在組織癒合應用中控制聲學模式的製作方法
2023-07-28 11:44:41 1
專利名稱：在組織癒合應用中控制聲學模式的製作方法
技術領域：
本發明涉及處理人體的治療性超聲治療設備，尤其是涉及聲波從換能器傳送到人體的角度控制。
背景技術：
在物理治療學中超聲被用作治療技術已超過45年。這是一個推薦的用於輔助治療的處理技術，可用於治療疼痛、軟組織損傷以及關節功能障礙，包括骨關節炎、關節周炎、滑囊炎、腱鞘炎以及各種肌肉骨骼綜合症。此外，超聲已應用於如加速傷口癒合，透入局部藥物、治療疤痕、治療運動損傷。超聲波的治療生物效應可表徵為熱和非熱兩個方面。非熱效應可以包括聲流、空化效應以及遍布從約0. 05兆赫(兆赫)至約5. 0兆赫廣泛範圍超聲頻率的其他機械效應。信號發生器的電輸出通過換能器轉換成機械振動，換能器通常是由如鋯鈦酸鉛(PZT)，如PMN-PZ-PT那樣單晶弛豫鐵電體或類似壓電材料製成。機械振動產生穿越組織的聲波並被傳播過程吸收。粘滯的吸收率和相關的溫度上升取決於遇到的組織類型的微觀結構性質、聲波頻率、空間-時間的聲強度和組織中的非線性傳播程度。聲波能量的形式可以是一個連續波或脈衝波，這取決於治療應用，並且通常是使用聲學耦合材料如超聲波凝膠、乳液、水凝膠或水從換能器傳送到病人的組織。0. 03至3. 0ff/cm2 (瓦特每平方釐米)的聲波強度通常被用於以脈衝或連續模式的治療，允許治療骨折和急性以及慢性的組織損傷。通常，治療性超聲波療法是利用垂直於皮膚組織界面、產生聲學縱波的壓電換能器實施，聲學縱波在組織中主要以縱波形式傳播到治療區域。如果入射縱波不與壓電換能器/皮膚組織界面垂直，在隨後的軟組織中發生折射的聲波就會以準縱波和準橫波的形式按不同的折射角度傳播。因此，往往很難用目前可得到的超聲治療儀的手段在與被作為目標的組織區域期望成一直線地給病人施以聲波。國際公開的No. WO 03/013654A1教導,可通過用低粘滯損失材料製成梯形橫截面形式的模式轉換器方法控制和提供橫波和縱波給組織。模式轉換器是一個大的橡膠塊，因此在組織表面區域與橡膠塊之間需要超聲耦合凝膠。這樣一塊橡膠的形狀和外觀很難在病人身上定位和約束以容許提供一致的超聲。此外，在相關損傷處放置換能器和橡膠塊需要橡膠塊的中心從骨折處偏移，這對於採用儀器到骨折處的大多數人來說是違反直覺的。對這個橡膠塊的聲學要求是該材料具有高的衰減性，要求高得多的交付給橡膠塊第一面的入射強度，對儀器的電池壽命有相當大的耗費，對其使用性能也如此。雖然國際公開的No. WO 03/013654A1說明了如何使縱波和橫波沿骨表面最大化以加快癒合骨膜，它不認為橫波對涉及組織修復其他過程的重要性。骨膜的直接骨成形是涉及骨折修復的關鍵過程之一，但骨骼和組織癒合不是僅限於這一過程。如果重要的是要提供縱向和橫波以協助特定類型的組織癒合，則確定導致組織以要求的類型癒合的臨界角也是重要的。仍然需要在超聲波到受損組織的方法和系統上進行技術改進。此外，仍然需要適用於臨界角的超聲波的方法和系統，以實現特定類型的組織癒合
發明內容
本發明是一種在組織表面上使用的模式轉換器裝置。該模式轉換器裝置包括基座和以傾斜角連接於隨基座的管狀本體。該管狀本體具有內裡部分、外表部分、近端及遠端。換能器設於管狀本體的內裡部分。蓋帽連接於所述管狀本體的所述遠端，並有一彈簧插入在所述蓋帽和所述換能器之間，該彈簧適用於使所述換能器偏向近端。一個模式轉換器在所述近端設於所述管狀本體的所述內裡部分內，所述模式轉換器適用於將超聲波以預定角度從所述換能器射向組織表面。通過以下的詳細說明將顯見本發明更多的應用領域。應認識到，在說明本發明的優選實施例時給出的詳細描述和具體示例僅是舉例說明，而不是對本發明範圍的限制。
根據詳細的說明和附圖本發明將被更充分地理解，其中圖I是模式轉換器裝置的第一實施例的側向剖視圖；圖2是模式轉換器裝置本體的頂視圖；圖3是圖2所示本體的側視圖；圖4是圖2所示本體的透視圖；圖5是圖2所示本體的側向剖視圖；圖6是縱波和橫波的說明圖；圖7是比較縱波和橫波的曲線圖；圖8是模式轉換器裝置的第二實施例；圖9是模式轉換器裝置的第三實施例；圖10是模式轉換器裝置的第四實施例；以及圖11是模式轉換器裝置的第五實施例。
