骨 损伤，可以保证患者在更为舒适的状态下实现骨质疏松或骨损伤的治疗。

本发明提供的基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨质疏松治疗床，采用 三种物理治疗因子进行协同作用，一方面避免了化学药物的服用所产生的副 作用，另一方面实现了更为舒适的状态进行治疗，而且还能够抑制骨质疏松 的发生。中波紫外线治疗能够显著促进雌激素缺乏诱发的骨质疏松患者的机 体维生素D的分泌，并且能够抑制骨质疏松患者的骨吸收速率。高频低强振 动波能够显著的抑制雌激素缺乏诱发的骨质疏松患者的骨吸收速率，从而抑 制骨丢失。三种物理因子协同治疗组治疗显著抑制了绝经所致的高骨代谢， 表现为血清骨钙素和血清抗酒石酸磷酸酶5b的含量均显著低于治疗前； PEMF、WBV和UVB的协同作用能够显著抑制绝经妇女的骨质疏松症的发 展。

本发明提供的基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨质疏松治疗床，三种 物理因子的协同作用能够显著抑制骨质疏松患者骨丢失并降低骨吸收速率； 并能够促进骨折患者的骨折愈合和加快骨损伤修复，其设计构思独特、简单 实用、操作方便、使用安全。该发明设计的适应症有：1）各因素诱发的骨质 疏松，如妇女绝经、废用、糖尿病、过度饮酒等；2）骨折、骨折延迟愈合、 骨不连及骨萎缩；3）辅助临床常用的生物骨修复材料治疗骨缺损；4）应 力性骨折。

该发明设计的适应治疗人群有：1）绝经妇女；2）由于疾病长期卧床的 老年人；3）缺乏运动及阳光暴露的中年人；4）长期暴露于微重力环境的人 群（如宇航员）；5）糖尿病及过度饮酒所引起的骨质疏松人群；6）骨折、骨 不连、骨延迟愈合、骨萎缩及骨缺损的病人；7）应力性骨折人群（如部队战 士、运动员等）。

附图说明

图1-1～1-2为本发明的结构示意图，图中：1、头仓；2、遮光板；3、 固定绑带；4、第一电磁场发生线圈；5、紫外线发生器；6、控制平台；7、 探头；8、第二电磁场发生线圈；9、床体角度调节器；10、脚踏板；11、压 力传感器；12、直线电机；

图2为本发明的信号采集、控制和显示系统的示意图；

图3为控制平台对于治疗患者输出强度为8mN、频率为20Hz的轴向振 动波刺激（A）并输出强度为10Gs、频率为15Hz、低频部分的占空比为5ms： 60ms，高频部分为0.2ms：0.02ms的固定占空比的脉冲群电磁场波形（B）。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

参见图1-1、图1-2，一种基于多物理因子协同作用的骨损伤/骨质疏松治 疗床，其特征在于，包括两端分别设有头仓1和脚踏板10的床体，床体配置 有水平位置调整装置和床体倾斜角度调节器9，脚踏板10与直线电机12接 触，通过直线电机12的带动产生振动刺激；所述的床体上方设有紫外线发生 器5，紫外线发生器5包括紫外发生光源和灯罩；所述的床体的上下两侧还 分别设有第一电磁场发生线圈4和第二电磁场发生线圈8，两个电磁场发生 线圈在垂直方向保持同轴；

压力传感器11采集脚踏板10所施加的应力加载强度，内置紫外线传感 器和电磁感应线圈的探头7分别测量治疗区域的紫外线强度和电磁场强度， 压力传感器11和探头7分别将所采集的应力信号、紫外线信号、电磁信号经 信号调节器滤波、放大后，传送至数据采集卡，再传送至控制平台6，控制 平台6对所接收的信息实时显示，控制平台6还通过反馈控制模块向直线电 机12、紫外线发生器5和电磁场发生线圈发出反馈控制信号。

进一步的，所述的头仓1与脚踏板10之间的距离可调，以头部与头仓1 的侧壁接触，脚部与脚踏板10紧密接触进行调节；

患者在治疗过程中头部与头仓侧壁接触，脚部与振动的固定脚踏板紧密 接触，头仓和固定脚踏板的间隔距离可以根据患者的身高的不同而调节。

直线电机12带动脚踏板10产生振动强度为1～1000g线性可调、频率 为1～100Hz线性可调的轴向振动波。

所述的床体还配置有多个固定绑带3，分别用于固定四肢和腰部，通过 固定绑带3固定后避免脚踏板10振动过程中身体偏离轴向位置，这样四肢与 腰部固定绑带可以保证患者在进行振动波的治疗过程中身体偏离轴向位置。

