ES2329127T3 - Sistema de terapia por estimulacion mediante campos electromagneticos pulsantes con corriente de bobina bifasica. - Google Patents

Abstract

Dispositivo (18) para aplicar terapia de campo electromagnético pulsante (PEMF) a tejidos, que comprende: como mínimo, una bobina de transductor (10; 12; 20; 36; 92; 150) que puede funcionar como bobina primaria para llevar una corriente de activación bidireccional y para generar un campo electromagnético como respuesta a una señal de activación eléctrica; una envolvente (30) de la bobina que tiene sustancialmente la misma forma que la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150); un cuerpo envolvente de los circuitos eléctricos fijado a la envolvente de la bobina; y circuitos eléctricos contenidos dentro del cuerpo envolvente para generar la señal de activación eléctrica pulsante, caracterizado porque los circuitos eléctricos pueden funcionar para proporcionar secuencialmente corriente de activación a través de la bobina de transductor en una primera dirección positiva y una segunda dirección negativa para reducir pérdidas de energía, en el que la, como mínimo, una bobina de transductor (10; 12; 20; 36; 42; 150) comprende un conductor impreso directamente sobre un sustrato flexible.

Description

Sistema de terapia por estimulación mediante campos electromagnéticos pulsantes con corriente de bobina bifásica.

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere, de modo general, a una terapia de campo electromagnético pulsante (PEMF) que favorece la curación de huesos del esqueleto y otros tejidos óseos y más particularmente se refiere a un sistema PEMF que tiene un transductor de bobina única de alto rendimiento para proporcionar estimulación terapéutica PEMF a una zona objetivo del cuerpo del paciente.

Antecedentes de la invención

Los campos electromagnéticos pulsantes (PEMF) para problemas del sistema musculoesquelético que resisten los tratamientos terapéuticos son, de manera típica, campos magnéticos de baja energía, que varían a lo largo del tiempo. Se ha utilizado terapia PEMF para tratar fracturas óseas sin unión y fracturas óseas con unión retardada. Las fracturas óseas sin unión se definen, de manera típica, como heridas que no se han curado satisfactoriamente dentro de un periodo de nueve meses o más, después del trauma que provocó la herida. Las fracturas de unión retardada se consideran de manera típica heridas que no se han curado satisfactoriamente dentro de los nueve meses o menos después del trauma que provocó la herida. La terapia PEMF ha sido utilizada también para el tratamiento de tipos correspondientes de heridas de tejidos blandos del cuerpo.

La terapia PEMF ha sido utilizada satisfactoriamente en el tratamiento de fusión espinal, artrodesis insuficiente, osteonecrosis y tendinitis refractaria crónica, úlceras de decubito y heridas de ligamientos, tendones, osteoporosis y pie de Charcot. Durante la terapia PEMF se coloca, en general, una bobina transductora electromagnética en las proximidades de la herida musculoesquelética (a la que se hace referencia en algunos casos como "área objetivo"), de manera que la pulsación de la bobina del transductor produce un campo aplicado o campo de activación que penetra en el hueso u otros tejidos dañados situados por debajo.

Los transductores de PEMF conocidos en la actualidad utilizan una cantidad sustancial de energía. Para atender dicha utilización de energía, los productos conocidos en la actualidad pueden utilizar un conjunto de baterías recargables, tales como una batería de níquel cadmio o una batería de hidruro de níquel. Los conjuntos de baterías recargables son onerosos, pesados, y deben ser transportados por el paciente. Muchos sistemas de terapia PEMF actualmente existentes deben ser recargados frecuentemente, lo que incrementa el coste y los inconvenientes de la utilización de dichos sistemas de terapia PEMF.

El peso de muchos estimuladores de crecimiento óseo PEMF es en general proporcional a las dimensiones de las baterías utilizadas para activar los circuitos eléctricos y también por los arrollamientos utilizados para generar la señal de salida. La comodidad del paciente en la utilización de estos dispositivos es, de manera frecuente, inversamente proporcional al peso. Reducir las dimensiones y peso de la batería ayudará a reducir el peso y coste de dicho equipo y mejorará la comodidad del paciente.

Recientemente, se han utilizado equipos basados en ultrasonidos para acelerar la curación de los tejidos del cuerpo. También se puede utilizar terapia por ultrasonidos para el tratamiento de fracturas sin unión y fracturas con unión retrasada.

El documento USA 5314401 da a conocer un transductor PEMF conformable utilizado para terapia PEMF que comprende las características de la primera parte de la reivindicación 1.

Características de la invención

La presente invención se ha definido en la reivindicación 1.

Diferentes aspectos de la invención están dirigidos a un sistema de terapia PEMF que tiene una bobina transductora para generar una señal PEMF. El sistema de terapia PEMF incluye un circuito de activación para recuperar la energía de retorno procedente de la bobina del transductor y aplicar un voltaje igual a una magnitud predeterminada, tal como cuatro veces el voltaje de la batería, para permitir el secuenciado de la corriente a través de la bobina al transductor, tanto en una primera dirección positiva como en una segunda dirección negativa. Los mismos conceptos pueden ser aplicados a bobinas conectadas en serie.

La invención elimina la necesidad de una bobina secundaria para recuperar energía y, por lo tanto, reduce el peso global y el consumo de potencia. La energía de retorno del transductor es aplicada a un circuito de capacitancia de recuperación de energía que proporciona un voltaje de energía recuperada. Este voltaje se encuentra a disposición para suministrar corriente durante la fase de activación del ciclo de activación/recuperación del transductor. Al tener un voltaje de recuperación aproximadamente igual a cuatro veces el voltaje de la batería disponible, la corriente, a través de la bobina al transductor, puede ser secuenciada fundamentalmente de la misma manera en que se procede con un circuito de puente completo o medio puente para ir en ambas direcciones. Por lo tanto, para una intensidad determinada de campo magnético (intensidad de la señal de salida PEMF), la corriente máxima o corriente pico puede ser reducida a la mitad, resultando esto en un factor de reducción de cuatro en pérdida de I^{2}R (energía). El circuito de activación, en vez de utilizar un circuito de alimentación separado con amplificador de voltaje, utiliza su propio impulso de retorno para proporcionar el voltaje de recuperación. La recuperación de energía sin bobina secundaria es asimismo más eficaz porque no hay las pérdidas por acoplamiento que aparecen con una bobina secundaria (es decir, no hay inductancia de fugas). Además, una bobina transductora que incorpora las mejoras de la presente invención presenta ventajas técnicas por ser más simple y menos costosa de fabricar.

