用超聲波和電磁方法治療組織的裝置和方法

2023-10-06 22:21:09 4

專利名稱：用超聲波和電磁方法治療組織的裝置和方法
本申請對Talish等人於1999年5月20日申請的美國臨時性申請60/135 224號擁有優先權，本文引用該臨時性申請內容供參考。
背景技術：
1.發明領域本發明涉及用超聲波和電磁方法，刺激治療組織-例如，受外傷的組織或骨頭損傷-的裝置和方法。本發明尤其涉及採用一個超聲波傳感器組件，與一個電磁線圈組件結合起來，治療組織的裝置和方法。
2.相關技術的說明在治療學上，利用超聲來治療和判斷組織與骨頭損傷是眾所周知的。已經確定地知道，在適當的時間間隔內在鄰近組織或骨傷的適當的外部位置上，具有相應參數，例如頻率，脈衝重複次數和振幅的超聲波脈衝衝擊，可以加速例如，組織撕裂，骨頭斷裂和破碎的自然癒合。
Duarte的美國專利4530360說明了一種基本的不侵入式的治療方法，和一個安置在鄰近骨傷位置的皮膚上，用於從一個工作表面施加超聲波脈衝的裝置。為了在治療過程中施加超聲波脈衝，操作者必須在治療完成之前，一直用手將施加器保持在規定位置。
Duarte的專利以及Winder等人的美國專利5520612號，說明了用於產生超聲波，超聲波功率密度值的射頻(RF)信號範圍，每一個超聲波脈衝的持續時間範圍和超聲波脈衝的頻率範圍。
Talish等人的美國專利5003965號，涉及一種超聲波人體治療系統，該系統具有一個利用屏蔽的光學纖維線路，與一個遙控裝置連接的人體施加器部件。控制超聲波脈衝持續時間和脈衝重複頻率的信號，是在離開該人體施加器部件以外產生的。Talish等人還說明了一種用於將該人體施加器部件固定在病人身上，使工作表面靠近皮膚位置的安裝夾具。
雖然，在這些專利中說明的系統，涉及通過將超聲波加在受外份的組織上，對硬組織和軟組織損傷及缺陷進行超聲波診斷和/或治療的方法和裝置，但已經證明，如果所加的超聲波聲學信號的包絡線的緩慢地調製或擾動，則該受外傷的組織的痊癒速率較快。所加的超聲波信號包絡線的調製，可以通過將電氣信號的包絡線調製至超聲傳感器上，或者通過利用受控的電磁感應力來調製在人體中的超聲波來進行。
另外，還證明了，在非癒合損傷(non-umion injury)，即骨折不會癒合的情況下，非癒合損傷的電磁刺激(E-stim)治療，在骨頭組織中產生治療響應。一般，E-stim使用至少一個外部線圈，在骨折的地方產生一個治療用的脈衝式的均勻電磁場。例如，二個Helmholtz線圈可以在骨折或受傷的地方，產生一個在組織中的局部磁場之上的恆定均勻的電磁場。
一般認為，E-stim由於所產生的磁通密度促使在骨頭組織內產生離子電荷和該離子電荷的運動，可以促進和加速還聯合損傷的癒合。骨頭組織主要是在細胞間的和空隙的液體中具有各種離子的一種飽和的離子流體多孔介質，該離子為例如鉀離子，鈉離子，鎂離子，氯化物離子，磷酸鹽離子，碳酸鹽離子，碳酸氫鹽離子和由胺基酸、蛋白質、糖、核苷酸和酶分解形成的離子。施加脈衝式電磁場，即受控的靜電力與磁力配合，使得這些離子充電並在一個特定的方向運動。在治療區域的細胞內，這些離子擴散，因而加速了痊癒過程。
根據本專利所述，通過超聲波和E-stim的配合，還可以進一步加速組織，特別是還聯合損傷的癒合。所加的電磁場產生的力，將一個脈動或擾動力(例如，一個低頻調製力)加在傳播中的超聲或壓力波上，以進一步刺激在治療區域內的細胞，並加強細胞的滲透性與離子擴散。當縱向波的方向與電磁場垂直，或者如果橫向(剪切)波沿著磁場磁力線行進時，則電磁場對聲場的影響最大。電磁場可增加超聲波的相速度。相應的磁力可以保持為常數，或以低頻速率調製。
發明概要本發明提供了一個利用超聲波與E-stim的配合，來治療因外傷引起的組織損傷，特別是非癒合的骨折的超聲波和E-stim配合的治療裝置。該裝置包括一個按人機工程原則製造的安置組件，用於安裝具有一個積分信號發生器的至少一個混合式超聲傳感器組件。該積分信號發生器用於將激勵信號送至在該安置組件內的至少一個超聲波傳感器上，產生一個聲場。該安置組件還包括至少一個電磁線圈組件，該電磁線圈組件具有用於產生電磁場的、靠近每一個超聲波傳感器的至少一個電磁線圈。另外，還希望控制和操縱在該安置組件內的元件的時間控制電路以及監視電路系統，均安置在一個主操作部件內。該主操作部件可以裝在由病人佩戴的一個袋內，或整體地放在上述傳感器內。
工作時，該安置組件安置在鄰近病人人體一部分的地方，使得至少一個超聲波傳感器，聲學上與鄰近受外傷的組織和/或軟骨損傷位置連接。通過將一個感應信號送至這些元件，可以激勵該至少一個超聲波傳感器，和至少一個電磁線圈。該感應信號使該至少一個超聲波傳感器，將超聲壓力波衝擊在受外傷的組織和/或損傷處；並使該至少一個電磁線圈，產生具有一定磁通密度的電磁場。感應信號的頻率可在1Hz～10000Hz範圍內變化。上述磁通密度將一個脈動力加在人體內傳播的壓力波上，增加對在損傷部位附近的細胞的刺激，並可增強細胞的滲透性。細胞滲透性的增強，可增加離子對細胞的擴散，例如在不聯合的骨折情況下，為鈣離子的擴散結果，使蛋白質合成增加。蛋白質合成的增加，可加速骨折的癒合和組織的修復。另外，為了得到最優的骨生成刺激，希望能控制平均的磁通密度，感應信號的脈衝重複頻率和脈衝寬度。