所述的水平位置调整装置调整床体的水平位置，以治疗区域与紫外发生 器5、电磁场发生线圈的位置相匹配进行调节；

所述的床体倾斜角度调节器9可在270°方向对床体进行调节，当脚踏 板10产生振动时，头仓1一侧向上调高5～10°，脚踏板10受到重力施加 的预加载力，从而使振动固定脚踏板受到患者身体重力施加的预加载作用；

通过调节水平位置调整装置、床体倾斜角度调节器9将治疗区域暴露于 紫外发生器5、电磁场发生线圈的正下方，并以垂直方向上的升降移动调节 暴露的区域面积以及作用强度。这样可以通过其调节床体水平位置将患者特 定部位暴露于紫外或电磁场发生器的正下方，并可以垂直方向上的升降移动 可以调节暴露的区域面积以及作用强度

所述的床体还配置有可升降的遮光板2，遮光板2位于头仓1的上方， 以遮光板2罩住眼部进行调整遮光板2的垂直位置的调整，确保紫外线暴露 的过程中眼部不受到伤害。遮光板位于患者头部的正上方，通过调整遮光板 的垂直位置确保遮光板能够罩住患者的眼部，从而确保患者在进行紫外线暴 露的过程中眼部不受到伤害。

所述的紫外线发生器5输出中长波段的紫外线，波长在300～400nm线 性可调，强度在1～10000μW/cm²线性可调。

所述的第一电磁场发生线圈位于床体上方，第二电磁场发生线圈嵌于床 体下方，上下线圈中心在垂直方向保持同轴，可分别生成单脉冲以及脉冲群 的脉冲电磁场。所述的电磁场发生线圈生成单脉冲电磁场或脉冲群脉冲电磁 场，所输出的脉冲电磁场信号强度在1～20Gs线性可调，频率在1～50Hz 可调，占空比可调。

所述的控制平台6以闭环控制模式，通过反馈控制模块，对紫外线发生 器5、电磁场发生线圈、直线电机12进行控制。

所述的控制平台6控制紫外线发生器5、电磁场发生线圈、直线电机12 协同工作：

控制直线电机12带动脚踏板10产生振动强度为1～1000g线性可调、 频率为1～100Hz线性可调的轴向振动波；

控制紫外线发生器5输出波长在300～400nm线性可调，强度在1～ 10000μW/cm²线性可调的紫外线；

控制电磁场发生线圈输出的信号强度在1～20Gs线性可调，频率在1～ 50Hz可调，占空比可调的脉冲电磁场。

所提供的一种基于多物理因子协同作用的骨损伤和骨质疏松治疗床，在 提供治疗服务时：

首先，患者平卧于治疗床上，患者头部与床头的头仓1侧壁接触，患者 的脚部底板与脚踏板保持紧密接触，用于产生振动的脚踏板与一个直线电机 12接触，通过电机的带动产生高频率、低强度的振动刺激。治疗床的两侧有 用于固定患者四肢及腰部的绑带，防止在施加振动的过程中患者的身体偏离 轴向位置。在施加振动刺激前，通过床体角度调节器适当将治疗床靠近患者 头部一侧向上调高5-10°，从而使振动固定脚踏板受到患者身体重力施加的 预加载作用。振动强度为0-1000g线性可调，频率为1-100Hz线性可调。

第二，紫外线发生器5位于治疗床的上方，由紫外发生光源和灯罩组成， 输出紫外线为中长波段的紫外线，波长为300-400nm线性可调，强度为 1-10000μW/cm²线性可调。通过调节床体角度调节器将患者的特定紫外照射 部位位于照射发生器的正下方。同时，通过调节床体角度调节器9可以将治 疗床的床面在垂直的方向上自由的进行往返的升降移动0-50cm连续可调， 从而可以根据治疗方案的需要调节紫外光暴露的区域面积以及光强度。治疗 床床面有一位置可以在垂直的方向上自由移动的遮光板2，遮光板位于患者 头部的正上方，通过调整遮光板的垂直位置确保遮光板能够罩住患者的眼部， 从而确保患者在进行紫外线暴露的过程中眼部不受到伤害。