Por ejemplo, la bobina de transductor utilizada para generar el PEMF deseado, puede tener un número menor de arrollamientos. Por lo tanto, hay menos conexiones eléctricas. Esto hace el dispositivo PEMF resultante más fiable y simultáneamente con un mayor rendimiento energético.

Otra ventaja de la invención es que la utilización de una bobina única reduce suficientemente las dimensiones y el peso del dispositivo de manera que resulta práctico localizar su electrónica de activación en un cuerpo de pequeñas dimensiones próximo a la bobina. No se requieren cables o conexiones de interconexión para conectar la electrónica de activación con la bobina o arrollamiento primario.

Otra ventaja es que se minimizan las pérdidas de calor de la bobina y que el conductor puede ser más pequeño. Esto ayuda adicionalmente a hacer el transductor PEMF resultante más ligero y económico de fabricar. El resultado final es, por lo tanto, un sistema de terapia PEMF más cómodo y menos costoso.

Dado que el transductor PEMF tiene mayor eficiencia energética, es posible utilizar una batería más pequeña, más ligera, no recargable. La presente invención puede utilizar, por ejemplo, una batería comercial de nueve voltios de litio o una batería alcalina no recargable.

Una realización específica de la invención es una realización que puede funcionar para señales de activación de alta frecuencia. Todas las señales generadas por el dispositivo transductor PEMF son de alto rendimiento, pero las señales de frecuencia más elevada son más eficaces. La presente invención puede generar, utilizando una entrada de frecuencia más elevada, una señal más eficaz en cuanto a la energía.

Breve descripción de los dibujos

Para mejor comprensión de la presente invención y de las ventajas de la misma, se hará referencia a la siguiente descripción que se tiene que interpretar conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los que los numerales de referencia indican iguales características y en los que:

Las figuras 1 a 3 muestran varios ejemplos distintos del sistema de terapia PEMF formado de acuerdo con la presente invención;

La figura 4 es una unidad de lectura que puede ser utilizada para mostrar y registrar la utilización de la presente invención por un usuario;

Las figura 5A, 5B y 6 muestran un transductor de terapia de estimulación PEMF, a título de ejemplo, y el control y la electrónica de activación asociados conformados de acuerdo con la presente invención;

La figura 7 es un modelo de arrollamiento, a título de ejemplo, para el circuito de bobina de transductor PEMF de la presente invención;

La figura 8 es un diagrama de bloques esquemático de la electrónica de control y de la electrónica de activación para el sistema transductor PEMF de la presente invención;

La figura 9 muestra un ejemplo de la forma de onda que genera la bobina del transductor de la presente invención;

La figura 10 muestra un diagrama esquemático del circuito de detección de interrupción de la bobina de la presente invención;

La figura 11 muestra un diagrama de señal en forma de tren de ondas de la lógica de entrada de la presente invención;

La figura 12 muestra una tabla de parámetros típicos para una señal de salida de "baja frecuencia";

La figura 13 muestra un sistema de terapia PEMF, que incorpora materia de la presente invención, especialmente adecuada para la curación de fracturas óseas recientes y de tejidos blandos;

La figura 14 es un diagrama de bloques esquemático de la electrónica de control y de la electrónica de activación para bobinas conectadas en serie; y

La figura 15 muestra un sistema de terapia PEMF formado con bobinas conectadas en serie.

Descripción detallada de realizaciones ilustrativas

En las figuras se han mostrado realizaciones preferentes de la presente invención en las que los numerales iguales hacen referencia a partes iguales y correspondientes de los diferentes dibujos. Esta descripción detallada de realizaciones ilustrativas de un sistema de terapia PEMF está organizada de la siguiente forma:

1. Sistema de terapia PEMF y transductor;

2. Diseño de transductor PEMF y construcción;

3. Electrónica de control y de activación;

4. Funcionamiento con señal de activación de alta frecuencia

5. Estimulación de tejidos blandos; y

6. Bobinas conectadas en serie

7. Conclusión.

1. Sistema de estimulación terapéutica PEMF y transductor

La presente invención da a conocer un sistema de terapia PEMF que tiene un transductor PEMF que consume menos energía, es más ligero y es más fácil de utilizar que otros sistemas PEMF anteriores. Un sistema de terapia PEMF que incorpora la materia de la presente invención puede ser utilizado satisfactoriamente para tratar daños en huesos, tales como fracturas sin unión, fracturas con unión retardada y fracturas recientes. El sistema de terapia PEMF puede ser utilizado también de forma satisfactoria para tratar daños en otros tipos de tejidos corporales, además de tejido óseo. A los efectos de esta descripción, tanto los tejidos óseos como otros tejidos corporales se describen, de manera general, como "tejido", si bien en la utilización de estos términos en la invención en la solicitud USA nº de serie 08/742,512 (en la actualidad patente USA nº 5 743 844) son equivalentes "hueso" y "tejido".

Tal como se explica más adelante, todas las realizaciones de la invención utilizan un transductor (20) que tiene una bobina única. La bobina funciona en un proceso "bifásico" en el que la corriente pasa por la misma en dos direcciones. La corriente fluye en una primera dirección para activar la bobina. A continuación, la corriente pasa en una segunda dirección como respuesta a la energía almacenada perdida por la corriente en la primera dirección. Con la técnica bifásica, la corriente fluye en dirección positiva desde cero a una dirección negativa. El resultado es que la magnitud del voltaje positivo, resultado de la corriente y, por lo tanto, las pérdidas de energía, disminuyen sustancialmente. Para el mismo cambio en la corriente, pasando de un valor negativo a un valor positivo, tiene lugar aproximadamente una reducción de energía de cuatro veces.

