电磁刺激装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种电磁刺激装置，先供应电流使电感器（inductor）产生磁场而储能，再利用截断供应电流时电感器所产生的自感效应(self-inductance），将储存于磁场的能量于短时间内释放，以输出具有高电压及高电流值的电磁脉冲，并以此做为主要刺激，以供刺激生物体。其中，主要刺激阶段的电流与磁场方向和输入的电流与磁场方向相反，且主要刺激阶段的感应电动势(electromotiveforce，EMF)高于输入时所产生的感应电动势。
【专利说明】电磁刺激装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明关于一种电磁刺激装置，尤其是指利用电感器的自感效应对生物体提供电磁刺激的装置。
【背景技术】
[0002]神经所发出的刺激信号可视为一种电信号，利用该电信号刺激各部位(例如器官、组织、肌肉等)，使对应部位产生对应动作或是停止动作。
[0003]现今存在利用电流与磁场变化以刺激生物体各部位的机器与方法，这种机器通常称为电疗装置或是电磁刺激装置，而以电疗装置或是电磁刺激装置刺激生物体的方法通常称为电磁刺激方法。
[0004]目前市面上非侵入性的电磁刺激装置与方法有以下两种类型:
(I)利用电极接触目标部位，通电后使目标部位产生电流的电疗装置，例如电子针灸器(Electronic Acupuncture, EA)、功倉泛性电朿Ij激器(Functional Electrical Stimulation,FES)及经皮电刺激器(Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation, TENS);此类装置主要用于治疗与复健。 现有的电疗装置需要使用电极贴片贴附于人体表面，因此刺激效果仅在皮肤表层与外层肌肉较为明显，使用频率较高的电磁刺激器能够达到较深层的部位，但相对电流较弱，仍然无法有效达成深层部位的刺激，另外由于电极片贴附于人体表面，若电流过高，可能对人体造成危险，若电流过低，则治疗效果很有限。
[0005](2)利用控制电流流过线圈时产生磁场而刺激目标部位的非接触性电磁刺激装置，例如经颉磁刺激器(Tr·anscranial Magnetic Stimulation, TMS),此类装置主要用于产生神经的动作电位，用以研究神经用途。 现有的电磁刺激装置需要极高的电压以产生高电流，如此才能有效地对大脑或是神经产生刺激，但若是电压高且电流高，则耗用功率大且线圈容易发热，无法作为日常生活的家电用品使用，另外，不具有专业技术的一般人士在操作上易产生危险，且此种电磁刺激装置需要的材料造价高昂，电磁刺激装置的体积与重量亦太大而仅能于专业场所中(例如医院)使用，此为另一个无法作为日常家电用品的原因。
[0006]上述的电磁刺激装置与方法皆不是利用自感效应(self-1nductance)产生的瞬间高电压、高电流来刺激生物体，现有技术中，利用自感效应的应用的最佳实例是将自感效应用于汽机车的火花点火系统(Spark Ignition, SI)上，其应用可参照图1的电路图火花点火系统，于汽油引擎压缩行程时迫使电弧跨越火星塞的间隙并产生火花，进而点燃燃料，必须配合引擎的转速与负荷，于适当时间点燃燃料。
[0007]如图1电路所示，火花点火系统的电路包含电源001 ;连接于电源001的开关002 ；串联于开关002的电阻器003 ;及与电源001并联的升压电阻器004、电感器005、间隙006 ；间隙006为总括性称呼，是指电路的两端并无经由任何元件相连，例如间隙006之处可为空气。
[0008]其运作方式为使开关002为导通，则电源001输入电流通过电阻器003，由于升压电阻004及间隙006的电阻值皆远大于电感器005的电阻值，因此输入电流仅流过电感器005而回到电源001，形成一个循环；接着使开关002为不导通，则流经电感器005的电流将再流过升压电阻器004形成循环，使得升压电阻器004两端的电压急遽升高，进而于间隙006处放电产生火花。
【发明内容】