第三，磁场发生线圈中的一个线圈置于治疗床的上方，另一个线圈嵌于 治疗床下方，上下线圈中心保持在一个平面上。治疗床可以沿水平方向移动， 而上下线圈保持不动，通过调节床体角度调节器可以保证根据患者的治疗部 位的不同而改变脉冲电磁场的暴露部位。可分别生成单脉冲以及脉冲群的脉 冲电磁场。所输出的脉冲电磁场信号强度为0-20Gs线性可调，频率为1-50Hz 可调，占空比可调。

参见图2，内置紫外线传感器和电磁感应线圈的探头，通过使用该探头 可以测量和采集患者受暴露部位的紫外线强度和电磁场强度；其次，受治疗 患者所受的应力加载强度能够通过位于线性电机和振动固定脚踏板之间的压 力传感器进行采集。将采集到的三路信号紫外线信号、电磁信号及应力信号 经过信号调节器滤波、放大后，传送至数据采集卡，随后传送至信号的显示、 控制平台进行所发生信号的实时显示。通过信号的显示、控制平台可以对反 馈控制模块进行控制，通过反馈控制模块能够反馈到紫外线发生器、电磁场 发生线圈、直线电机，从而保证系统精确的工作在闭环控制模式下。

实施例1

本实施例具体过程如下：女性绝经诱发的骨质疏松症患者52名，均为绝 经女性，年龄53-69岁，所有患者无心、肝、肾及其他内分泌代谢疾病，3 个月内无服用激素类药物者。进行治疗前，采用美国Lunar公司的双能X线 骨密度仪测量L_2-4骨密度，骨密度均低于相应年龄段骨密度峰值。治疗前所 有研究对象均于上午9时空腹抽取静脉血，离心后取血清置于-20℃保存待 用。采用酶联免疫分析测量试剂盒测量患者血液中血清骨钙素和抗酒石酸磷 酸酶5b的含量。

52例患者按照年龄、骨密度和血清骨钙素水平分为物理因子治疗组（28 例）和雌激素治疗组（24例）。物理因子治疗组行PEMF（10Gs,15Hz脉冲 群），WBV（8mN,20Hz）和中波紫外光（150μW/cm²、320nm）的协同刺 激（如图3所示），每天1.5小时，连续作用60天。雌激素治疗组每日服利 维爱1片，连续服用60天。在治疗结束后，所有研究对象均于上午9时空腹 抽取静脉血测量患者血清骨钙素和血清抗酒石酸磷酸酶5b的含量。

随后，两组患者均采用双能X线骨密度仪测量L_2-4骨密度。研究结果如 表1-3所示：两组的骨密度在治疗前无统计学差异，在60天的治疗后，雌激 素治疗组治疗后的骨密度显著高于治疗前（P<0.05），物理因子的协同治疗组 治疗后的骨密度显著高于治疗前（P<0.05），且其对于骨密度的提高更为明显， 表明三种物理因子的协同治疗对于提高骨质疏松患者的骨密度具有显著的促 进作用。同样，物理因子协同治疗组治疗显著抑制了绝经所致的高骨代谢， 表现为血清骨钙素和血清抗酒石酸磷酸酶5b的含量均显著低于治疗前。该部 分前期的临床试验研究结果显示，PEMF、WBV和UVB的协同作用能够显 著抑制绝经妇女的骨质疏松症的发展。

表1患者在治疗前后L_2-4骨密度（g/cm²）的变化情况

表2患者在治疗前后血清骨钙素（μg/L）的变化情况

表3患者在治疗前后血清抗酒石酸磷酸酶5b（U/L）的变化情况

实施例2

本实施例具体过程如下：临床21例下肢骨折患者，男15例，女6例， 年龄最小34岁，最大59岁，行PEMF（10Gs,15Hz脉冲群），WBV（8mN, 20Hz）和中波紫外光（150μW/cm²、320nm）的协同刺激，每日一次，每次 作用1小时，连续作用45天。

疗效的评价标准为：(1)显效：关节活动自如，功能活动恢复正常，局 部肿胀消退，无压痛和不适。(2)好转：关节僵硬有所改善，关节活动范围 较治疗前增大，肿胀消退，稍有不适。(3)无效：45天的振动治疗对于骨折 的症状和体征无明显改善。

45天后的研究结果显示：振动治疗后，显效的病例共15例，好转的病 例共5例，无效病例1例。该临床实验结果表明，PEMF、WBV和UVB的 协同作用对于促进骨折患者的骨折愈合、加快骨损伤修复具有显著效果。