Las figuras 1-3 muestran realizaciones, a título de ejemplo, de la invención configurada para proporcionar terapia de estimulación PEMF para el hombro, las manos, la cadera o esencialmente cualquier otra estructura ósea del cuerpo para ayudar en los objetivos de curación, tales como reparación ósea. El sistema transductor PEMF que utiliza la presente invención puede estar constituido y contorneado anatómicamente para el hombro, la muñeca, la cadera u otras áreas del sistema del esqueleto.

La figura 1, en particular, muestra un transductor PEMF (10) de constitución triangular que está configurado anatómicamente para proporcionar terapia de estimulación PEMF al área del hombro. Es decir, un lado es curvado para acoplarse sobre la parte superior del hombro, de manera que áreas angulares correspondientes quedan dispuestas por delante y por detrás del hombro con los otros lados curvados dirigidos hacia abajo a lo largo del antebrazo. El transductor del hombro es una unidad integral que incluye electrónica de activación y electrónica de control que puede ser mantenido en su lugar mediante una banda corporal.

La figura 2 muestra la colocación de un dispositivo de terapia por estimulación PEMF que comprende un transductor de estimulación PEMF (12), de acuerdo con la presente invención, pero de dimensiones y forma que se adaptan mejor a la muñeca del paciente o a otra extremidad. Los circuitos de activación del transductor PEMF y la electrónica de control están realizados, preferentemente, como parte integral del transductor de estimulación PEMF (12).

La figura 3 muestra otra realización de la presente invención en forma de dispositivo de terapia por estimulación PEMF en forma de cinturón (18) que el paciente puede llevar alrededor de la cintura, con el transductor PEMF (20) dispuesto sobre la zona de la cadera. La electrónica de activación y el circuito de control forman, también en este caso, parte integral del dispositivo (18) de terapia de estimulación PEMF.

La figura 4 muestra una unidad de lectura (22) que puede ser utilizada para visualizar y registrar el funcionamiento de la presente invención por parte de un paciente. La presente invención puede incluir, por lo tanto, una memoria ampliada y un interfaz (24) incorporado a una impresora para proporcionar la capacidad de correlacionar la utilización del paciente con el avance deseado de la curación y proporcionar resultados mediante una impresora de papel (26). El sistema de la presente realización, por ejemplo, puede almacenar meses de datos de funcionamiento para desarrollar datos de correlación importantes, pudiendo imprimir dichos datos utilizando la impresora (26) sobre papel. De manera alternativa, los datos pueden ser descargados a un ordenador utilizando circuitos I/O adecuados.

2. Diseño y construcción del transductor PEMF

Las figuras 5a, 5b y 6 muestran la construcción de una bobina de transductor PEMF y de la electrónica asociada que puede ser, por ejemplo, la del dispositivo PEMF (18) de la figura 3. Tal como muestra la figura 6, el transductor PEMF (20) puede tener una sección transversal sustancialmente plana que es resultado de su construcción de arrollado de forma plana. El transductor PEMF (20) es semirrígido, para mantener un contorno y forma deseado, pero puede ser curvado por el paciente o por el cuidador profesional para adaptarlo o para alterarlo de acuerdo con el contorno anatómico. El transductor PEMF (20) tiene un arrollamiento (bobina) arrollado de forma plana PEMF que puede ser encapsulado en una envolvente de un material elastómero plastificado (tal como poliuretano) con el grado deseado de rigidez.

El transductor PEMF comprende una bobina PEMF que facilita las señales de estimulación PEMF y una electrónica de activación que ayuda a adaptar el funcionamiento del transductor PEMF (20). La electrónica de activación (28) está montada en un panel de circuito y encapsulada en una envolvente de plástico (30) que recubre el extremo de la bobina PEMF (36). El panel de circuito que lleva la electrónica de activación (28) está acoplado al arrollamiento PEMF de la bobina de transductor PEMF (36), saliendo los cables de arrollamiento del haz de la bobina (36) del transductor PEMF en las zonas (32) y (34).

El módulo de control electrónico (28) forma parte integral del dispositivo PEMF (18) y comprende un procesador de señales PEMF para proporcionar una corriente pulsante al transductor PEMF (20) a intervalos predeterminados, activando, de esta manera, la señal de estimulación PEMF de acuerdo con un régimen PEMF prescrito y preprogramado.

Para implementar un programa de terapia de estimulación PEMF el profesional de la salud determina el régimen de estimulación PEMF de la parte del cuerpo afectada. El régimen de terapia PEMF prescrito es traducido en un programa PEMF, que es programado en una memoria PEMF en el módulo (28) de electrónica de control durante la fabricación o posteriormente.

Para su utilización por el paciente, el transductor PEMF (20) puede ser situado en una bolsa Velfoam® u otro recubrimiento suave utilizando preferentemente dispositivos de fijación Velcro del dispositivo (18) de estimulación PEMF, por ejemplo. Tal como se ha indicado en lo anterior, la envolvente semirrígida del transductor PEMF es suficientemente flexible para permitir que el paciente o el cuidador de la salud profesional ajuste su contorno anatómico. Esta disposición se basa en un soporte suave pero semirrígido del dispositivo (18) de terapia por estimulación PEMF con el transductor PEMF (20) contorneado alrededor de la parte afectada del cuerpo. Una vez que el dispositivo (18) de terapia de estimulación PEMF se encuentra en su lugar, el paciente empieza el programa PEMF conectando el módulo electrónico de control (28).

De acuerdo con el programa de terapia PEMF almacenado, el procesador PEMF controla, de manera correspondiente, la corriente de activación suministrada al transductor PEMF (20), controlando, de esta manera, las señales de estimulación PEMF en términos de tiempo de activación, tiempo de desactivación y ciclo de servicio o tasa de repetición. Además de controlar la terapia PEMF, el procesador PEMF contiene datos de tratamiento que se encuentran a disposición a petición del paciente (a través de una pequeña pantalla) y del profesional del cuidado de la salud (con intermedio de un puerto I/O) a efectos de control y análisis.

La figura 7 es una vista en sección del transductor PEMF (20) que comprende los arrollamientos PEMF (40) y (42) y (44) rodeados por arrollamientos estructurales opcionales (46) y (48) y encapsulados en una envolvente semirrígida (30).