最好，該主操作部件具有一個給該超聲波傳感器組件的信號發生器供電的內部電源；一個用於顯示治療順序數據的顯示器；和一個與信號發生器連接，可使使用者操作和/或輸入數據的鍵盤。該信號發生器包括具有一個處理器的電路系統；一個產生脈衝式控制信號的裝置；和一個與該處理器連接、用於調節該脈衝式控制信號的開關。該主操作部件還有一個報警器，用於提醒使用者，治療時間已終止。該報警器與上述處理器連接，當超聲波和E-stim治療完成時，該處理器啟動報警器，並使感應信號停止向安置組件內的元件傳送。
本發明還提供了超聲波和E-stim綜合治療受外傷的組織和軟骨損傷的一種儀器。該儀器包括具有一個超聲波傳感器和信號發生器電路系統的一個超聲波傳感器組件；具有一個電磁線圈和工作電路系統的一個電磁線圈組件；一個安置該超聲波傳感器組件和該電磁線圈組件的安置組件；和一個通過一根電纜，與該安置組件連接的主操作部件(MOU)或控制器。該MOU具有一個內部電源，因此病人可以活動。用於本發明的MOU在Talish等人的美國專利5556372號中作了說明。這裡引入該專利供參考。
本發明還提供了一種超聲波和E-stim配合治療受外傷的組織和/或軟骨損傷的方法。該方法包括下列步驟確定損傷的部位；將包含至少一個超聲波傳感器組件，和至少一個電磁線圈組件的安置組件，放在鄰近損傷的地方，使得該至少一個超聲波傳感器組件的至少一個超聲波傳感器，和該至少一個電磁線圈組件的至少一個電磁線圈，安置在損傷部位附近；啟動該至少一個超聲波傳感器，和該至少一個電磁線圈，以便同時使至少一個超聲壓力波，向著損傷部位傳播，和產生一個電磁場，將一個脈動力加在傳播的壓力波上。
在另一個實施例中，一個安置組件可以固定多種結構的多個超聲波傳感器，和多個電磁線圈。然後，將該安置組件固定在受外傷組織和/或軟骨損傷部位附近，進行超聲波和E-stim治療。
附圖的簡要說明下面，將參照附圖來說明本發明的優選實施例。其中

圖1為佩戴著根據本發明的第一個實施例的、具有一個主要操作部件或控制器，和一個安置組件的一個可攜式超聲波和E-stim治療裝置的病人的透視圖；圖2為準備接收根據本發明的第一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的一個綜合的超聲波和E-stim傳感器頭的、固定在一個模型中的一個插入件的透視圖；圖3為完全安裝在該模型中的圖2所示的傳感器頭的透視圖；圖4為具有帶鎖緊結構的一個蓋的綜合的超聲波和E-stim傳感器頭的另一個實施例的透視圖；圖5A為表示相對於在安置組件內的一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲傳感器的尺寸和位置的，圖2所示的安置組件的頂視圖；圖5B為圖2所示的安置組件的橫截面圖；圖6A為表示相對於在該安置組件內的一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲傳感器的尺寸和位置的、本發明另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的頂視圖6B為圖6A所示的安置組件的橫截面圖；圖7A為表示相對於在安置組件內的一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲傳感器的尺寸和位置的、根據本發明另一個實施例為可攜式超聲和E-stim治療裝置的安置組件的頂部部分剖視圖；圖7B為圖7A所示的安置組件的橫截面圖；圖8為表示相對於在安置組件內的一個十字形電磁線圈的位置的、一個超聲傳感器的位置的、根據本發明另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的橫截面圖；圖9為表示相對於在安置組件內的一個十字形電磁線圈的位置的一個超聲傳感器的位置的、根據本發明另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的橫截面圖；圖10為表示相對於在安置組件內的一個星形電磁線圈的位置的一個超聲傳感器的位置的、根據本發明另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的橫截面圖；圖11A為另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的頂視圖，它表示在該安置組件內，相對於一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲波傳感器的尺寸和位置；圖11B為圖11A所示的安置組件橫截面