具體實施例方式以下對優選實施例的描述僅是示範性質的，絕非用來限制發明及其應用或用途。圖1-5說明模式轉換器裝置10，它提供超聲波進入由軟組織和/或骨組成的介質B。該超聲波促進軟組織中傷口的癒合和/或骨折的癒合。模式轉換器裝置10包括蓋帽2、彈簧4、換能器5、底座7、本體8和模式轉換器9。換能器5與信號發生器19電連接,而控制器18控制聲波在模式轉換器9和介質B中的傳播。在所描述的一些實施例中，底座7假定介質B的界面是平的而示出。然而，本領域技術人員當知，底座7可做成在橫波產生可控的介質B上方的位置與介質B的界面相適配。例如，該底座7可彎曲以適合病人的.手臂或.腿，或做成不規則形狀以適合整個不規則表面。在某些實施例中，底座7包含一個穿孔3，如孔洞或狹槽。穿孔3可被用來存放模式轉換器裝置10或附加底座7至介質B。此外，穿孔可作為介質B上定位模式轉換器裝置10的定位器。在圖I至圖5的實施例中底座7有尺寸F、G和K。尺寸F大約為102毫米，尺寸G大約為38毫米和尺寸K大約為I. 5毫米。這樣的實施例在大多數身體表面上面可能會很容易使用和控制，其他尺寸可用於可能需要更小或更大尺寸的模式轉換器裝置10的人體的表面，本體8做成容納換能器5的形狀。 換能器5用超聲應用中通常使用的材料和設計構建。換能器5可以有壓電性能並可由諸如陶瓷材料、單晶弛豫鐵電體、鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈦酸鋇和聚偏氟乙烯壓電共聚物(PVDF)製成。，換能器5也可具有磁致伸縮性能。換能器5產生通過模式轉換器9傳輸進介質B的超聲波。超聲波由換能器5通過信號發生器19接受到的驅動信號產生。彈簧4使換能器5偏向模式轉換器9，以致超聲波從換能器5通過模式轉換器9進入到介質B。在圖I至圖5描繪的實施例中，因為換能器5具有圓形橫截面，故本體8為圓柱狀空心管，但也可使用其他形狀。本體8內裡部分14和外表部分15。在圖I至圖5描繪的實施例中，本體8有內壁12和外壁13，分別界定內裡部分14和外表部分15。本體8的內壁12的尺寸設計成使換能器5能緊密適配在本體8內。內壁12可具有與換能器5的直徑相同或稍大的直徑。例如，內壁12的直徑可以比換能器5的直徑約大0至2毫米。本體8還具有近端16和遠端17。蓋帽2與本體8在遠端17處連接。例如，本體8具有唇部11，使蓋帽2能夠扣到本體8上。此外，彈簧4裝在蓋帽2與換能器5之間以施加壓力並確保換能器5偏向一側。在一些實施例中，彈簧4可裝在蓋帽2上。彈簧4.使換能器5偏向本體8的近端16。本體8相對底座7成斜角A安裝。本體8上有尺寸H和J。在圖I至圖5所描繪的實施例中尺寸H是約33毫米，尺寸J是約31毫米，但可以使用其他尺寸。模式轉換器9可由適合的低衰減材料構成，其中包括(但不限於)熱塑性塑料、熱固性塑料、彈性體及其混合物。有用的熱塑性塑料包括(但不限於)乙烯乙酸乙烯酯，可從USI 公司(c/o PlasticSystems, Marlboro, MA)公司獲得；Ecothane CPC 41,可從 Emerson與 Cumming 公司(Deway and Almay Chemical division, Canton,MA)獲得，以及聚氨酯 PR6400,可從Ren Plastics公司(a Division of Ciba Geigy,Fountain Valley,CA)獲得。有用的熱固性塑料包括(但不限於)環氧樹脂，如Spurr環氧樹脂,可從Ernest F. Fullam公司(Schenectady,NY)獲得，以及Stycast,可從Emerson與Cumming公司獲得。其他熱固性塑料可能包括丙烯酸聚合酯，如正辛酯丙烯酸，正壬酯丙烯酸，或2-乙基戊酯。有用的彈性體包括(但不限於)RTV 60和RTV 90,可從通用電氣公司(Silicon Products Division,Waterford, NY)獲得。其他彈性體可包括天然橡膠、合成橡膠，如充油和過氧化硫化的順丁橡膠，或如聚水凝膠等凝膠墊材料。