Como realización a título de ejemplo, el transductor PEMF (20) comprende dos arrollamientos paralelos PEMF de unas 7 vueltas cada uno de ellos. Para los arrollamientos PEMF se puede utilizar cable conductor de medida (18). Las dimensiones aproximadas del haz del arrollamiento son 1,9 por 0,3 cm (0,75 por 0,12 pulgadas), mientras que las dimensiones aproximadas de la envolvente son 3,8 por 0,8 cm (1,50 por 0,31 pulgadas).

El material del arrollamiento es un conductor de tipo comercial. La envolvente (30) puede ser un material de elastómero de tipo poliuretano, también disponible comercialmente. Otros materiales para la envolvente (30) pueden ser utilizados para proporcionar diferentes grados de rigidez transductor-envolvente, proporcionando, de esta manera, diferentes características de rigidez.

Los arrollamiento PEMF son arrollados simultáneamente en una máquina de arrollar alrededor de un mandrino plano de forma apropiada para el transductor. Los arrollamientos PEMF son mantenidos en posición de arrollamiento plano, tal como se ha mostrado en la figura 7, mediante placas laterales paralelas. Una vez efectuado el arrollamiento, los extremos inicial y final de cada arrollamiento son cortados para proporcionar conductores para el acoplamiento de la electrónica de activación, y el conjunto del arrollamiento, haz de arrollamiento, mandrino y placas laterales, es retirado de la máquina de arrollar. El mandrino comprende ranuras. Un adhesivo, de manera típica, un adhesivo curable por UV es colocado sobre la bobina por intermedios de las ranuras del mandrino. A continuación, el conjunto del mandrino completo es situado dentro de una cámara de luz UV para el curado de la unidad. El haz de arrollamiento es una unidad flexible, unida.

A continuación, el panel de circuito (no mostrado) con la electrónica de activación (18) es posicionado, de acuerdo con la configuración específica deseada, sobre el transductor PEMF (20) y puede ser fijado por una serie de mecanismos, por ejemplo, cinta adhesiva, una grapa o una envolvente de tipo "valvas" o mitades articuladas ("clam-shell") realizada en plástico u otro material. Los conductores del arrollamiento del transductor y los conductores de un cable son fijados al panel de la electrónica de activación, por ejemplo, por soldadura.

El haz de arrollamiento para el transductor PEMF (20) puede ser colocado en un molde. A continuación, el elastómero de poliuretano es moldeado con la bobina en su lugar. Esto permite moldear separadamente un espacio en el poliuretano, el elastómero termoplástico o material PVC, de manera que el molde puede ser colocado por encima y encapsular el arrollamiento. En una realización, un elastómero de poliuretano de dos componentes puede ser moldeado separadamente o puede ser realizado a base de un material moldeable por inyección, tal como PVC o Santoprene® (que es un elastómero termoplástico). Por lo tanto, en contraste al moldeo del transductor (20) PEMF en su lugar, el molde es conformado separadamente y el transductor PEMF (20) es acoplado al molde.

Finalmente, después de colocar el transductor PEMF (20) dentro de la envolvente moldeada, se puede colocar un refuerzo sobre el transductor PEMF (20) que es también de plástico flexible, tal como Kydex® u otro plástico flexible laminar, y el transductor PEMF (20) es encolado o encajado a presión en su lugar. A continuación, el transductor PEMF puede ser introducido dentro de un dispositivo de conformación para su curvado, adoptando el contorno anatómico deseado. De manera alternativa, el transductor PEMF (20) puede ser recubierto con una envolvente de Velfoam® o de neopreno para su arrollamiento alrededor de una muñeca o codo, tal como en la realización de la figura 2.

En otra realización adicional, se puede utilizar una configuración de Metglas® para bobinas de núcleo que forman el transductor PEMF (20). La configuración de Metglas® utiliza un soporte de núcleo que es una envolvente de plástico esencialmente plana similar a las utilizadas para el embalaje de un videocasete, pero es algo más delgada. El material conocido como Metglas® es un material de ferrita flexible, que tiene una elevada permeabilidad, tiene la capacidad de almacenar energía magnética. Esto permite que el Metglas® sirva como material de núcleo para el transductor PEMF (20), tal como el utilizado para la realización de la figura 2. El material Metglas® puede ser conformado como núcleo para el transductor PEMF (20) en otras formas de transductor.

El material Metglas® puede ser colocado en un soporte de núcleo de polietileno que puede ser, a continuación, cerrado por encaje. A continuación, la estructura montada puede ser colocada en una máquina de arrollar que funciona tal como lo hace un torno en una mordaza en cada extremo. La máquina gira para arrollar el arrollamiento único longitudinalmente con respecto al soporte de núcleo. El soporte de núcleo es esencialmente rectangular en este momento. El soporte de núcleo es retirado, a continuación, de la máquina de arrollar y es curvado bajo la acción del calor para constituir una forma de "U" o de herradura. A continuación, el soporte del núcleo está recubierto con un Velfoam® u otro material, tal como neopreno, para formar una funda sobre el soporte de núcleo. A continuación, se puede colocar un soporte de abrazadera de plástico que contiene los circuitos electrónicos de control y de activación en cualquiera de los extremos. También se puede utilizar otras realizaciones que consiguen los objetivos de la presente invención.

3. Electrónica de control y de activación

La figura 8 es un diagrama de bloques esquemático de la electrónica de control y la electrónica de activación de la presente invención, que están situados físicamente, de forma respectiva en el módulo de control electrónico (28) y encapsulado con la envolvente (30) del transductor PEMF (20). La electrónica de control (60) comprende un condensador PEMF (62) con componentes de circuito integrado asociados: una memoria de programa interno PEMF (66), una memoria de datos y un circuito de reloj de tiempo real (68). El procesador PEMF (62) está acoplado a estos componentes por el bus de direcciones (74) y el bus de datos (76). Un programa PEMF puede ser cargado en el microcontrolador EPROM u otra memoria, y puede ser instalado en forma de memoria de programa PEMF (66). Alternativamente, el programa PEMF puede ser leído a la memoria de programa PEMF con intermedio del puerto I/O (78). Los datos recogidos durante la ejecución de los parámetros del programa PEMF programable, tales como tiempo, momento de paro, duración y promedio diario, se almacenan en la memoria de datos (68) y pueden ser leídos por una impresora (con intermedio de un enlace de comunicaciones) a través del puerto I/O (78).

