專利名稱：磁懸浮振動系統以及利用該系統產生受控振動的方法
技術領域：
本發明涉及用于醫學治療的裝置以及利用該裝置產生受控振動的 方法，特別涉及配置為預防或治療肌肉和骨骼適應癥的磁懸浮振動系 統以及利用該系統產生受控振動的方法。
背景技術：
越來越多的人，特別是中老年人，遭受著各種肌肉和骨骼適應癥的困擾，如骨質疏松癥、骨折、骨丟失(bone loss )、骨關節炎、下腰 痛、神經肌肉疾病以及下肢的循環問題等。對于肌肉和骨骼適應癥需 要進行預防和治療。已經證實，低量值高頻振動對于多種肌肉和骨骼適應癥是有益的， 其為骨質疏松癥和相關的問題提供了非藥理學的治療和預防。傳統的 低量值高頻振動裝置通常利用相互接觸的機械部件(如彈簧和杠桿) 作為驅動單元。機械磨損和金屬疲勞會縮短使用壽命并增加功耗和維 護成本。在公開號為US 2006/0241528A1的美國專利申請中，公開了 一種 用于外形較矮的振動板的系統，其利用磁場向平臺提供垂直的振動運 動，從而使該系統具有較矮的外形。該公開的系統使得振動板具有更 加緊湊的形狀因數，這提高了便攜性。此外，由于去掉了機械部件， 所以該公開的系統的振動平板具有增加的可靠性。然而，無論是采用機械部件的傳統裝置，還是公開號為US 2006/0241528A1的美國專利申請中公開的系統，均沒有解決由于使用 者的體重改變而造成的振動頻率和大小不穩定的問題。為了保證對于 不同體重的使用者的治療效果，必須對體重進行測量并將該參數手動 輸入。如果對該參數的測量(如果沒有正確地進行測量)或人工輸入 有任何錯誤，則會導致不規則的響應。此外，在已知的裝置中，均沒有提供在使用時調節振動頻率和大小的可行方案。而且，公開號為US2006/0241528A1的美國專利申請中 >開的系統具有由靜 磁體和動^茲 體組成的一組i茲體，從而處理負載的重量和振動的產生。為了利用普 通的電磁體(最常用的動磁體)支撐使用者的體重(~100kg),需要較 高的電消耗來產生動力。而且，因為在公開號為US 2006/0241528A1 的美國專利申請中沒有采取磁屏蔽措施，所以由于磁場可能的泄漏而 使得使用者可能被磁場圍繞，這將對人體產生不利的影響，正如WHO (世界衛生組織，Environmental Health Criteria (2007), Extremely low frequency fields, Geneva: World Health Organization, Monograph, No.238 (環境健康標準(2007)，極低頻率的》茲場，日內瓦世界衛生 組織，專論，第238號))和ICNIRP (國際非電離輻射防護委員會， Guidelines on limits of exposure to static magnetic fields. Health Phys. 66(1)， 100-106(對靜磁場的暴露限制指南，健康醫學66(1)， 100-106)) 所說明的那樣。發明內容為了克服現有技術的以上缺陷，本發明提供了磁懸浮振動系統和 利用該系統產生受控振動的方法。根據本發明所提供的磁懸浮振動系 統提供了無摩擦的穩定振動，以用于預防和治療骨質疏松癥、骨折、 骨丟失、骨關節炎、下腰痛、神經肌肉疾病、下肢的循環問題以及其 他肌肉和骨骼疾病。此外，在該系統工作的過程中，可對振動的頻率 和大小進行調節。根據本發明的一個方面，提供了一種磁懸浮振動系統，包括頂板，其具有頂面和底面；底板，其位于所述頂板下方，具有頂面和底面，所述底板的所述 頂面與所述頂;〖反的所述底面相對；至少一個第一;茲體，其固定在所述頂板的所述底面上； 至少一個第二磁體，其固定在所述底板的所述頂面上，所述第二 磁體與所述第 一磁體對準，并且所述第二磁體和第 一磁體的相同極性 朝向對方，以保持所述第一石茲體和所述第二磁體之間為排斥力，所述第 一磁體和所述第二》茲體為永磁體，無需電消耗；至少 一個電磁激勵器，其包括固定在所述頂板的所述底面上的上 半部以及固定在所述底板的所述頂面上的下半部，所述下半部與所述 上半部對準；控制器，配置為調整所述頂板的振動頻率；傳感器，配置為監測所述頂板的振動大小，以產生監測信號；以及控制電路，其電連接至所述激勵器的所述下半部，并配置為響應 于所述監測信號，調整所述頂板的振動大小。