圖；圖12A為又一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的頂視圖，它表示在該安置組件內，相對於一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲波傳感器的尺寸和位置；圖12B為圖12A所示的安置組件的橫截面圖；圖13A為另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的頂部部分剖視圖，它表示在該安置組件內，相對於一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲波傳感器的尺寸和位置；圖13B為圖13A所示的安置組件的第一個橫截面圖；圖13C為圖13A所示的安置組件的第二個橫截面圖；圖14A為另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的頂視圖，它表示在該安置組件內，相對於一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲波傳感器的尺寸和位置；圖14B為圖14A所示的安置組件的橫截面圖；圖15A為又一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的頂視圖，它表示在該安置組件內，相對於一個電磁線圈的尺寸和位置的一個超聲波傳感器的尺寸和位置；圖15B為圖15A所示的安置組件的橫截面圖；圖16A為具有多個超聲波傳感器和多個電磁線圈的另一個實施例的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的安置組件的頂視圖；圖16B為圖16A所示的安置組件的橫截面圖。
優選實施例的詳細說明現結合附圖來詳細說明本發明的優選實施例。在附圖中，相同的標號表示相同或相似的零件。
本發明的超聲波和E-stim治療裝置和方法，用於在外科中非侵入式地使用高頻的超聲能量和磁通密度，來治療受外傷的組織和/或軟骨(osteochondrial)損傷。雖然，這個詳細說明討論的是治療受外傷的組織和/或軟骨損傷；但該超聲波和E-stim治療裝置可以用來治療例如，由藥物、感染或新陳代謝過程造成的軟骨缺陷。
A.與本文所述的實施例有關的背景信息1.脈衝式低強度超聲激勵超聲波在組織中的傳播，會在微觀結構水平上，將一個單方向的輻射力作用在其傳播路徑中的所有吸收和反射障礙物上。低強度超聲波是指正好超過觸發或喚起一般生物正常反應的生物閾值的功率級。雖然，該超聲波的低強度，對要產生直接可測量的生物效應是太低了，但臨床結果證明，低強度的超聲波對於產生生物癒合過程是足夠的。
自從60年代早期以來，對低強度超聲波的治療有效性後面所包含的特殊的物理和生物的機理，進行了廣泛的研究。對於空間按時間平均的平均強度(Spatial average-temporal average intensities，簡稱SATA)為0.1～0.5W/cm2的情況，根據機理，可以產生不產生熱、並具有高應力的聲流和空穴作用。在玻璃試管內，對孤立的形成纖維組織的細胞(fibroblast cell)進行的試驗表明，超聲波對細胞的作用是對壓力敏感的，這就是穩定的空穴作用機理。最終造成的可能包括微聲流的氣泡振動，可以在細胞膜上產生大的剪切應力。這種剪切應力可以影響鈉離子和鈣離子對細胞的滲透性。細胞滲透性增加可使鈣的吸收增加，並增加蛋白質和DNA在成纖維細胞中的合成，並可引起大噬菌體(macorphage)的活躍。成纖維細胞和大噬菌體的產生是正常骨折修復過程的特徵。
當SATA強度在0.1W/cm2以下時，不大可能產生穩定的空穴作用和微聲流。在玻璃試管中進行的試驗結構顯示，30～50mw/cm2的低的SATA強度，對刺激骨折修復是非常有效的。這些結果支持這樣的論點，即超聲波誘發的機械振動可以增加鈣離子對細胞膜的滲透性。初步的臨床結果顯示，對受外傷的組織採用脈衝式的低強度超聲波，可以增加局部區域的血液流動。增加血管分布和微觀結構的流體壓力，可使細胞對鈣的吸收增加，結果可增加蛋白質的合成，從而加速骨折的癒合和組織的修復。
2.超聲波調製對刺激血管分布的重要性試驗結果表明，對受外傷的組織採用超聲波，可增加血管分布。在治療骨折中，例如，增加對骨痂(callus)的血流，證明對加速骨頭的痊癒是重要的。所述的試驗結果，是利用縱向聲波和恆定的(0Hz)調製波包絡線得到的。現已清楚地知道，骨頭痊癒開始是在骨膜區域發生，接著是在骨折處本身內癒合(骨內膜癒合)。由於超聲波刺激，在骨膜區域中血管的血流增加。一般認為，聲波刺激骨膜的暴露的神經末梢，從而刺激局部的血管血流。最好，聲波是載波頻率為1.5MHz，重複頻率為1.0KHz的恆定包絡線的正弦波。