[0009]本发明主要在利用自感效应，提供一种可对生物作刺激的装置，且根据本发明能使装置本身的体积及重量减小，便于日常生活使用。
[0010]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
一种电磁刺激装置，包含:
一外部电源，为市电ACl IOV或AC220V;
一电压供应单元一，用以将外部电源整流及滤波并转换成所需的额定电压及电流供给控制单兀；
一电压供应单元二，用以将外部电源整流及滤波并转换成所需的额定电压及电流供给电磁刺激装置；
一控制单元，连接于该电压供应单元一；
一储能元件，连接于该电压供应单元二 ；
一电流方向开关，一端连接于该储能元件，且受该控制单元控制；及 一输出线圈，以该电流方向开关连接于该储能元件；
初始时该电流方向开关为不导通的状态，藉由该控制单元先控制该电流方向开关为导通，再控制该电流方向开关为不导通，于是在该输出线圈上产生反向的高感应电流而刺激输出线圈周围的目标部位。
[0011]较佳地,该输出线圈为一电感器，该储能兀件为一电容器、一电感器或一电池，该电流方向开关包含并联连接的一二极体及一开关。
[0012]较佳地，该输出线圈可以缠绕成特殊形状以增加聚焦性。
[0013]较佳地，还包含一保护元件，设置于该储能元件与该电压供应单元二之间，用以确保该反向的高感应电流无法回流至该电压供应单元二。
[0014]较佳地，该电流方向开关可以根据电流变化公式:I=V/R[l-e~{-t(R/L)}]计算电流于上升的时间内爬升的极限值，进而选用较低阶的电流方向开关来使用。
[0015]较佳地，该保护元件为一二极体或是一可程控的开关。
[0016]较佳地，可选择使用置入或外接的方式将该电磁刺激装置装设于座椅式载具、平躺式载具、机械载体或携带式载体等载具或载体。
[0017]较佳地，该座椅式载具可以是椅子、沙发、坐垫、人体工学形状的物体等；
该平躺式载具可以是床铺、医疗用床、床型载具、靠垫、腰枕、轮椅、各种复健用载具
等;
该机械载体可以是塑料盒、桶、各种特殊设计的塑料`载体等；
该携带式载体如帽子、腕带、衣物、围巾、各种饰物、配件或小型携带式仪器等；
该等载具或载体的设计可以包含摺叠、伸缩或旋转等设计，并可单独或综合设计于机构上。[0018]较佳地，可配合或装设一些附加功能一起使用，附加功能可以是选择系统、显示系统、冷却系统、线圈致动系统、线圈定位系统、防滑设计、其他附加功能等；并且这些附加功能可以选择任何一种单独使用或同时使用。
[0019]较佳地，该选择系统可以是各种人机界面的形式，包括使用表情符号或图像显示系统信息的方式、触控装置、声控装置、遥控装置、无线远端控制等方式来进行人机沟通；
其中，该显示系统可以是IXD、液晶荧幕、投影或物理变化显示等；
其中，该冷却系统可以 是增加空气对流、水对流、固体导热、液态氮或干冰等形式择一或同时存在；
其中，该线圈致动系统致动的方式可以是利用伸缩、滑动、变型、滚动、旋转、弯曲等运动方法移动磁输出线圈，并可连接多个磁刺激线圈以同时在不同的目标区域运作；其材质可以为金属、木材、塑胶或其他可支撑磁刺激线圈的复合材料等；
其中，该线圈定位系统分析的方法可以是影像分析、3D坐标定位、红外线感测、坐标定位等方法；分析处理器可以是外接计算机、微处理器、可程控器(PLC)等具有运算能力的处理器；
其中，该表面防滑设计可以是利用防滑片、表面特殊设计或人体工学设计；
其中，该其他附加功能可以是外接式语音系统、防呆提醒、无线上网网卡、身体状态检测装置、音乐播放器、薰香、按摩器、杯架、皮套、加热垫、软靠垫、延长板、防电磁波收纳盒
坐寸ο
[0020]较佳地，该触控装置可以为单点式或多点式触控；该声控装置可以为语音交互式声控、语音非交互式声控、非语音式声控；该遥控装置可以为红外线、蓝牙、网络、电磁波传输讯号遥控等装置；其传输讯号更可进一步传输使用者资料、健康情形、过敏或是使用磁刺激器等其他信息；上述触控、声控、遥控可同时或单独运作也可以互相配合使用。
[0021]本发明根据法拉第电磁感应定律(Faraday’s law of induction):一封闭回路上的磁通量变化时，将因电磁感应而发生感应电动势，其大小于磁通量对时间变化率的量成正比。其数学式为emf=-dOB/dt，emf为感应电动式，ΦΒ为磁通量，t为时间，负号表示电动势方向，是为了反抗磁通量的变化，而反抗磁通量变化的这种现象称为愣次定律(lenz’ slaw)。