根據本發明的另 一方面，提供了 一種利用磁懸浮系統產生受控振 動的方法，包括以下步驟設置頂板，其具有頂面和底面；設置底板，其具有頂面和底面，所述底板的所述頂面與所述頂板的所述底面相對；由永》茲體產生第一石茲場，以使所述頂板和使用者浮起；由電磁激勵器產生第二磁場，以驅使所述頂板和使用者振動；通過控制感生出所述第二磁場的交變電流的頻率，調整所述頂板的振動頻率；以及通過響應于由傳感器發送的監測信號控制所述電流，調整所述頂板的振動大小。本發明可在很大程度上減小機械磨損和金屬疲勞(如在彈簧系統 中的)的風險、產生無摩擦的穩定振動、為使用者和外環境屏蔽來自 于系統內部的磁場、并提供較低的噪聲和較低的功耗。可將振動的頻 率和大小調節至所期望的水平而不中斷振動，且對振動的頻率和大小 的調節與使用者的體重無關。本發明所提供的磁懸浮振動系統是緊湊、輕便、多用途、用戶友好、低功耗、低維護成本、廉價的。本發明的 性能符合當前的需要，并可通過簡單地擴展而滿足未來的需要。
圖1為根據本發明一個實施方案的磁懸浮振動系統的示意性剖視圖；圖2為圖1所示系統中的、具有裝配元件的頂板的仰視圖； 圖3為圖l所示系統中的、具有裝配元件的底板的俯視圖； 圖4為與振動平臺共同工作的控制電路的方框圖；以及 圖5為在系統通電后由其產生的振動波形的曲線圖。
具體實施方式
下面將參照附圖對本發明進行詳細描述。圖1為根據本發明一個實施方案的磁懸浮振動系統100的示意性 剖3見圖。如圖l所示，振動系統100包括頂板001和底板002。底板 002可放置在地面上，以為振動系統IOO提供穩定的支撐。可選擇地， 可在底板002的底部上設置具有可調節高度的多個支撐物004A、004B 等，從而即便該系統放置在不平坦的地面上，也能確保該系統處于水 平位置。頂板OOl和底板002可由金屬、合金、塑料或其他材料制成。 使用者可用他的/她的腳站立在以一定的頻率和大小垂直振動的頂板 001上。在本實施方案中，板001和002為矩形。在可選擇的實施方 案中，^反001和002可為正方形、圓形、橢圓形、三角形等。圖2為具有裝配元件的頂板001的仰-f見圖，圖3為具有裝配元件 的底板002的俯視圖。如圖1至圖3所示，將兩組永磁體005A-005J 和006A-006J分別固定地附接在頂板001的底面上和底板002的頂面 上，在這種排列情況下，磁體005A-005J和006A-006J——成對，并 且這樣的石茲體對圍繞頂板和底板的周邊分布，由于它們是永磁體，所 以無需電消耗。每個磁體對(005A/006A、 005B/006B等)中的兩個磁 體的相同極性朝向對方，從而使它們處于排斥狀態。作為本發明的一 例，每個石茲體的直徑為38mm、厚度為15mm，并產生約1特斯拉的^f茲 場。在這些磁體對之間的排斥力可提供足夠的力(大于IOOON)，從而 使站立在頂板001上的人浮起。為了圖示清楚，圖1僅示意性地示出了石茲體005A和005B以及 006A和006B。可以理解，圖1、 2和3僅僅是示例性地表示了磁體的 排列。本領域技術人員可通過本發明的教導、根據實際需要對磁體進行排列。如圖l至圖3所示，在板001和002的中央區域設置有包括上半 部010A和下半部010B的電》茲激勵器，上半部010A為具有4失殼的永 》茲體，下半部010B為線圈。上半部010A一皮固定在頂板001的底面上， 下半部010B被固定在底板002的頂面上。在才喿作過程中，上半部010A 和下半部010B不相互4妄觸。當向下半部010B通入交變電流(AC) 時，將產生交變的磁場，從而產生振蕩力，以驅使頂板001和人體振 動。在上半部OIOA和下半部010B之間交^^產生排斥力和吸引力，/人 而驅使頂板001和人體以交變電流的頻率振動。可才艮據通過下半部 010B的電流來控制振動的頻率和大小。可通過任意已知的方式根據預 定值來產生交變電流并調節交變電流的頻率。作為一例，可^f吏用包括 頻率合成器(如IC-XR2206)、電容器和可調電阻器的控制器，以用于 調節交變電流的頻率。此外，力的大小由通過下半部010B的電流控 制。由于永磁體005A-005J和006A-006J提供了足夠的排斥力以使頂 板001和人體浮起，所以電磁激勵器010只負責為負載提供振動力， 因此能減少電流消耗并提高工作效率。在振動的過程中，整個系統的 動能和勢能相互轉變。