頻率小於100Hz的緩慢調製的聲波信號包絡線，可能在骨折間隙中和骨膜上對骨的生成更好。已經證明，微小的機械刺激(每天用0.5Hz，刺激17分鐘)可顯著改善脛骨骨折的癒合。這個加速的癒合過程是與促進骨折處血管內血液重新流動相關的。激勵的調製，可以利用受控制的電磁感應力，通過調製送至超聲波傳感器的電氣信號的包絡線，或通過調製人體內的壓力波來進行。
3.低頻電磁激勵在稱為不聯合的骨折不癒合的情況下，最普通的治療是外科手術或電磁刺激(E-stim)。如上所述，E-stim使用一個外部線圈，在骨折部位產生一個治療用的脈衝式電磁場。
4.超聲波和電磁的綜合刺激具體地說，本發明的超聲波和E-stim的綜合治療方法和裝置，相對於時變的、有方向性的不均勻的聲壓波在空間和短暫時間上的產生與控制，形成和控制一個不均勻的、時變的、有方向性的電磁場在空間的分布，以在活組織中產生離子流和電壓。表徵超聲波在組織中傳播的主要物理因素，是影響質點位移的、微觀結構上的超聲波機械式傳播的速度、加速度和壓力。
在本發明的優選實施例中，利用所加的電磁場產生的力，將一個諸如低頻調製力一類的擾動或脈動力，加至在人體中傳播的壓力波上，以增加對在損傷附近的細胞的刺激，和增強細胞的滲透性。細胞滲透性的增強，會增加離子對細胞的擴散，例如在不聯合的骨折情況下，為鈣離子的擴散，同時，也使蛋白質的合成增加。如上所述，蛋白質合成的增加，會加速骨折的癒合和組織的修復。
對傳播的壓力波的低頻擾動，可以通過將電磁線圈安置在相對於傳播的壓力波方向的各種不同的方向上來產生。當縱向壓力波的方向與磁場垂直，或者如果橫向(剪切)波沿著磁場的磁力線進行時，低頻擾動對壓力波的影響最大。在這種情況下，磁場使聲波的相速度增大。通過控制送至電磁線圈的一個感應信號的幅值，可以使相應的磁力保持為常數，或以低頻率進行調製。
考慮磁場對聲波在一種傳導流體，例如軟組織與骨頭的複合體中的傳播的影響。骨頭組織主要是在細胞間和間隙的流體中，具有各種離子的一種離子和流體飽和的多孔介質。這些離子是鉀離子、鈉離子、鎂離子、氯化物離子、磷酸鹽離子、碳酸鹽離子、碳酸氫鹽離子和由胺基酸、蛋白質、糖、核苷酸和酶的離解形成的離子。由靜電力、磁力和聲輻射力的可控制的綜合造成的帶電離子的運動，可以促進和加速組織的癒合。這些物理因素之間的相互關係，可用在一種固體，均一介質中的廣義的聲波方程式來說明。
眾所周知，作用在磁通密度為B的磁場中，以速度v運動的正電荷q上的磁力F，由向量乘積F＝qv×B給出。該向量積給出的F的方向，與古典的Fleming左手法則給出的F的方向相同；並且確認，F與B垂直。如果縱向聲波在磁通方向傳播，則對聲場沒有影響。如上所述，當縱向聲波的方向與磁場垂直，或者如果橫向(剪切)波沿著磁場磁力線行進時，則縱向聲波對聲場的影響最大。
一般，聲波可以相對於磁場磁力線成任意角度行進。當出現這種情況時，所產生的聲波的性質，將明顯地取決於，流體速度是與由K(波的數目)和B確定的平面平行，或是與該平面垂直。如果質點速度與K-B平面垂直，則是聲波的運動將是橫向的，其速度等於Bcos ，式中θ為聲波傳播方向與磁場之間的夾角；ρ為流體密度。如果質點速度向量在k-B平面內，則聲波模式包含橫向波和縱向波二種波。該橫向波和縱向波分別與垂直k-B平面，和平行於k-B平面的質點速度分量相適應。現已查明，只有當一個速度分量在聲波傳播方向上，並且磁場中的擾動總是與k-B平面垂直時，才會產生上述的產生上述的流體密度波動。
B本發明的實施例本發明的各種不同的實施例都包括一個按人機工程原理製造的、具有一條帶或其他固定裝置，用於固定在鄰近病人人體的損傷部分上的安置組件。至少一個超聲波傳感器組件和至少一個電磁線圈組件固定，或安置在該安置組件內；並適當地安置在靠近受外傷的組織和/或軟骨損傷部位處。該至少一個超聲波傳感器組件包括至少一個超聲波傳感器，而該至少一個電磁線圈組件包括至少一個電磁線圈。可以使用不同形式的超聲波傳感器和信號，例如在Winder等人的美國專利5520612號中所述和示意性表示的那種。這裡引入該專利供參考。另外，還可以使用例如在1998年3月17日申請的、序列號為09/040155的美國專利申請中所述的那種超聲波傳感器。這裡引入該專利的內容供參考。
最好，該裝置使用能產生不對稱的、不均勻的時變的磁場的電磁場線圈結構；利用該磁場在組織中進行有選擇的立體刺激。在下述的實施例中，送往上述至少一個超聲波傳感器和至少一個電磁線圈的感應信號的頻率，可在1Hz～10KHz範圍內變化。最好，為了使骨生成的刺激達到最優，在治療不聯合的骨折中，使平均的磁通密度，感應信號的脈衝重複頻率和脈衝寬度可以控制。平均磁通的精確控制意味著要綜合考慮由上述至少一個電磁線圈所產生的外加磁場的磁場，和局部的磁場。後者包括地球的磁場，和在附近的、產生通過組織的附加磁通的鐵磁材料的影響。
該裝置還最好使用一個具有一個內部電源、可以戴在病人身上的可攜式、按人機工程原理製造的主操作部件(MOU)。該內部電源給在上述安置組件中超聲波傳感器和電磁線圈提供控制信號。最好，該電磁線圈產生時變的、不均勻的電磁場。所使用的MOU最好是在Talish等人的美國專利5556 372號中所述的那種。這裡引入該專利的內容供參考。所使用的超聲波傳感器及其相應的電路系統，在序列號為09/040157的美國專利申請中作了說明。這裡引入該專利申請的內容供參考。