El procesador PEMF (62) controla el amplificador (80) de activación del transductor. El amplificador de activación de la bobina controla la activación y desactivación del transductor PEMF (20). El circuito (82) de detección de rotura de la bobina detecta los campos magnéticos resultantes y proporciona una señal apropiada al procesador PEMF (62). El procesador PEMF (62) recibe potencia de una fuente de alimentación, tal como una batería (84) de litio de 9 voltios o batería alcalina, por ejemplo, con intermedio de un regulador (86) de conmutación de voltaje (que proporciona también una potencia de +5 voltios a los otros componentes del circuito integrado).

El procesador PEMF (62) y los chips lógicos CMOS de circuito integrado de soporte funcionan convencionalmente y se encuentran a disposición comercialmente. Para la realización a título de ejemplo, el procesador PEMF (62) puede ser un procesador Motorola 68HC11. La memoria de datos y el circuito integrado (68) de reloj en tiempo real es un dispositivo Dallas Semiconductor Corporation utilizada para almacenar datos representativos con respecto a la utilización por parte del paciente del sistema PEMF basándose en el reloj y calendario mantenidos internamente.

Tal como se explica más adelante en relación con la figura 11, el programa PEMF envía un par de señales de control, cada una de las cuales comprende una serie de impulsos. Las dos señales tienen sus impulsos desplazados, de manera que un impulso de una señal tiene un valor alto cuando el impulso de la otra señal tiene un valor bajo. Estas señales de control alternantes controlan la electrónica de activación, de manera que conmuta la corriente en marcha y el paro en los momentos apropiados para proporcionar el funcionamiento del transductor bifásico deseado.

Una característica de las señales de control es que al inicio de uno de los trenes de impulsos, el primer impulso es más corto que los otros impulsos del mismo tren de impulsos. Por lo tanto, por ejemplo, si el primer tren de impulsos tiene impulsos con tiempos de 65 microsegundos activo y 195 microsegundos inactivo, entonces el primer impulso del primer tren de impulsos es de 32,5 microsegundos. El primer impulso corto ajusta el campo magnético para la señal de terapia de estimulación PEMF en la bobina de arrollamiento único. Al poner en marcha los circuitos de activación para medio impulso, tiene lugar la activación del campo magnético para ajustar el campo magnético PEMF alejado de cero. Entonces, el siguiente impulso, en el otro tren de impulsos, está activado durante 195 segundos. Esto ajusta la corriente de manera que la energía de retorno de activación pasa a dirección negativa. Esto provoca que la corriente fluya desde una dirección inicial negativa. Entonces, la corriente aumenta pasando por cero y se incrementa desde un número negativo pasando por cero a un número positivo durante el impulso. Dado que la corriente cambia en el inductor que forma el transductor PEMF, se induce un campo eléctrico constante.

La electrónica de activación (90) controla la activación de la bobina (36) del transductor PEMF y la generación de las señales de terapia de estimulación PEMF. La figura 8 representa la bobina (36) del transductor PEMF por el arrollamiento (92) PEMF. La electrónica de activación (90) comprende el conmutador FET (96) que efectúa la conexión entre el circuito (82) de detección de interrupción de la bobina y el arrollamiento (92) PEMF y el conmutador FET (98) que efectúa la conexión entre la capacidad (100) y el arrollamiento PEMF (92). La capacidad (100), la resistencia (102) y el diodo zener en paralelo (104) controlan el funcionamiento del conmutador FET (98). Los conmutadores FET (96) y (98) controlan la señal de estimulación PEMF que sale del arrollamiento PEMF (92).

En la inicialización, el conmutador FET (96) es conectado por el amplificador de activación (80) de la bobina para presentar el voltaje de la batería a través del arrollamiento PEMF (92) durante un periodo de la mitad de un impulso normal que, de manera típica, tiene 65 microsegundos. La corriente de activación procedente de la batería (84), por lo tanto, fluye a través del arrollamiento PEMF (92) para generar las señales de salida del transductor PEMF (20). Cuando el conmutador FET (96) se desconecta, el conmutador FET (98) se conecta cargando la capacidad (100) a un voltaje igual a cuatro veces el voltaje de la batería. Esto provoca que el transductor se descargue en dirección opuesta durante el periodo de desconexión para el conmutador FET (96). Por lo tanto, la recuperación de energía tiene lugar sin una bobina secundaria, a diferencia de lo que ocurre con los sistemas conocidos y además es más eficaz. La razón de ello es que no hay las pérdidas de acoplamiento que existen con el arrollamiento secundario. Dado que el voltaje de recuperación es de cuatro veces el voltaje disponible de la batería, el circuito de activación (90) permite el secuenciado de la corriente a través del arrollamiento PEMF (92) para que fluya en ambas direcciones. Por lo tanto, para una determinada intensidad de campo magnético, la corriente máxima puede ser reducida a la mitad. Esto tiene como resultado un factor de reducción de cuatro en las pérdidas por I^{2}R, siendo I la corriente instantánea de la bobina y R la resistencia del arrollamiento de la bobina. Estos son los tipos de pérdidas que existirían con la utilización de un arrollamiento secundario. Con la realización preferente de la invención, el voltaje v_{x4} puede ser conseguido utilizando el impulso de retorno procedente del arrollamiento PEMF (92) en vez de requerir un circuito separado de amplificación del voltaje. Al equilibrar la capacidad de los condensadores (100a) y (100b) es posible eliminar la necesidad de un circuito de alimentación de voltaje separado con factor 4.

En el ejemplo de la figura 8, el circuito (100) de capacitancia de restablecimiento de la energía está formado por dos series de condensadores conectados (100a) y (100b). Su relación de capacitancia es, como mínimo, de 1:3, y en el ejemplo de esta descripción es de 1:10 (en microfaradios). Se podrían utilizar otras varias configuraciones de condensador para el circuito (100) de capacitancia de recuperación de energía, como característica común de proporcionar el voltaje de restablecimiento de energía deseado, en este caso V_{x4}. Por ejemplo, el circuito (100) de capacitancia de restablecimiento de la energía podría estar formado por una capacidad y circuitos reguladores del voltaje.