作為一例，在本實施方案中，當提供2A、 35 Hz 的交變電流時，將產生能夠使100kg負載的振動大小超過0.5g的振動 力(g 9.81nrs-2，即，重力加速度)，且振幅小于lmm。在本發明中， 振動大小(例如0.5g)是指正負峰間(pk-pk)值。具體地說，該量值 等于振動大小的波形的正峰值與負峰值之間的差值。例如，如果振動 大小為0.5g,則正峰值和負峰值分別為+0.25g和-0.25g。在本實施方案中，對于普通的臨床適應癥而言，振動的頻率和大 小分別被預定為35Hz和重力的30%,并且它們在使用中的任何時刻 均可調整。應當注意，盡管只示出了一個電磁激勵器，但對該系統的 設計并不局限于一個電磁激勵器。在可選擇的實施方案中，根據振動 模式(如雙向運動)、最大振動大小和負載的具體需求，可在頂板OOl 和底板002之間設置兩個或更多的電磁激勵器010。可由電子電鴻4反012調節通過下半部010B的電流，可將電子電^各 板012固定在頂板OOl和底板002之間的可用空間中。可選4奪地，可將電路板012設置在系統100的本體之外。在這種情況下，電路板012 可通過任何已知的方式與下半部010B電連接。圖1所示的系統100 可設置有屏幕(例如LCD或LED)、遠程控制界面等，屏幕配置為顯 示如振動頻率、振動大小、預設治療時間等參數，而遠程控制界面配 置為由使用者對系統100進行操作。由于這些配置都是常規的，所以 為了簡單起見本文略去了其詳細描述。根據本發明，設置振動傳感器011,以監測振動的大小并將反饋 信號傳輸至電子電路板012上的控制電路(未示出)。如圖1和圖2 所示，傳感器011被安裝在頂板001的底面上，但本發明并不應局限 于這種排布。在本實施方案中，傳感器011為可直接將加速度(振動 大小)在1V/g (即，在一個重力加速度的情況下輸出1伏)轉換為電 壓輸出的加速度計。可通過任意已知的方式將該傳感器電連接至電子 電路板012。響應于接收到的反饋信號，電子電路板012實時地或周 期性地對供給下半部010B的電流進行調整，從而將振動的大小保持 為預設的值。因此，振動的大小以及由此導致的、施加于人體的振動 激發的水平被調節至所期望的水平(而無需中斷振動)且完全與使用 者的體重無關。圖4所示出的方框圖表明，可將利用了反饋傳感器011的控制系 統安裝在電子電路板012內，以使振動大小保持在預定的目標值。在 本實施方案中，電子電路板012上的控制電路020包括信號發生器 021、 AC/DC轉換器022、比較器023、功率放大器024和計時器025。 信號發生器021產生具有可調整頻率和幅度的振動信號。功率放大器 024將信號放大，以驅動電磁激勵器。計時器025控制一次治療的持 續時間。比較器023是可調整信號發生器021的輸出幅度的控制單元。 由AC/DC轉換器022調節加速度計011的輸出，以過濾掉振蕩電壓并 得出振動大小的水平。將AC/DC轉換器022的輸出饋送給比較器023， 比較器023將加速度計011的、已調節過的輸出電壓與由使用者預設 的參考值026 (如0.3V)進行比較。當加速度計011的、已調節過的 輸出電壓低于參考值時，比較器023控制信號發生器021并使信號發 生器021的輸出幅度增大(即，調幅)；當加速度計011的、已調節過的輸出電壓高于參考值時，比較器023使信號發生器021的輸出幅度 降低。例如，加速度計011在0.3g的振動下產生0.3V,從而4吏平臺的 振動大小保持在0.3g。圖5示出了當如圖4所示的控制電路開始通電時振動波形的變化 (頂板001上站有70kg的人)。恰在通電后，下半部010B被充分地 驅動，直至振動大小高于0.3g。振動大小達到0.48g的峰值，然后， 在啟動后的0.6秒的時間內迅速減小至0.3g，并且無"i侖由負載導致平 衡發生任何變化，振動大小的變化均保持在0.3g的10%的范圍內。應 當注意，該示意圖僅僅是為了示出一種可能的低成本方案，以在某一 時刻提供 一種治療方案，本發明的性能不應被解釋為以任何方式受限 于該示意圖。例如，更復雜的電路可更快地得到目標振動大小且不會 過沖，并且可保持數值具有更高的精度。可選擇地，可利用可編程控 制器，以存儲最適于特定治療和保健需求的多種治療方案(頻率、大 小、持續時間)的不同程序。可選擇地，可在頂板OOl的底面的四個角處設置四才艮引導柱007A 至007D。