圖1表示戴著本發明的可攜式超聲波和E-stim治療裝置第一個實施例的一個病人。用標號10表示的超聲波和E-stim治療裝置包括一個主操作部件(MOU)12，一個安置組件14，和連接MOU12與安置組件14的一根電纜16。MOU 12放在一個袋或攜帶盒體18內，該盒體用一根吊帶20綑紮在病人身上，在治療過程中，使病人可以活動。該安置組件14固定在一個安裝組件22上，安裝組件22有一條安置帶24，用於將該安置組件14安置和固定在治療區域附近。該安置帶24的結構可將該安置組件14牢固地固定在病人身人。在該安置帶24的內表面上，最好襯墊一塊海綿狀材料，以使病人感到舒服和防止肘部浮腫。
參見圖2和圖3，圖中表示本發明的可攜式超聲波和E-stim治療裝置的另一個實施例。圖中所示的一個插入件90，固定在需要超聲波治療的病人手上的一個殼體92內。一個其下端固定在一個強化傳輸(transmission-tnhamcing)的介質上的接片94，從該插入件90伸出。在將超聲波傳感器頭組件96放在插入件90中之後，將一個蓋98放在該插入件90的頂部上面，並調節帶子100，將整體裝置固定就位。該超聲波傳感器頭組件96，與圖1所示的安置組件14相似。該超聲波傳感器裝置可以發送用於治療和/或診斷操作的信號。在該論斷模態下，為了形成圖象和作組織分析，在接收反射回聲時，要對反射回聲數據進行處理。這裡所使用的，用於接收反射的診斷數據的一個裝置包括VS傳感器組件所用的電路系統，或用於處理和/或分析回聲數據的MOU中的軟體。
現參見圖4，圖中表示超聲波和E-stim治療裝置的另一個實施例。圖4中表示了具有鎖緊結構的一個蓋150的透視圖。該蓋150具有二個將該蓋鎖緊在一個插入件中的鎖緊接片154。在該鎖緊接片154上，作出一個突出部分158，與一個插入件的內表面上的一個槽嚙合。在圖中還表示了一個帶有與圖1所示的安置組件14相同的治療頭160的超聲波治療組件。另外，一個圓錐形螺旋彈簧162與該蓋150的下表面連接，使該治療頭160在向著治療部位的方向上偏移。
現參見圖5A～圖7B。圖中表示了圖2(圖5A和圖5B)，圖6A和6B與圖7A和7B所示實施例的安置組件的頂視圖和橫截面圖。這些實施例中的每一個實施例，都有一個超聲波傳感器組件26，和一個電磁線圈組件28。該超聲波傳感器組件26包括至少一個超聲波傳感器30，和包括一個信號發生器(沒有示出)在內的有關的電路系統。該電磁線圈組件28包括至少一個電磁線圈32。如以下所述，對於這些實施例中的每一個實施例，超聲波傳感器30和電磁線圈32的位置是彼此不相同的。另外，在這些實施例中，超聲波傳感器30安置在電磁線圈32的下面，即更接近損傷部位；並且，其直徑比電磁線圈32的直徑小。
這些實施例中的超聲波傳感器組件26和電磁線圈組件28，通過電纜16與上述主操作部件(MOU)12連接。該電纜16最好為能夠傳送較低頻率的射頻(RF)或光學信號，以及數位訊號的多根導體組成的電纜。電纜16可以包括同軸電纜或其他形式的適當的屏蔽電纜。另一種方案是，該電纜16可以包括用於傳送光學信號的光纖電纜。
從上述MOU 12發出的信號，可以連續地或作為一系列的脈衝傳遞。希望送至超聲波傳感器30的信號的電壓幅值是改變的，以便改變傳播的超聲波的傳輸功率。另外，也希望送至電磁線圈32的信號的電壓幅值是改變的，以便改變磁通密度。
參見圖5A和圖5B，電磁線圈32與超聲波傳感器30平行安置。在這種結構中，縱向聲波的傳播方向與磁通的方向相同，因此，這種結構對聲場的影響最小。例如，由於電磁線圈32與水線軸線平行，當電流通至電磁線圈32上時，根據Maxwell方程式，所產生的磁通與電磁線圈32的縱軸線平行。因此，磁通的方向與縱向聲波的傳播方向相同。
在圖6A和圖6B中，電磁線圈32相對於上述安置組件14的水平軸線，成一個角度θ安置。在這種結構中，縱向聲波相對於磁通方向，成同一個角度θ傳播；因此，這種結構對聲場有顯著的影響。
在圖7A和圖7B中，電磁線圈32安置在超聲波傳感器30的橫向。在這種結構中，縱向聲波在磁通方向的橫向傳播，因此，這種結構對聲場的影響最大。
現參見圖8～圖10。圖中表示了本發明的又一個實施例的橫截面圖。這些實施例中的每一個實施例，都有安置在一個安置組件40內的一個超聲波傳感器組件36，和一個電磁線圈組件38。該超聲波傳感器組件36包括一個超聲波傳感器42，和包括一個信號發生器(沒有示出)在內的有關電路系統。該電磁線圈組件38包括一個十字形的電磁線圈44，或星形的電磁線圈46。如以下所述，在這些實施例的每一個實施例中，該超聲波傳感器42和電磁線圈44與46的位置，是彼此不同的。另外，在這些實施例中，超聲波傳感器42安置在電磁線圈44和46的下面，即更接近損傷部位；並且，其直徑比電磁線圈44和46的直徑大。十字形的電磁線圈44具有第一個線圈48和第二個線圈50。星形電磁線圈46具有第一個線圈52，第二個線圈54和第三個線圈56。
