[发明专利]产生复杂生物电刺激信号同时节省功率的系统和方法

说明书

技术领域

本公开涉及一种在生物医学应用中使用的脉冲信号发生器。具体地，本公开涉及一种产生复杂生物电刺激信号输出波形的重量轻且紧凑的脉冲信号发生器。

背景技术

受伤、感染和退化状况是疼痛、不便、花费、失去工作(和休闲)时间和减少生产力的主要来源。由于受伤在年轻、健康人中会很快治愈，而年老、不太健康或二者兼有的人则要花费长得多的时间，因此与这些情况相关的问题随着年龄的增长而恶化。像当前在多数工业化国家中所见到的人口老龄化社会中，在接下来的几十年过程中，这些社会和经济影响会变得更大。

然而，很难估计这些状况的全部代价，姑且不论它们对于生活质量的影响，单在美国每年确定的总量便达到数十亿美元。例如，每年五百万到一千万美国居民遭受骨损伤，这些病例中的许多病例涉及多处骨折。对于年轻、健壮的病人，许多骨折要求在石膏中固定不动达六个星期或更长时间。即使去掉石膏后，在愈后的骨骼重新获得完全的强度之前病人的活动也经常受限制。对于老年人、不太健康或营养不良的人、多处骨折的人或具有影响治愈进程的状况的病人，骨折通常治愈得更慢。在一些病例中，骨折不能完全治愈，导致称为“不愈合”或“不愈合骨折”的情况，这种情况有时会持续一生。

因此，估计在美国仅由于骨折就损失二十五万人年(person-years)的生产力。不仅能在其它类的外部伤害中得到相似的统计结果，而且在例如骨关节炎、骨质疏松症、糖尿病和褥疮溃疡患者、韧带损伤、腱炎和重复性压力损伤(包括通常称为“网球肘”和腕管综合征的情况)等慢性病中也可得到相似的统计结果。

自从20世纪60年代以来，人们已日益认识到：作为受伤、应力和其它因素的结果，人体会产生许多低能级的电信号；这些信号在治愈和疾病恢复过程中成为一个必要的部分；并且通过提供人工产生的在频率、波形和强度上模仿人体自身的信号，能加速所述过程。这样的“模仿”信号已表现出在人体中具有许多效果，包括帮助引导诸如纤维原细胞和巨噬细胞的移动细胞处于需要它们的位置(趋电性)，并引起诸如转化增长因子β(TGF-β)和胰岛素样增长因子(IGF)的细胞增长因子的释放。结果可包括：使包括由糖尿病导致的慢性溃疡在内的皮肤和肌肉创伤更快速地治愈；使包括多数不愈合骨折在内的骨折得到修补；使受伤或断裂神经再生长；使诸如在腱炎和骨关节炎中由于重复性运动而损伤的组织得以修补；减轻肿胀、炎症和疼痛，所述疼痛包括通常基于药物治疗但减轻效果不令人满意的慢性疼痛。

诸如在伤口中测量到的“损伤电势”或“损伤电流”的一些人体信号只是D.C.(直流)，且随时间缓慢改变。人们发现，骨折修补和神经再生在邻近负电极时加快，而在接近正电极时减慢，一些病例中在接近正电极处会发生组织萎缩或坏疽。因此，多数最近的研究已聚焦于通常没有净D.C.分量的更高频、更复杂的信号。

尽管迄今为止的许多复杂信号研究已被用于骨折治愈，但所有组织中的基本生理过程的共性表明，适当的信号对于加速许多其它治愈和疾病恢复过程是有效的。事实上，已观察到特定频率和波形的结合可抵抗骨关节炎和失眠症。这些信号还能够刺激毛发生长，减轻肿胀和炎症，抑制局部感染，加速包括皮肤、神经、韧带和腱的受伤软组织的痊愈。这些信号还能够减轻生理疼痛而无需忍受TENS(经皮电神经刺激)的替代性不适，并且当经颅施加时，还能够减轻诸如抑郁的心理痛苦。心理痛苦的减轻显然由类似起搏器的动作产生，该动作能引起脑电波中连贯性的增加。

图1A图示了在刺激骨折治愈中已被发现有效的波形20的示意图，其中图1A中的线22表示短时间标度上的波形，图1B中的线24表示较长时间标度上的相同波形，电平26和28表示电压或电流的两个不同的特征值，间隔时间30、32、34和36表示特定转换之间的定时。通常选择电平26和28使得当对整个周期的波形取平均时，没有净D.C.分量。在实际应用中，波形20有时由于所有的电压或电流向电平26和28之间的某一中间电平呈指数衰减而被改变，衰减时间常数通常与间隔时间34在同一级别上。结果由图1C中的波形38表示。