[0022]根据愣次定律，利用电流方向开关导通控制电流流过输出线圈，可知电流流经输出线圈时将产生磁场，造成磁通量变化，为反抗磁通量变化而使线圈自感产生一感应电动势，形成电流变化及磁场变化，使流过输出线圈的电流随时间变化，而在输出线圈周围建立一变化磁场，并将能量储存于此一变化磁场中；当电流方向开关不导通时，立即中断流过输出线圈的电流，使磁场迅速消失，磁通量急剧变化，为反抗磁通量变化而使线圈自感产生一与输入电流方向相反的感应电动势，形成电流变化及磁场变化，使流过输出线圈的电流随时间变化，而在输出线圈周围建立一反向变化磁场，促使患部产生感应电动势，利用此电流变化及感应电动势所产生的电场、磁场而影响生物体，如模拟神经刺激电信号，则可用以刺激生物体内的分子、器官、组织等；同时藉由电流方向开关内的二极管及保护元件限制电流方向，使电流流回电容达到能量回收。
[0023]感应电动势的大小决定于输出线圈本身的磁通变化量，及变化时间，在本发明中因磁通量最后为0，故磁通量=磁通变化量，变化时间因本发明选用新型半导体电流开关作为电流方向开关，能将开关的开启与关闭时间压至Ius以下，使得电流变化时间极短(一般物理性开关的开启与关闭时间皆以ms计算，而旧式半导体开关则无法承受过大的电流)；当电流方向开关导通，电流流过输出线圈，当此电流产生的磁通量越大，电流方向开关中断此电流的时间时间越短，输出线圈产生的自感应也就越大，但根据能量守恒定率此感应电动势的持续时间将会相对的缩短，而因其自感应电动势所形成的磁场变化时间也必然缩短，磁通量变化更剧烈，造成(ΙΦΒ/dt的值极大，因此目标部位产生的感应电动势emf也会变大，使刺激效果增加。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为应用自感效应的火花点火系统的电路图。
[0025]图2为本发明的电磁刺激装置的电路方块图。
[0026]图3为本发明的电磁刺激装置一实施例的电路示意图。
[0027]图4为控制单元中单晶片微处理器型号样式及脚位示意图。
[0028]图5为控制单元中驱动芯片的型号样式、脚位及内部电路示意图 图6为控制单元中驱动芯片及周边电路示意图。
[0029]图7及图8为本发明的电流方向开关结构图。
[0030]图9为单晶片微处理器控制程序流程图。
[0031]图10为本发明的电磁刺激装置一实施例的操作流程图。
[0032]图11为本发明实施例电路图中控制单元对电流方向开关所传递的控制讯号波型图。·
[0033]图12为本发明的电磁刺激装置实施例的第二阶段电路图。
[0034]图13为本发明的电磁刺激装置实施例的输出线圈上的电压输入及电压输出随时间变化的曲线图。
[0035]图14为本发明的电磁刺激装置实施例的输出线圈上的电流输入及电流输出随时间变化的曲线图。
[0036]图15所示的是本发明应用于人体刺激时的方块图。
[0037]图16为本发明装入座椅式载具的示意图。
[0038]图17为本发明装入平躺式载具的示意图。
[0039]图18为本发明装入机械载体的示意图。
[0040]图19为本发明装入携带式载体的示意图。
[0041]图20为本发明包含附加功能的方块图。
[0042]
【主要元件符号说明】
001电源 002开关
003电阻 004升压电阻
005电感 006间隙101外部电源
1021电压供应单元一(供给控制单元)
1022电压供应单元二 (供给刺激单元)
103控制单元
104保护元件
105储能元件
106电流方向开关
107输出线圈
1071输出线圈
1072输出线圈
1073输出线圈
1074线圈载部
1075线圈载部
1076线圈载部
108电路部
`109输出部
111第一步骤
112第二步骤
113第三步骤
114第四步骤
161座椅式载具
171平躺式载具
181机械载体
191携带式载体
192内部电源
201附加功能
202选择部
203显示部
204冷却装置
205线圈致动系统
206线圈定位系统