相應地，如圖l至圖3所示，可在底板002的頂面的四個角 處設置四個匹配的引導通道008A至008D (為了圖示清楚，在圖1中 僅示出了兩組引導柱和引導通道)。每個引導通道的內直徑稍大于每根 引導柱的外直徑，從而使每根引導柱可通過相應的引導通道垂直運動。 只要適當地使每對柱和通道對準排列，則各柱將在相應的通道內垂直 運動且相互間無摩4察。因此，頂寺反001只可在垂直方向上振動。這種 結構將頂一反001相對于底板002的運動限制在垂直方向，從而保持頂 板001和底板002之間的每一對磁體005A-005J與006A-006J以及電 ^磁激勵器的上、下半部OIOA、 OIOB對準，并保持"f展動的穩定性。在 可選4奪的實施方案中，在引導通道008A-008D的位置處、在底板002 上設置四個通孔。每個通孔的直徑與每個引導通道的內直徑相等，從 而使引導柱007A至007D可穿過底板002。因此，即便引導柱007A 至007D較長，頂板OOl在負載下的向下運動也不被底板002所限制。優選地，如圖l所示，在每個引導柱007A至007D的端部設置有 襯墊009A、 009B、 009C和009D,以防止引導柱007A至007D從通道008A至008D中抽出，從而在振動系統100沒有負載時防止頂板 001與底板002分離。應當理解，襯墊是可選擇的，且不會影響療效。可選擇地，頂板001的頂面和底板002的底面均覆蓋有薄金屬片 (典型由鐵制成，且厚度為1.5mm )，作為源自振動系統100內部元件 的磁場的第一屏蔽(為了圖示清楚，在圖1至圖3中并沒有示出)，為 外界屏蔽來自于系統內部的磁場。此外，可圍繞頂板001設置外殼003， 以保護振動系統IOO的內部元件，并作為用于使用者和外部環境的、 石茲場的第二屏蔽，從而達到WHO和ICNIRP所推薦的標準(<40mT)。 外殼003可由磁屏蔽材料制成，如軟鐵。根據本發明，可將系統100用于治療肌肉與骨骼適應癥。可選擇 地，可將其用作為針對該問題的預防裝置。盡管以上描述包括許多具體的排列和參數，但應當注意，這些具 體的排列和參數僅用于說明本發明的一個實施方案。其不應一皮-現為對 本發明范圍的限制。本領域技術人員可以理解，在不脫離本發明的范 圍和精神的情況下，可對具體的排列和參數進行各種修正、添加和替 換。因此，應根據權利要求解釋本發明的范圍。
權利要求
1.一種磁懸浮振動系統，包括頂板，其具有頂面和底面；底板，其位于所述頂板下方，具有頂面和底面，所述底板的所述頂面與所述頂板的所述底面相對；至少一個第一磁體，其固定在所述頂板的所述底面上；至少一個第二磁體，其固定在所述底板的所述頂面上，所述第二磁體與所述第一磁體對準，并且所述第二磁體和第一磁體的相同極性朝向對方，以保持所述第一磁體和所述第二磁體之間為排斥力；至少一個電磁激勵器，其包括固定在所述頂板的所述底面上的上半部以及固定在所述底板的所述頂面上的下半部，所述下半部與所述上半部對準；控制器，配置為調整所述頂板的振動頻率；傳感器，配置為監測所述頂板的振動大小，以產生監測信號；以及控制電路，其電連接至所述激勵器的所述下半部，并配置為響應于所述監測信號，調整所述頂板的振動大小。
2. 如權利要求1所述的磁懸浮振動系統，其中所述頂板和所述底 一反相互分離。
3. 如權利要求1所述的石茲懸浮振動系統，其中所述第一;茲體和所 述第二磁體為永磁體。
4. 如權利要求1所述的磁懸浮振動系統，其中所述激勵器的所述 上半部為永磁體，所述激勵器的所述下半部為線圈。
5. 如權利要求1所述的磁懸浮振動系統，其中所述控制電路包括 信號發生器，用于產生振動信號；功率放大器，其對所述振動信號進行放大，以驅動所述電磁激勵器；AC/DC轉換器，用于實現AC/DC轉換；比較器，用于將從所述傳感器得到的所述監控信號與參考值進行 比較，從而根據比較的結果控制所述信號發生器；以及 計時器，控制振動持續的時間。
6. 如權利要求1所述的磁懸浮振動系統，其中所述傳感器為加速 度計。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的磁懸浮振動系統，進一步包 括一組引導裝置。
8. 如權利要求7所述的磁懸浮振動系統，其中所述一組引導裝置 包括至少一個引導柱和至少一個引導通道，所述引導柱固定在所述頂 板和所述底板中的一個上，所述引導通道固定在所述頂板和所述底板 中的另一個上，所述引導柱與所述引導通道對準。