El circuito (82) de detección de interrupción de la bobina detecta los campos electromagnéticos generados durante la activación del transductor PEMF y proporciona realimentación al microcontrolador PEMF (62) para supervisar el funcionamiento del dispositivo de estimulación PEMF, por ejemplo, el microcontrolador PEMF (62) provoca el almacenamiento de datos de supervisión apropiados en memoria de datos y en reloj de tiempo real (68), e iniciará una señal de alarma en el caso de funcionamiento defectuoso.

La figura 9 muestra un ejemplo de la forma de onda que genera la bobina del transductor de la presente invención. Se debe observar que el voltaje elevado es de una tercera parte de la duración y tres veces la magnitud del voltaje bajo. La figura 9 muestra la salida de la señal de estimulación PEMF desde el arrollamiento PEMF (92), que incluye una parte de impulso (I) seguida de la parte de impulso (II). La parte de impulso (I) tiene una duración aproximada de 65 microsegundos. La parte de impulso (II) tiene una duración aproximada de 195 microsegundos. El nivel de voltaje para la parte de impulso (I) es aproximadamente tres veces el nivel de voltaje para la parte (II). Las áreas de las partes (I) y (II) son, por lo tanto, aproximadamente equivalentes. Tal como se explica más adelante, los periodos de impulso (260 microsegundos) y la frecuencia de impulsos (3,84 Kilo hercios) de la señal enviada son la respuesta a las señales de control pulsantes.

La figura 10 muestra una realización del sistema de la figura 8 que utiliza un circuito digital del circuito (82) de detección de interrupción de la bobina que detecta un estado de fallo de campo en el dispositivo de terapia de estimulación PEMF de la presente invención. El circuito digital (110) comprende el "flip-flop" o basculador (111) de activación/reposición ("set/reset") O1 que recibe el impulso superior (112) y el impulso inferior (114) a la salida Q, salida (116) y salida/Q (118). La salida/Q (118) pasa al flip-flop U2 (120) y controla el funcionamiento del conmutador S1 (122). La salida Q (116) controla el funcionamiento del conmutador S2 (124). La salida Q (125) procedente del flip-flop U2 (120) pasa al flip-flop U3 (126) como señal de reloj. El conmutador S1 (122) controla si el COIL_LO del arrollamiento de campo L1 (128) pasa a V_{x4}, mientras que el conmutador S2 (124) deriva COIL_LO desde el arrollamiento de campo (128) a masa. El conductor COIL_HI proporciona la alimentación del voltaje V al arrollamiento de campo L1 (128).

El conductor (132) entre el conmutador S1 (122) y el conmutador S2 (124) se conecta a la resistencia R2 (134) y al diodo D1 (142), que recibe el voltaje de alimentación V desde la resistencia R1 (138). El flip-flop U3 (126) recibe en su entrada D (143) la salida de la resistencia R1 (138). La salida Q (144) procedente del flip-flop U3 (126) pasa a la puerta U4 NAND (146) para generar una salida de sentido.

En su funcionamiento, el circuito digital (110) tiene elementos del circuito de activación incluyendo el flip-flop U1 (111), el conmutador S1 (122), el conmutador S2 (124) y el arrollamiento L1 de campo (128). El voltaje V_{x4} es cuatro veces el voltaje V, midiéndose ambos con respecto a masa. Las señales SUPERIOR e INFERIOR consisten en trenes de impulsos separados por un periodo entre trenes, tal como se ha mostrado en la figura 11. Estas dos señales son esencialmente no solapadas asegurando el funcionamiento estable del flip-flop de activación/reposición (111).

Las salidas Q y /Q del flip-flop U1 (111) de activación/reposición son de estado en oposición y son también esencialmente no solapadas, asegurando que el conmutador S1 (122) y el conmutador S2 (124) no son nunca conductores simultáneamente.

Los componentes del circuito de detección de interrupción de la bobina del circuito digital (110) comprenden el flip-flop U2 (120), el flip-flop U3 (126), la puerta U4 NAND (146), el diodo D1 (142), la resistencia R1 (138) y la resistencia R2 (134). La señal COIL_LO con el arrollamiento de campo L1 (128) en su lugar, es tal como se ha mostrado en la figura 11. Durante el tren de impulso, el COIL_LO transiciona entre V_{x4} y masa.

Durante el periodo entre trenes, tanto el conmutador S1 (122) como el conmutador S2 (124), están abiertos. En condiciones operativas normales, el arrollamiento de campo L1 (128) llevará el nivel de señal COIL_LO al voltaje de suministro V. Si tuviera lugar una interrupción en la bobina, la señal COIL_LO será llevada a masa por la resistencia R2 (134).

La resistencia R1 (138), la resistencia R2 (134) y el diodo D1 (142) traducen la señal COIL_LO a niveles apropiados a las entradas del flip-flop U3 (126) y de la puerta U4 NAND (146). La proporción de la resistencia R1 (138) con respecto a la resistencia R2 (134) se selecciona para conseguir un nivel lógico "0" en las entradas del flip-flop U3 (126) y de la puerta U4 NAND (146) en caso de que tuviera lugar una interrupción en el arrollamiento de campo L1 (128).

La salida del flip-flop U2 (120) es un impulso único que tiene lugar al inicio de un tren de impulsos, empezando con el primer impulso de SUPERIOR y terminando en el segundo impulso de SUPERIOR. El borde ascendente de la salida del flip-flop U2 (120) tiene lugar antes del primer borde ascendente de COIL_LO debido al retraso de tiempo relativamente corto asociado con el flip-flop U2 (120) con respecto al conmutador S1 (122) y el conmutador S2 (124). La salida de impulsos de conversión de U2 es alimentada a U3 que convierte el voltaje entre trenes. Si el voltaje entre trenes es igual a V, la salida Q (144) del flip-flop U3 (126) será dispuesta al nivel lógico "1" hasta el siguiente impulso de conversión, posibilitando, por lo tanto, la salida del inverso de la señal COIL_LO hacia el procesador como señal SENTIDO.