207表面防滑设计
208其他外挂功能
Dl 二极管
SI开关
to:充电起始时间
tl:通电储能时间
t2:自感刺激时间
t3:下次开始通电储能时间。【具体实施方式】
[0043]图2为本发明实施例的电路方块示意图；图3为本发明实施例的电路示意图。
[0044]图2中包含一外部电源101，一电压供应单元1021(供控制单元103使用)，一刺激电压供应单元1022 (供刺激系统使用)，一控制单元103，一保护元件104，一储能元件105，一电流方向开关106以及一输出线圈107。
[0045]图3中包含外部电源101，与电压供应单元1021及电压供应单元1022连接；电压供应单元1021与控制单元103连接；电压供应单元1022以保护元件104连接储能元件105及电流方向开关106 ;控制单元103，一端连接于电压供应单元1021，另一端连接于电流方向开关106 ;保护元件104，一端连接于电压供应单元1022，另一端连接于储能元件105及电流方向开关106 ;储能元件105，一端以保护元件104连接电压供应单元1022，并经电流方向开关106连接输出线圈107 ;电流方向开关106，一端经保护元件104连接电压供应单元1022并与储能元件105连接，另一端连接输出线圈107 ;输出线圈107，以电流方向开关106连接储能元件105。
[0046]各部件说明:
外部电源101，一般为 市电ACllOV或AC 220V，提供电源给电压供应单元1021及电压供应单元1022 ;电压供应单元1021，用以将外部电源101提供的交流或直流电整流及滤波并转换成控制单元103的额定电压及电流供给控制单元103使之正常运作；电压供应单元1022，用以将外部电源101提供的交流或直流电整流及滤波并转换成电磁刺激装置的额定电压及电流供给储能元件105储能；控制单元103，为数个模式选择钮及一个单晶片微处理器8051 (参考图4)与一个IGBT驱动芯片(参考图5)及周边电路(参考图6)所组成的电路，在单晶片微处理器8051中储存预先设定的程序，可随模式选择钮的选择而变更输出刺激讯号的频率、大小、时间，单晶片微处理器可以是市面上任何一可执行运算且能储存程序的芯片或是组合电路，而IGBT驱动芯片可以是市面上任何一可驱动IGBT的芯片或是等效组合电路；保护元件104为可防止电流逆冲的电子元件，可以是二极管也可以是一可受控制之开关；储能元件105，为数个电容所组成的大容量电容器；电流方向开关106为新式电子半导体开关，内部为双路结构，需藉由驱动芯片及周边电路方可控制开关不导通(参考图7)或导通(参考图8)，其开关时间决定磁场崩溃所造成反向震荡的效率；输出线圈107为一电感器，其电感大小及等效电阻值决定电感器储能的能力及时间进而影响磁场崩溃的效果。输出线圈107可以缠绕成特殊形状以增加聚焦性，例如O字形、8字形、日字形、H形、螺旋形、漩涡形、蝴蝶形、弹簧形或是幸运草形等。
[0047]运作程序说明:
图9为本发明实施例单晶片微处理器8051内部预载的程序运作流程图，程序中可设定单次输出波长及其输出时的占空比，以控制输出单次电感储能及单次自感所产生的感应电动势的强度；设定单次输出波形的重复次数形成一复合波，以控制一个复合波对目标部位刺激强度；设定两复合波间的间歇时间，以控制对目标部位产生的效果，以设定的波长、间隔时间及频率而组成多种模式，依需求设定数种模式供使用者使用。
[0048]操作流程:
参考图10，为本发明实施例的操作流程方块图，分为四阶段:第一阶段，其电路状态如图3所示，时间范围为t(Ttl(参考图11)，电压供应单元1021及电压供应单元1022连接外部电源时为t0，此时因为无任何指令，所以控制单元103不动作，电流方向开关106维持在初始状态其内部开关SI (参考图7)为不导通状态；电流经由保护元件104从电压供应单元1022流入储能元件105并储存于储能元件105中，其电容储能时间t(Ttl可以用电容充电公式得
【权利要求】