該超聲波傳感器組件36和電磁線圈組件38，通過電纜16與和圖1所示的MOU 12或圖2所示的MOU 110相同的一個MOU(沒有示出)連接。通過電纜16傳送至上述安置組件40內的元件上的信號，可以連續地，或作為一系列脈衝傳送。
參見圖8，十字形電磁線圈44的第一個線圈48和第二個線圈50彼此垂直，並相對於安置組件40的縱軸線，成一個銳角θ安置。在這個結構中，在第一個線圈48的橫向產生一個磁通，並在第二個線圈50的橫向產生另一個磁通。由於二個線圈48和50互相垂直，並相對於安置組件40的縱軸線成一個角度θ；因此，由超聲波傳感器42傳播的縱向聲波，受到由第一個線圈48產生的第一個磁通，和由第二個線圈50產生的第二個磁通的調製或擾動。如上所述，由第一個和第二個磁通調製的聲波，刺激和增強細胞的滲透性，與離子在受外傷組織或軟骨損傷部位內的擴散，從而可加速其癒合。
在圖9中，十字形的電磁線圈44的第一個線圈48和第二個線圈50互相垂直，但相對於安置組件40的縱軸線成直角θ安置。在這種結構中，在第一個線圈48的橫向產生一個磁通，並在第二個線圈50的橫向產生另一個磁通。由於二個線圈48和50互相垂直，和相對於安置組件40的縱軸線成直角θ；因此，由超聲波傳感器42傳播的縱向聲波，被第一個線圈48產生的第一個磁通輕微地調製或擾動；而被第二個線圈50產生的第二個磁通大大地調製。因此，通過改變電磁線圈組件44在安置組件40內的位置，可以控制聲波的調製量，達到最優的骨生成刺激。希望在使用上述裝置進行超聲波和E-stim治療過程中，驅動第一個線圈48和第二個線圈50的電路系統不同，以便交替地產生第一個磁通和第二個磁通。
如圖10所示，星形電磁線圈46的第一、第二和第三個線圈52、54和56彼此成一個銳角θ安置；而且，如果線圈52、54和56中的一個線圈，與安置組件40的縱軸線垂直，則該三個線圈相對於安置組件40的縱軸線的夾角θ相同。在這種結構中，在第一個線圈52的橫向，產生第一個磁通；在第二個線圈54的橫向，產生第二個磁通；和在第三個線圈56的橫向，產生第三個磁通。通過控制三個線圈52、54和56的方向，可以控制第一、第二和第三個磁通的方向，以改變由超聲波傳感器42傳播的聲波的調製量。
參見圖11A～圖15B，圖中表示了安置組件60的變型的各種頂視圖和橫截面圖。所有這些變型都有一個超聲波傳感器組件26，和一個電磁線圈組件28。該超聲波傳感器組件26包括一個超聲波傳感器30，和包括一個信號發生器(沒有示出)在內的有關電路系統。該電磁線圈組件28包括一個電磁線圈32。如以下所述，對於圖11A～圖15B所示的每一種變型，超聲波傳感器30和電磁線圈32的位置彼此不相同。另外，在圖11A～圖15B所示的變型中超聲波傳感器30安置在電磁線圈32的下面，即更接近操作部位。
電磁線圈組件28和超聲波傳感器組件26，都分別單獨地通過電纜62和64，與主操作部件(MOU)(沒有示出)連接。該MOU可與圖1所示的實施例中的MOU 12相同，或者與圖2所示的實施例中的MOU110相同。電纜62和64最好為能夠傳送較低頻的射頻(RF)或光學信號，以及數位訊號的多根導體組成的電纜。電纜62和64可以包括同軸電纜，或其他形式的適當的屏蔽電纜。另一種方案是，該電纜62和64可以包括用於傳送光學信號的光纖電纜。信號可以連續地，或作為一系列的脈衝傳送。另外，相對於這些實施例，由於超聲波傳感器組件和電磁線圈組件，不象在其他實施例中那樣，由相同的電纜供電；因此，信號可以在不同時間和變化的周期內傳送，用於在彼此不同的時間，驅動超聲波傳感器組件和電磁線圈組件。
參見圖11A和圖11B，電磁線圈32放在位於安置組件60頂部的一個殼體66中。在該安置組件60內，電磁線圈32與超聲波傳感器30平行。在這種結構中，縱向聲波的傳播方向與磁通方向相同；因此，這種結構對聲場的影響最小。例如，由於電磁線圈32與水平軸線平行，當將電流送至電磁線圈32時，根據Maxwell方程，所產生的磁通與電磁線圈32的縱軸線平行。因此，磁通的方向與縱向聲波的傳播方向相同。
在圖12A和圖12B中，電磁線圈32安置在殼體66內，並相對於安置組件60的水平軸線成一個角度θ。在這種結構中，縱向聲波相對於磁通方向成同一角度θ傳播；因此，這種結構對聲場有顯著影響。
在圖13A～13C中，電磁線圈32放在殼體66內，並在超聲波傳感器30的橫向。在這種結構中，縱向聲波在磁通方向的橫向傳播；因此，這種結構對聲揚的影響最大。
圖14A和圖14B表示電磁線圈32包圍在安置組件60周圍。在安置組件60內，包圍著該安置組件的電磁線圈32，是與超聲波傳感器30平行的。在這種結構中，縱向聲波的傳播方向與磁通方向相同；因此，這種結構對聲場的影響最小。例如，由於電磁線圈32與水平軸線平行，當將電流通至電磁線圈32時，根據Maxwell方程，所產生的磁通與電磁線圈32的縱軸線平行。這樣，磁通的方向與縱向聲波的傳播方向相同。