Si el voltaje entre trenes de impulsos se encuentra a nivel de masa, debido a una interrupción en L1, la salida de U3 se ajustará a un nivel lógico "0", desactivando la salida del inverso de la señal COIL_LO al procesador.

Un cortocircuito a través de los terminales de la bobina, provocará que la señal COIL_LO quede asociada a V. La salida del flip-flop U3 (126) será un nivel lógico "1", por lo tanto, la salida de la puerta U4 NAND (146) será un nivel lógico "0" en vez de la señal de tren de señales que el microcontrolador PEMF (62) espera normalmente. Esto indica la existencia de un estado de fallo de campo al microcontrolador PEMF (62).

El conectar alternativamente el terminal COIL_HI o COIL_LO a masa creará esencialmente un cortocircuito de corriente continua (CC) de la potencia en la unidad y una pérdida de potencia.

La figura 11 muestra un diagrama de la señal de tren de ondas lógico de la presente invención que muestra, en mayor detalle, la relación de duración entre las señales superior e inferior lógicas. En cada señal de tren lógico existe una serie de impulsos, siendo la duración de cada impulso superior solamente un tercio de la duración del impulso inferior. También se pueden utilizar otros parámetros.

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La figura 12 muestra una tabla de parámetros, exigencias, unidades y símbolos que corresponde al diagrama de la figura 11. En la tabla de la figura 12 el periodo de tren de señales es de 670 milisegundos, durante el cual una primera amplitud de impulso es de 33 microsegundos. Después de ello, la amplitud del impulso superior es de 65 microsegundos. La amplitud del impulso inferior es de 195 microsegundos. El periodo de impulso es de 260 microsegundos para una frecuencia de impulsos de 3,84 kilohercios. Para el ejemplo de la figura 12, que produce la entrada que muestra la figura 11, existen 99 impulsos por cada tren. La presente invención puede utilizar también otros parámetros de temporización para conseguir las señales PEMF deseadas y la operación de recuperación de energía asociada.

4. Funcionamiento con señal de activación de alta frecuencia

Tal como se ha indicado en lo anterior, la utilización de una única bobina primaria tiene como resultado un mayor rendimiento del transductor (20) en comparación con los diseños que utilizan más de una bobina. Para la señal de salida PEMF descrita en lo anterior, el circuito de capacidad de recuperación de energía (100) proporciona un voltaje de recuperación de energía de cuatro veces el voltaje fuente proporcionado por la batería (84). Tal como se ha explicado en lo anterior, tanto el voltaje fuente (V) como el voltaje de recuperación de energía (V_{4x}), son menores que los voltajes requeridos para los diseños anteriores. Por esta razón, las exigencias para el circuito de capacidad (100) se rebajan también.

Una característica del transductor (20) es que su rendimiento aumenta en función de la frecuencia de la señal de activación. Por lo tanto, las señales de control de alta frecuencia pueden ser utilizadas para reducir adicionalmente las exigencias de energía del transductor (20).

Haciendo referencia nuevamente a la figura 11, son ejemplos de amplitudes de impulsos de alta frecuencia para los estados MARCHA/PARO (ON/OFF) de las señales de control, 4 microsegundos y 12 microsegundos, para un periodo de impulso de 16 microsegundos. La proporción MARCHA/PARO de los impulsos son las mismas (3:1 y 1:3), igual que la duración del tren de impulsos y del intervalo entre impulsos. Por lo tanto, la señal de control tiene el mismo periodo de tren de impulsos y, por lo tanto, la misma salida neta de estimulación PEMF. El periodo de impulso de 16 microsegundos proporciona a una frecuencia de la señal de salida de 62,5 kilohercios en comparación con la frecuencia de 3,84 kilohercios del periodo de impulso de 260 microsegundos. En general, un periodo de impulso del orden de 10 microsegundos se considera de "alta frecuencia" para los objetivos de la presente invención. Haciendo referencia nuevamente a la figura 9, en cuanto a la modalidad de funcionamiento de alta frecuencia, la señal de salida tendría un periodo de impulso y una frecuencia de impulsos que corresponden a la de las señales de activación.

Para las señales de activación en alta frecuencia, se puede utilizar el mismo circuito de capacidad (100) de recuperación de energía. No obstante, dado que la señal de alta frecuencia es más eficaz en términos de energía utilizada por el inductor (92), las capacitancias de los condensadores (100a) y (100b) pueden ser más bajas. Por ejemplo, en el caso en que la frecuencia es más elevada por un factor de 15, la capacitancia se puede reducir teóricamente en un factor de 15. En la práctica, otras consideraciones de circuito harán algo menor la reducción de capacitancia real.

5. Estimulación de crecimiento de tejidos blandos

Dada su eficacia desde el punto de vista de energía, el transductor (20) se puede hacer más pequeño y más ligero que los estimuladores PEMF existentes. Estas características aumentan la versatilidad del transductor (10). Se pueden configurar diferentes cuerpos envolventes del transductor para la estimulación de crecimiento de tejidos y también para la estimulación de crecimiento óseo. Ambos dispositivos de estimulación de crecimiento pueden ser configurados para fracturas recientes y también para fracturas de unión retardada y fracturas sin unión. Se pueden incorporar dispositivos compactos y de peso reducido en enyesados, vendajes, o se puede aplicar directamente a zonas anatómicas que serían difíciles de tratar con un dispositivo voluminoso y pesado.

Además del menor tamaño de las baterías, menor tamaño de la bobina y menores capacitancias, el cableado de la bobina tiene menores exigencias. Tal como se ha explicado en lo anterior, el mayor rendimiento del transductor (20) crea un campo electromagnético deseado con una magnitud de corriente disminuida. La menor carga de corriente a través de la bobina al transductor permite que el cableado de la bobina de realizaciones anteriores pueda ser sustituido por circuitos aplicados sobre un sustrato flexible. Por ejemplo, la bobina puede ser fabricada mediante técnicas similares a las utilizadas para los paneles de circuito impreso.

