專利名稱：在組織愈合應(yīng)用中控制聲學(xué)模式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理人體的治療性超聲治療設(shè)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(shù)：
在物理治療學(xué)中超聲被用作治療技術(shù)已超過45年。這是一個(gè)推薦的用于輔助治療的處理技術(shù)，可用于治療疼痛、軟組織損傷以及關(guān)節(jié)功能障礙，包括骨關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)周炎、滑囊炎、腱鞘炎以及各種肌肉骨骼綜合癥。此外，超聲已應(yīng)用于如加速傷口愈合，透入局部藥物、治療疤痕、治療運(yùn)動(dòng)損傷。超聲波的治療生物效應(yīng)可表征為熱和非熱兩個(gè)方面。非熱效應(yīng)可以包括聲流、空化效應(yīng)以及遍布從約0. 05兆赫(兆赫)至約5. 0兆赫廣泛范圍超聲頻率的其他機(jī)械效應(yīng)。信號(hào)發(fā)生器的電輸出通過換能器轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，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制成。機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生穿越組織的聲波并被傳播過程吸收。粘滯的吸收率和相關(guān)的溫度上升取決于遇到的組織類型的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)、聲波頻率、空間-時(shí)間的聲強(qiáng)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(gè)連續(xù)波或脈沖波，這取決于治療應(yīng)用，并且通常是使用聲學(xué)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 (瓦特每平方厘米)的聲波強(qiáng)度通常被用于以脈沖或連續(xù)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于皮膚組織界面、產(chǎn)生聲學(xué)縱波的壓電換能器實(shí)施，聲學(xué)縱波在組織中主要以縱波形式傳播到治療區(qū)域。如果入射縱波不與壓電換能器/皮膚組織界面垂直，在隨后的軟組織中發(fā)生折射的聲波就會(huì)以準(zhǔn)縱波和準(zhǔn)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(biāo)的組織區(qū)域期望成一直線地給病人施以聲波。國(guó)際公開的No. WO 03/013654A1教導(dǎo),可通過用低粘滯損失材料制成梯形橫截面形式的模式轉(zhuǎn)換器方法控制和提供橫波和縱波給組織。模式轉(zhuǎn)換器是一個(gè)大的橡膠塊，因此在組織表面區(qū)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(guān)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(duì)于采用儀器到骨折處的大多數(shù)人來說是違反直覺的。對(duì)這個(gè)橡膠塊的聲學(xué)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(qiáng)度，對(duì)儀器的電池壽命有相當(dāng)大的耗費(fèi)，對(duì)其使用性能也如此。雖然國(guó)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愈合骨膜，它不認(rèn)為橫波對(duì)涉及組織修復(fù)其他過程的重要性。骨膜的直接骨成形是涉及骨折修復(fù)的關(guān)鍵過程之一，但骨骼和組織愈合不是僅限于這一過程。如果重要的是要提供縱向和橫波以協(xié)助特定類型的組織愈合，則確定導(dǎo)致組織以要求的類型愈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(tǒng)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。此外，仍然需要適用于臨界角的超聲波的方法和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)特定類型的組織愈合
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是一種在組織表面上使用的模式轉(zhuǎn)換器裝置。該模式轉(zhuǎn)換器裝置包括基座和以傾斜角連接于隨基座的管狀本體。該管狀本體具有內(nèi)里部分、外表部分、近端及遠(yuǎn)端。換能器設(shè)于管狀本體的內(nèi)里部分。蓋帽連接于所述管狀本體的所述遠(yuǎn)端，并有一彈簧插入在所述蓋帽和所述換能器之間，該彈簧適用于使所述換能器偏向近端。一個(gè)模式轉(zhuǎn)換器在所述近端設(shè)于所述管狀本體的所述內(nèi)里部分內(nèi)，所述模式轉(zhuǎn)換器適用于將超聲波以預(yù)定角度從所述換能器射向組織表面。通過以下的詳細(xì)說明將顯見本發(fā)明更多的應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例時(shí)給出的詳細(xì)描述和具體示例僅是舉例說明，而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。