9. 如權利要求8所述的磁懸浮振動系統，進一步包括固定在所述 引導柱的一端的至少一個襯墊。
10. 如權利要求1所述的磁懸浮振動系統，其中所述頂板的所述 頂面和所述底板的所述底面均覆蓋有薄金屬片，從而為外界屏蔽來自 于所述磁懸浮振動系統內部的磁場。
11. 如權利要求1所述的磁懸浮振動系統，進一步包括殼體，其 配置為包裹所述頂板和底板，并為外界屏蔽來自于所述殼體內部的磁 場。
12. 如權利要求1所述的磁懸浮振動系統，進一步包括固定在所述底板的所述底面上的至少三個支腳。
13. —種利用磁懸浮系統產生受控振動的方法，包括以下步驟 設置頂板，其具有頂面和底面；設置底板，其具有頂面和底面，所述底板的所述頂面與所述頂板 的所述底面相對；產生第一^f茲場，以^使所述頂板浮起； 產生第二磁場，以驅使所述頂板振動；通過控制感生出所述第二磁場的交變電流的頻率，調整所述頂板 的振動頻率；以及通過響應于由傳感器發送的監測信號控制所述電流，調整所述頂 板的振動大小。
14. 如權利要求13所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 其中所述頂板和所述底板相互分離。
15. 如權利要求13所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 其中所述第 一;茲場由至少 一對永磁體產生，所述至少 一對永》茲體分別 設置在所述頂板的所述底面上和所述底板的所述頂面上。
16. 如權利要求13所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 其中，由所述第二》茲場提供振蕩力，所述第二石茲場由包括永磁體和電 磁線圏的激勵器產生，當由控制電路產生的所述交變電流饋送至所述 電磁線圈時，所產生的交變的所述第二磁場驅使所述頂板振動。
17. 如權利要求13所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 其中所述調整振動大小的步驟包括產生振動信號；放大所述振動信號，以驅動所述電；茲線圏；調節由所述傳感器發送的所述信號，以利用AC/DC轉換器過濾掉振蕩電壓，并得出振動大小的水平；將由所述傳感器發送的所述信號與參考值進行比較；以及 根據比較的結果調整所述振動信號。
18. 如權利要求13所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 其中所述傳感器為加速度計。
19. 如權利要求13至18中任一項所述的利用磁懸浮系統產生受 控振動的方法，進一步包括引導振動方向的步驟。
20. 如權利要求19所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 其中所述引導振動方向的步驟是由一組引導裝置實現的，所述引導裝 置包括至少一根引導柱、至少一個引導通道和至少一個襯墊，所述引 導柱固定在所述頂板和所述底板中的一個上，所述引導通道固定在所 述頂板和所述底板中的另一個上，所述襯墊固定在所述引導柱的一端。
21. 如權利要求13所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 進一步包括保護站在所述頂板上的人不受到所述第一石茲場和所述第二 ;茲場的影響的步驟。
22. 如權利要求13所述的利用磁懸浮系統產生受控振動的方法， 進一步包括通過至少三個可調整高度的支撐物支撐所述底板的步驟。
全文摘要
本發明提供了一種磁懸浮振動系統，包括頂板；底板；至少一個第一磁體；至少一個第二磁體；包括上半部和下半部的至少一個電磁激勵器；控制器；傳感器；以及控制電路。此外，本發明還提供了一種利用磁懸浮系統產生受控振動的方法，包括以下步驟設置頂板；設置底板；產生第一磁場，以使所述頂板浮起；產生第二磁場，以驅使所述頂板振動；調整所述頂板的振動頻率；以及調整所述頂板的振動大小。
文檔編號A61H1/00GK101401764SQ20081000824
公開日2009年4月8日 申請日期2008年2月14日 優先權日2007年10月5日
發明者吳偉堅, 張穎愷, 梁國穗, 譚錦輝 申請人:香港中文大學