La figura 13 es una representación esquemática de un sistema de terapia PEMF de "bobina flexible", de acuerdo con una realización de la presente invención. El transductor PEMF (20) comprende la bobina del transductor (36) y la electrónica de activación asociada (28), igual que en realizaciones anteriores. En la realización que se ha mostrado, la bobina de transductor (36) comprende cableado impreso directamente sobre un sustrato flexible (180). Por ejemplo, mediante técnicas de impresión de cableado conocidas en general en esta técnica, se podría efectuar la impresión del conductor que constituye la bobina del transductor (36) sobre un sustrato de MYLAR. El circuito de activación (28) podría ser encapsulado también sobre el sustrato flexible (180) o podría quedar contenido en un cuerpo envolvente de plástico que puede funcionar acoplándose sobre el sustrato flexible (180).

Por ejemplo, una bobina flexible (36) podría ser colocada por debajo de un hueso fracturado o integrada en un enyesado para dicha fractura. De manera similar, una bobina flexible (36) puede ser utilizada juntamente con vendaje para una herida de la piel.

Un transductor (20) con una bobina flexible (36) y utilizado con un enyesado o vendaje, podría ser adicionalmente reforzado mediante una aleta (130) de marcha/paro de tipo especial "de tracción". El usuario simplemente tiraría de la aleta para activar el procesador (62) y empezar el funcionamiento del circuito de activación (90). La utilización de la aleta de tracción (130) permitiría integrar toda la electrónica de control (60) y los circuitos de activación (90) en el enyesado o vendaje.

6. Bobinas conectadas en serie

La figura 14 muestra una realización alternativa de la electrónica de activación (90) en la que el transductor (20) está formado por dos bobinas inductoras (92) en serie. Las bobinas (92) son activadas y, a continuación, desactivadas en la misma forma bifásica que se ha descrito en lo anterior para las realizaciones de bobina única. La corriente discurre en una dirección a través de ambas bobinas (92) y, a continuación, se invierte y discurre en la otra dirección a través de ambas bobinas. De este modo, las dos bobinas (92) llevan la misma corriente en una fase determinada de las señales de activación y se elimina la necesidad de bobinas "secundarias" por el circuito de recuperación de energía (100). Los mismos conceptos podrían ser aplicados a cualquier número de bobinas conectadas en serie.

La figura 15 muestra una aplicación de un transductor (150) que tiene bobinas conectadas en serie (92). El transductor (150) es utilizado para tratar heridas en la columna vertebral. El transductor (150) es colocado en una tela u otro material suave que puede ser arrollado alrededor de la cintura del paciente. Una de las bobinas (92) queda situada contra la espalda del paciente y otra contra el abdomen del mismo. Por ejemplo, una bobina (92) podría ser centrada alrededor de la zona lumbar y la otra alrededor del ombligo.

El transductor (150) puede ser utilizado en cualquiera de las aplicaciones anteriormente descritas. Por ejemplo, puede ser encajado en un cuerpo envolvente semirrígido. O puede ser impreso sobre un sustrato flexible, tal como es el caso en el ejemplo de la figura 15.

Claims (12)

1. Dispositivo (18) para aplicar terapia de campo electromagnético pulsante (PEMF) a tejidos, que comprende:

como mínimo, una bobina de transductor (10; 12; 20; 36; 92; 150) que puede funcionar como bobina primaria para llevar una corriente de activación bidireccional y para generar un campo electromagnético como respuesta a una señal de activación eléctrica;

una envolvente (30) de la bobina que tiene sustancialmente la misma forma que la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150);

un cuerpo envolvente de los circuitos eléctricos fijado a la envolvente de la bobina; y

circuitos eléctricos contenidos dentro del cuerpo envolvente para generar la señal de activación eléctrica pulsante,

caracterizado porque los circuitos eléctricos pueden funcionar para proporcionar secuencialmente corriente de activación a través de la bobina de transductor en una primera dirección positiva y una segunda dirección negativa para reducir pérdidas de energía, en el que la, como mínimo, una bobina de transductor (10; 12; 20; 36; 42; 150) comprende un conductor impreso directamente sobre un sustrato flexible.

2. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la, como mínimo, una bobina de transductor (10; 12; 20; 36; 92; 150) tiene una forma general de bucle triangular.

3. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la, como mínimo, una bobina de transductor (10; 12; 20; 36; 92; 150) tiene una forma general de bucle ovalado.

4. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la envolvente de la bobina (30) está realizada a partir de un material deformable que tiene características tales que la envolvente (30) de la bobina puede adoptar la forma deseada como reacción a la presión y mantener la forma cuando se libera la presión y en el que la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150) es suficientemente flexible para permitir la forma deseada.

5. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que el cuerpo envolvente es adyacente a la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150) y la envolvente (30) de la bobina, de manera tal que la forma del dispositivo (18) es sustancialmente la misma que la envolvente de la bobina.

6. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que:

la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150) comprende un primer material flexible que tiene una primera propiedad flexible, de manera tal que puede ser dispuesto en una curvatura deseada como reacción a la aplicación deseada y manteniendo la curvatura cuando se libera la presión; y

la envolvente (30) de la bobina rodea la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150), estando realizada la envolvente (30) de la bobina a partir de un segundo material flexible que tiene una segunda característica flexible, de manera tal que la envolvente de la bobina permite la curvatura deseada.

7. Dispositivo (18) según la reivindicación 6, en el que el dispositivo (18) comprende un dispositivo de tipo banda.

8. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150) está realizada a partir de un primer material que tiene una primera característica flexible y la envolvente (30) de la bobina está realizada a partir de un segundo material que tiene una segunda característica flexible.

9. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la bobina tiene un único conjunto de arrollamientos de bobina primaria (40, 42, 44).

10. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la bobina tiene múltiples conjuntos de arrollamientos primarios conectados en serie (40, 42, 44).

11. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150) tiene múltiples conjuntos de arrollamientos primarios conectados en paralelo (40, 42, 44).

12. Dispositivo (18) según la reivindicación 1, en el que la bobina (10; 12; 20; 36; 92; 150) tiene múltiples juegos de arrollamientos primarios de bobina conectados en paralelo (40, 42, 44).