模式轉換器9安裝在換能器5與介質B之間。模式轉換器9可具有低超聲衰減和與軟組織中的聲速近似的聲速。與介質B接觸的模式轉換器9的底部表面相對於本體8成斜角。模式轉換器9的尺寸E設計成使彈簧4在換能器5上至少施加一些壓力。施加兩個薄層如凝膠、礦物油或水那樣的耦合材料，以確保最大的超聲功率由換能器5傳輸到組織。第一層I施加於換能器5與模式轉換器9之間,第二層6施加於模式轉換器9與介質B之間。模式轉換器9藉助於第一層與換能器5聲稱合,該第一層具有與模式轉換器9相當的聲阻抗，最好是在模式轉換器9聲阻抗的正負百分之十以內。在一些實施例中，模式轉換器9的聲阻抗幾乎與人類軟組織的聲阻抗相同。此外，模式轉換器9最好由縱向速度小於人類骨骼肌肉軟組織及骨組織縱向速度的材料組成。源自換能器5的聲波在空間和時間上由系統控制器18控制。系統控制器18的設計和製造已為本領域技術人員所熟知。該系統控制器18與信號發生器19電連接，而信號發生器19與換能器5電連接。該系統控制器18觸發可編程信號發生器19以產生送往換能器5的超聲波激勵信號。換能器5接收激勵信號並發出聲縱波，該聲縱波通過模式轉換 材料9傳播到介質B。在系統控制器18控制下，換能器5產生特定順序的或同時的聲波傳輸，以用超聲來無創照射或探查介質B。該系統控制器18可以是可編程的微處理器，但也可以包括(但不限於)集成電路，模擬裝置，可編程邏輯器件，個人電腦或伺服器。定時順序可由用戶在任何時間制定或者在製造過程中設立。模式轉換器裝置10可用於執行由每天一次或兩次的超聲劑量且每天重複的達幾個月組成的治療處理方案，以有效促進癒合過程。在一些實施例中，一個聲波劑量為I到60分鐘之間的換能器5的時間長度。模式轉換器裝置10有助於並可的加強對淺或深的或二者兼有的解剖結構治療用超聲劑量的施加，以加快其中包括骨折癒合過程中骨內和骨膜癒合階段的組織傷口癒合，。圖6圖示說明了軟組織與骨之間界面上的入射波IW及由此產生的反射波RW、折射橫波W和折射縱波V。源自換能器5(圖6未示)的超聲波穿越相對於法線成 角的模式轉換器9，並進入如軟組織那樣的第一介質，成為傾斜成 角的入射波IW。這入射波IW繼續通過第一介質直至到達第二介質，如骨骼。在該處，部分入射波IW被第二介質反射成為傾斜O角的反射波RW，部分被折射成為傾斜Y角的橫波W且部分被折射成為傾斜P角的縱波V。因為認為折射橫波W和折射縱波V促進不同類型的癒合，所以重要的是要確定能最大化各自類型波的臨界角。通過確定這些臨界角並比較它們與相應入射波IW的0角，模式轉換器9可構建並設置成實現預定的各特定類型的癒合或它們的組合。圖7圖示說明了一種為所要數量的橫波W(參見圖6)和/或縱波V (參見圖6)而確定模式轉換器角度 的示範性方法。四條曲線包括在圖表中，它們在假設對軟組織、骨骼和模式轉換器的四個不同的材料特性組合下顯示了介質2(骨)中折射波傳播的角度。舉例來說，如果希望只有與界面平行的橫波W，模式轉換的角度 將選擇約為60度。但是，如果希望只有橫波W進入介質，模式轉換器的角度 將選擇約為55度。如果希望橫波W和縱波V結合進入介質，模式轉換器9的角度 將選擇約為35度。然而，由於有關的角度在很大程度上取決於模式轉換器的材料、第二介質的材料，並可能進一步取決於各材料之間的界面幾何形狀，因此圖7僅為示例。假設聲波穿越模式轉換器材料的速度約1390米/秒，縱向聲波穿越第二介質的速度的範圍約3000米/秒至3800米/秒，橫向聲波穿越第二介質的速度範圍約1630米/秒至1890米/秒，實際的臨界角已被確定是從約22至約28度時平行通過第一與第二介質之間界面的縱波V達到最大；從約48至約59度時平行通過該界面的橫波W達到最大；從約36至約41度時平行通過該界面的縱波V與進入第二介質的橫波相結合達到最大。一般來說，獲得縱波的模式轉換器角度是從約9度至約71度，而獲得橫波的模式轉換器角度是從約18度至約76度。圖8說明模式轉換器裝置的第二實施例，一般用附圖標記100表示。模式轉換器裝置100包括換能器110、模式轉換器112和本體114。換能器110和模式轉換器112安裝在本體114上。