在圖15A和圖15B中，電磁線圈32與安置組件60的水平軸線成一個角度θ，包圍在殼體66的周圍。在這種結構中，縱向聲波相對於磁通方向，成同一個角度θ傳播；因此，這種結構對聲場有顯著影響。
圖16A和圖16B表示與圖2所示的安置組件14相同的二個安置組件70；該二個安置組件固定在一條安置帶72上。二個安置組件70中的每一個組件，都裝著一個具有一個超聲波傳感器76的超聲波傳感器組件74；和具有一個電磁線圈80的一個電磁線圈組件78。另外一個電磁線圈組件78安置在該二個安置組件70之間。這種結構在脊椎骨修復和椎骨間融合過程中是特別有利的；因為這時超聲波和電磁的能量都集中在修復和融合部位上。上述二個安置組件70和另外一個電磁線圈組件78，彼此成一個角度θ的安置；並且分別由與MOU 12或MOU 110相同的一個MOU(沒有示出)連接的相應的電纜84、86和88供電。希望上述安置帶72是用撓性材料製造的，這樣不使該安置帶72安置成多種形狀。
在使用時，該安置帶72固定在受外傷的組織或軟骨操作部位的附近。然後，使超聲波傳感器76和電磁線圈80起動工作一段預先確定的時間，以便使調製的聲波衝擊在損傷部位上。如以上針對幾個實施例所述那樣，希望電磁線圈80能安置在各種不同的位置，以控制聲波調製的量。另外，還希望在不同的時間，和以變化的周期來單獨地驅動超聲波傳感器76和電磁線圈80。
另外，還希望利用適當的導電的塑料-例如帶有碳纖維、不鏽鋼纖維、鎳纖維或鋁纖維的導電的ABS塑料-來製造該安置帶72。這樣，可以不需要使用導線來使每一個超聲波傳感器組件和電磁線圈組件，與特定的電纜連接。在這個實施例中，使用該導電的安置帶，通過單一一根電纜，使超聲波傳感器組件和電磁線圈組件，與一個MOU電氣上連接起來。
另外，還可設想使本發明的每一個實施例，成為超聲波和E-stim配合治療受外傷的組織和軟骨損傷的一種儀器。該儀器包括具有超聲波傳感器和信號發生器電路系統的超聲波傳感器組件；具有電磁線圈和工作電路系統的電磁線圈組件；用於安置該超聲波傳感器組件和電磁線圈組件的安置組件；和與安置組件連接的主操作部件(MOU)。
對於這裡所述的所有實施例，為了防止超聲波的減弱，希望在實施例的安置組件，和病人人體的損傷部分之間，安置一種傳導超聲波的凝膠體。另外，還希望將一個或多個傳感器轉換為可以接收僅治療部位反射回來的診斷數據。這就可以實時地評估損傷部位和癒合過程。
在美國專利5556372號的圖6和圖6A中，表示了超聲波傳感器組件電路系統的第一和第二個優選實施例的方框圖。這裡引入該專利的內容供參考。
應當理解，在不偏離本發明的精神和範圍的條件下，可對本發明的各個實施例作各種不同的改進。例如，可對安置組件的結構和超聲波傳感器組件與電磁線圈組件的結構作各種改進。因此，以上的說明不應看作是對發明的限制，而只是本發明的一些優選實施例。技術熟練的人還可在以下的權利要求書規定的本發明的範圍和精神內，作其他的改進。
權利要求
1.一種用於對治療區域進行超聲波和電磁刺激的治療裝置，所述裝置包括具有至少一個超聲波傳感器的至少一個超聲波傳感器組件；具有至少一個與所述至少一個超聲波傳感器組件按操作關係相聯的電磁線圈的至少一個電磁線圈組件；一個由病人佩戴的安置組件，所述安置組件的結構可以容納所述至少一個超聲波傳感器組件和所述至少一個電磁線圈組件，使得當佩戴所述安置組件時，所述至少一個超聲波傳感器和至少一個電磁線圈的位置，可將能量集中在所述治療區域上；和一個主操作部件，它用於將至少一個驅動信號提供給所述至少一個超聲波傳感器組件，以便驅動所述至少一個超聲波傳感器和所述至少一個電磁線圈，以對所述治療區域產生超聲波和電磁刺激。
2.如權利要求1所述的治療裝置，其特徵為，所述主操作部件通過第一電纜，與所述至少一個超聲波傳感器組件連接，並通過第二電纜，與所述至少一個電磁線圈組件連接；以便在不同的時刻和以變化的周期，將所述至少一個驅動信號提供給所述至少一個超聲波傳感器組件和所述至少一個電磁線圈組件。
3.如權利要求1所述的治療裝置，其特徵為，所述至少一個電磁線圈的相對於所述至少一個超聲波傳感器的水平軸線，以角度θ安置，該0≤θ≤90°。
4.如權利要求1所述的治療裝置，其特徵為，所述至少一個電磁線圈被包圍在所述安置組件周圍。
5.如權利要求1所述的治療裝置，其特徵為，當所述安置組件安置在所述治療區域附近時，所述至少一個超聲波傳感器，比所述至少一個電磁線圈，更靠近所述治療區域安置。
6.如權利要求1所述的治療裝置，其特徵為，所述安置組件由導電材料構成，所述至少一個超聲波傳感器和所述至少一個電磁線圈，通過所述導電材料，與所述主操作部件電連接。
7.如權利要求1所述的治療裝置，其特徵為，所述至少一個超聲波傳感器包括用於接收反射回來的診斷數據的裝置。