1.一种电磁刺激装置，其特征在于，包含:一外部电源，为市电ACllOV或AC220V; 一电压供应单元一，用以将外部电源整流及滤波并转换成所需的额定电压及电流供给控制单兀； 一电压供应单元二，用以将外部电源整流及滤波并转换成所需的额定电压及电流供给电磁刺激装置； 一控制单元，连接于该电压供应单元一； 一储能元件，连接于该电压供应单元二 ； 一电流方向开关，一端连接于该储能元件，且受该控制单元控制；及 一输出线圈，以该电流方向开关连接于该储能元件； 初始时该电流方向开关为不导通的状态，藉由该控制单元先控制该电流方向开关为导通，再控制该电流方向开关为不导通，于是在该输出线圈上产生反向的高感应电流而刺激输出线圈周围的目标部位。
2.如权利要求1所述的电磁刺激装置，其特征在于，该输出线圈为一电感器，该储能元件为一电容器、一电感器或一电池，该电流方向开关包含并联连接的一二极体及一开关。
3.如权利要求2所述的电磁刺激装置，其特征在于，该输出线圈可以缠绕成特殊形状以增加聚焦性。
4.如权利要求1所述的电磁刺激装置，其特征在于，还包含一保护元件，设置于该储能元件与该电压供应单元二之间，用以确保该反向的高感应电流无法回流至该电压供应单元--O
5.如权利要求1所述的电磁刺激装置，其特征在于，该电流方向开关可以根据电流变化公式:I=V/R[l-e~{-t(R/L)}]计算电流于上升的时间内爬升的极限值，进而选用较低阶的电流方向开关来使用。
6.如权利要求4所述的电磁刺激装置，其特征在于，该保护元件为一二极体或是一可程控的开关。
7.如权利要求1所述的电磁刺激装置，其特征在于，可选择使用置入或外接的方式将该电磁刺激装置装设于座椅式载具、平躺式载具、机械载体或携带式载体等载具或载体。
8.如权利要求7所述的电磁刺激装置，其特征在于，该座椅式载具可以是椅子、沙发、坐垫、人体工学形状的物体等； 该平躺式载具可以是床铺、医疗用床、床型载具、靠垫、腰枕、轮椅、各种复健用载具等; 该机械载体可以是塑料盒、桶、各种特殊设计的塑料载体等； 该携带式载体如帽子、腕带、衣物、围巾、各种饰物、配件或小型携带式仪器等； 该等载具或载体的设计可以包含摺叠、伸缩或旋转等设计，并可单独或综合设计于机构上。
9.如权利要求1所述的电磁刺激装置，其特征在于，可配合或装设一些附加功能一起使用，附加功能可以是选择系统、显示系统、冷却系统、线圈致动系统、线圈定位系统、防滑设计、其他附加功能等；并且这些附加功能可以选择任何一种单独使用或同时使用。
10.如权利要求9所述的电磁刺激装置，其特征在于，该选择系统可以是各种人机界面的形式，包括使用表情符号或图像显示系统信息的方式、触控装置、声控装置、遥控装置、无线远端控制等方式来进行人机沟通； 其中，该显示系统可以是IXD、液晶荧幕、投影或物理变化显示等； 其中，该冷却系统可以是增加空气对流、水对流、固体导热、液态氮或干冰等形式择一或同时存在； 其中，该线圈致动系统致动的方式可以是利用伸缩、滑动、变型、滚动、旋转、弯曲等运动方法移动磁输出线圈，并可连接多个磁刺激线圈以同时在不同的目标区域运作；其材质可以为金属、木材、塑胶或其他可支撑磁刺激线圈的复合材料等； 其中，该线圈定位系统分析的方法可以是影像分析、3D坐标定位、红外线感测、坐标定位等方法；分析处理器可以是外接计算机、微处理器、可程控器(PLC)等具有运算能力的处理器； 其中，该表面防滑设计可以是利用防滑片、表面特殊设计或人体工学设计； 其中，该其他附加功能可以是外接式语音系统、防呆提醒、无线上网网卡、身体状态检测装置、音乐播放器、薰香、按摩器、杯架、皮套、加热垫、软靠垫、延长板、防电磁波收纳盒坐寸ο
11.如权利要求10所述的电磁刺激装置，其特征在于，该触控装置可以为单点式或多点式触控；该声控装置可以为语音交互式声控、语音非交互式声控、非语音式声控；该遥控装置可以为红外线、蓝牙、网络、电磁波传输讯号遥控等装置；其传输讯号更可进一步传输使用者资料、健康情形、过敏或是使用磁刺激器等其他信息；上述触控、声控、遥控可同时或单独运作也可以互相配合使用。`
【文档编号】A61N2/04GK103566468SQ201210278931
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月7日 优先权日:2012年8月7日
【发明者】林延龙, 颜诗笃, 罗威验 申请人:林延龙, 颜诗笃, 罗威验