模式轉換器112在換能器110的表面設有格柵，指引超聲波到預定的方向。可選擇模式轉換器112的格柵型式和格柵間隔來使換能器110發射的縱波被角位移。圖9顯示模式轉換器裝置的第三實施例，通常以附圖標記200表示。模式轉換器裝置200包括壓電元件210、模式轉換器212和本體214。壓電元件210和模式轉換器212裝在本體214內。壓電元件210相對本體214的底部表面安裝成斜角。模式轉換器212使壓電元件210產生的波改變方向。 圖10說明模式轉換器裝置的第四實施例，通常以附圖標記300表示。模式轉換器裝置300包括壓電元件310和模式轉換器312。在此實施例中，模式轉換器312還充當壓電兀件310的殼體或本體。壓電兀件310相對於模式轉換器312的底部表面裝成斜角。模式轉換器312使壓電元件310產生的波改變方向。圖11說明模式轉換器裝置的第五實施例，通常以附圖標記400表示。模式轉換器裝置400包括多個換能器410、412、414、416。換能器410、412、414、416產生相應的波420、422、424、426。一個類似於圖I所示的系統控制器可用來控制各換能器410、412、414、416的接合。這樣，作為一例，該系統控制器可以按順序接合各換能器410、412、414、416來實現總角度的橫波或縱波。通過控制換能器410、412、414、416的順序操作之間的時間延遲，模式轉換器裝置400可實現預定角度的波。因此，模式轉換器裝置400可控制所提供的橫波和/或縱波的量。可對如上所述並參照相應的圖示說明的示範性實施例進行各種修改而不偏離本發明的範圍，所有前述和附圖中的內容應當理解為解釋性的而不是限制性的。因此，本發明的廣度和範圍不局限於任何上述示範性實施例，而只應按照後附的權利要求書及其等同物限定。
權利要求
1.一種用於癒合組織的模式轉換器裝置，該模式轉換器裝置包括 a.配置成從組織表面發射聲波進入組織中的換能器；以及 b.本體，配置成在所述組織表面上安置換能器，以使射進組織的聲波相對於組織表面呈斜角發射，其中所述聲波作為橫波和縱波被傳送以治療該組織的受損部分，且其中所述聲波被在時間上位移，以使射入該組織中的聲波的總和相對於組織表面呈斜角來傳輸。
2.如權利要求I所述的模式轉換器裝置，其中所述換能器是壓電元件。
3.如權利要求I至2中任一項所述的模式轉換器裝置，還包括模式轉換器，所述模式轉換器由具有與軟組織的聲速近似的聲速的材料製成，所述模式轉換器被放置在所述本體內及所述換能器和所述軟組織之間，以使得所述換能器和所述組織表面之間的角度是斜角。
4.如權利要求I至3中任一項所述的模式轉換器裝置，還包括配置成用來使所述換能器偏向所述組織表面的彈簧。
5.如權利要求4所述的模式轉換器裝置，還包括配置成附裝在所述本體上的蓋帽，所述彈簧具有第一端和第二端，所述第一端附連在所述蓋帽上，而所述第二端附連在所述換能器上。
6.如權利要求I至5中任一項所述的模式轉換器裝置，其中所述換能器包含多個聲波發生元件，所述多個聲波發生元件沿所述組織表面的方向布置。
7.如權利要求I至6中任一項所述的模式轉換器裝置，還包括信號發生器，所述信號發生器配置成用來控制所述換能器中產生的聲波。
8.如權利要求I至7中任一項所述的模式轉換器裝置，其中所述斜角在偏離法線約18至71度的範圍。
全文摘要
本發明的名稱是「在組織癒合應用中控制聲學模式」。公開了一種在組織表面上使用的模式轉換器裝置，該模式轉換器裝置包括基座和以傾斜角連接於隨基座的管狀本體。該管狀本體具有內裡部分、外表部分、近端及遠端。換能器設於管狀本體的內裡部分。蓋帽連接於所述管狀本體的所述遠端，並有一彈簧插入在所述蓋帽和所述換能器之間，該彈簧適用於使所述換能器偏向近端。一個模式轉換器在所述近端設於所述管狀本體的所述內裡部分內，所述模式轉換器適用於將超聲波以預定角度從所述換能器射向組織表面。
文檔編號A61N7/00GK102671312SQ201210146149
公開日2012年9月19日 申請日期2007年4月7日 優先權日2006年4月7日
發明者J·德阿納, N·M·龐德, R·A·蔡弗斯 申請人:史密夫和內修有限公司