8.如權利要求1所述的治療裝置，其特徵為，所述至少一個電磁線圈產生一個不均勻的電磁場。
9.一種用超聲波和電磁方法治療組織的方法，該方法包括下列步驟提供一個具有內部電源的主操作部件，該主操作部件與至少一個超聲波傳感器組件和至少一個電磁線圈組件連接，所述至少一個超聲波傳感器組件包括至少一個超聲波傳感器，所述至少一個電磁線圈組件包括至少一個電磁線圈；提供一個可以容納所述至少一個超聲波傳感器組件和所述至少一個電磁線圈組件的安置組件，使得當所述安置組件固定在病人身上時，所述至少一個超聲波傳感器和所述至少一個電磁線圈的位置，可將能量集中在所述治療區域上；激勵所述至少一個超聲波傳感器，使超聲波衝擊所述治療區域；和激勵所述至少一個電磁線圈，以產生一個電磁場。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵為，通過從所述主操作部件發送一個控制信號，可同時完成激勵所述至少一個超聲波傳感器和至少一個電磁線圈的步驟。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵為，通過從所述主操作部件發送至少一個第一控制信號，去激勵所述至少一個超聲波傳感器，以傳播超聲波並通過發送至少一個第二控制信號，去激勵所述至少一個電磁線圈，以產生磁場磁力線，可獨立地完成激勵所述至少一個超聲波傳感器和至少一個電磁線圈的步驟。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括改變所述第一控制信號的幅值，以改變所述被傳送的超聲波的傳輸功率的步驟。
13.如權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括改變所述第二控制信號的幅值，以改變磁場磁力線的磁力強度的步驟。
14.如權利要求9所述的方法，其特徵在於還包括使所述至少一個電磁線圈相對於所述至少一個超聲波傳感器的水平軸線成一個角度θ安置的步驟。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵為，0≤θ≤90°。
16.如權利要求9所述的方法，其特徵在於還包括由所述至少一個超聲波傳感器接收反射回來的診斷數據的步驟。
17.如權利要求9所述的方法，其特徵在於還包括將所述主操作部件固定在一個攜帶殼體內，使病人在治療過程中可以活動的步驟。
18.如權利要求9所述的方法，其特徵為激勵所述至少一個電磁線圈的步驟產生一個不均勻的電磁場。
19.一種用超聲波和電磁的方法治療組織的方法，該方法包括下列步驟將至少一個超聲波傳感器固定在一條安置帶上，將至少一個電磁線圈固定在所述安置帶上；將該安置帶固定在病人身上，使所述至少一個超聲波傳感器處在所述治療區域的附近；激勵所述至少一個超聲波傳感器，使超聲波衝擊所述治療區域；和激勵所述至少一個電磁線圈，以產生一個調製力，來調製所述的超聲波。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於還包括使所述至少一個超聲波傳感器和所述至少一個電磁線圈跟一個操作部件連接的步驟，所述操作部件具有一個內部電源。
21.如權利要求19所述的方法，其特徵在於還包括由所述至少一個超聲波傳感器接收反射回來的診斷數據的步驟。
22.如權利要求19所述的方法，其特徵在於還包括使所述至少一個電磁線圈，相對於所述至少一個超聲波傳感器的水平軸線成一角度的定向的步驟；其中0≤θ≤90°。
23.如權利要求17所述的方法，其特徵為，激勵所述至少一個電磁線圈的步驟產生一個不均勻的調製力。
24.一種用於給一個治療區域提供超聲波和電磁刺激的裝置，所述裝置包括一個用於使壓力波向著所述治療區域傳播的裝置；一個用於產生調製所述壓力波的電磁場的裝置；和一個控制裝置，用於控制產生裝置來改變所述壓力波的調製量並用於在相應的時間啟動所述壓力波傳播裝置與所述產生電磁場的裝置。
25.如權利要求24所述的裝置，其特徵為，所述產生裝置產生一個不均勻的電磁場。
全文摘要
本發明涉及用超聲波和電磁方法來治療組織,例如治療受外傷的組織或骨頭損傷的裝置和方法。該裝置包括與安置在治療區域附近的一個安置組件共同工作的至少一個超聲波傳感器組件(26)和至少一個電磁線圈組件(28)。該裝置還使用裝於戴在病人身上的一個袋或攜帶殼體內的可攜式主操作部件。工作時,通過將從該主操作部件發出的控制信號,傳送給該安置組件,可啟動至少一個超聲波傳感器和至少一個電磁線圈。該至少一個超聲波傳感器的啟動,可使超聲波向治療區域傳播,而該超聲波則由該至少一個電磁線圈產生的靜電力和磁力調製。該至少一個超聲波傳感器和至少一個電磁線圈的啟動,可以同時進行,或在不同的時間以變化的周期進行。
文檔編號A61N2/02GK1361706SQ00810673
公開日2002年7月31日 申請日期2000年5月18日 優先權日1999年5月21日
發明者R·J·塔利斯, A·A·溫德 申請人:伊愛克斯奧根公司