根據(jù)詳細(xì)的說明和附圖本發(fā)明將被更充分地理解，其中圖I是模式轉(zhuǎn)換器裝置的第一實(shí)施例的側(cè)向剖視圖；圖2是模式轉(zhuǎn)換器裝置本體的頂視圖；圖3是圖2所示本體的側(cè)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(cè)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(zhuǎn)換器裝置的第二實(shí)施例；圖9是模式轉(zhuǎn)換器裝置的第三實(shí)施例；圖10是模式轉(zhuǎn)換器裝置的第四實(shí)施例；以及圖11是模式轉(zhuǎn)換器裝置的第五實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述僅是示范性質(zhì)的，絕非用來限制發(fā)明及其應(yīng)用或用途。圖1-5說明模式轉(zhuǎn)換器裝置10，它提供超聲波進(jìn)入由軟組織和/或骨組成的介質(zhì)B。該超聲波促進(jìn)軟組織中傷口的愈合和/或骨折的愈合。模式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器9。換能器5與信號(hào)發(fā)生器19電連接,而控制器18控制聲波在模式轉(zhuǎn)換器9和介質(zhì)B中的傳播。在所描述的一些實(shí)施例中，底座7假定介質(zhì)B的界面是平的而示出。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)知，底座7可做成在橫波產(chǎn)生可控的介質(zhì)B上方的位置與介質(zhì)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(guī)則形狀以適合整個(gè)不規(guī)則表面。在某些實(shí)施例中，底座7包含一個(gè)穿孔3，如孔洞或狹槽。穿孔3可被用來存放模式轉(zhuǎn)換器裝置10或附加底座7至介質(zhì)B。此外，穿孔可作為介質(zhì)B上定位模式轉(zhuǎn)換器裝置10的定位器。在圖I至圖5的實(shí)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(shí)施例在大多數(shù)身體表面上面可能會(huì)很容易使用和控制，其他尺寸可用于可能需要更小或更大尺寸的模式轉(zhuǎn)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(yīng)用中通常使用的材料和設(shè)計(jì)構(gòu)建。換能器5可以有壓電性能并可由諸如陶瓷材料、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)制成。，換能器5也可具有磁致伸縮性能。換能器5產(chǎn)生通過模式轉(zhuǎn)換器9傳輸進(jìn)介質(zhì)B的超聲波。超聲波由換能器5通過信號(hào)發(fā)生器19接受到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生。彈簧4使換能器5偏向模式轉(zhuǎn)換器9，以致超聲波從換能器5通過模式轉(zhuǎn)換器9進(jìn)入到介質(zhì)B。在圖I至圖5描繪的實(shí)施例中，因?yàn)閾Q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(nèi)里部分14和外表部分15。在圖I至圖5描繪的實(shí)施例中，本體8有內(nèi)壁12和外壁13，分別界定內(nèi)里部分14和外表部分15。本體8的內(nèi)壁12的尺寸設(shè)計(jì)成使換能器5能緊密適配在本體8內(nèi)。內(nèi)壁12可具有與換能器5的直徑相同或稍大的直徑。例如，內(nèi)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(yuǎn)端17。蓋帽2與本體8在遠(yuǎn)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之間以施加壓力并確保換能器5偏向一側(cè)。在一些實(shí)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(duì)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(shí)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(zhuǎn)換器9可由適合的低衰減材料構(gòu)成，其中包括(但不限于)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(但不限于)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(但不限于)環(huán)氧樹脂，如Spurr環(huán)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(但不限于)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(zhuǎn)換器9安裝在換能器5與介質(zhì)B之間。模式轉(zhuǎn)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(zhì)B接觸的模式轉(zhuǎn)換器9的底部表面相對(duì)于本體8成斜角。模式轉(zhuǎn)換器9的尺寸E設(shè)計(jì)成使彈簧4在換能器5上至少施加一些壓力。施加兩個(gè)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?shù)浇M織。第一層I施加于換能器5與模式轉(zhuǎn)換器9之間,第二層6施加于模式轉(zhuǎn)換器9與介質(zhì)B之間。模式轉(zhuǎn)換器9借助于第一層與換能器5聲稱合,該第一層具有與模式轉(zhuǎn)換器9相當(dāng)?shù)穆曌杩?，最好是在模式轉(zhuǎn)換器9聲阻抗的正負(fù)百分之十以內(nèi)。在一些實(shí)施例中，模式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器9最好由縱向速度小于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(shí)間上由系統(tǒng)控制器18控制。系統(tǒng)控制器18的設(shè)計(jì)和制造已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。該系統(tǒng)控制器18與信號(hào)發(fā)生器19電連接，而信號(hào)發(fā)生器19與換能器5電連接。該系統(tǒng)控制器18觸發(fā)可編程信號(hào)發(fā)生器19以產(chǎn)生送往換能器5的超聲波激勵(lì)信號(hào)。換能器5接收激勵(lì)信號(hào)并發(fā)出聲縱波，該聲縱波通過模式轉(zhuǎn)換 材料9傳播到介質(zhì)B。在系統(tǒng)控制器18控制下，換能器5產(chǎn)生特定順序的或同時(shí)的聲波傳輸，以用超聲來無創(chuàng)照射或探查介質(zhì)B。該系統(tǒng)控制器18可以是可編程的微處理器，但也可以包括(但不限于)集成電路，模擬裝置，可編程邏輯器件，個(gè)人電腦或服務(wù)器。定時(shí)順序可由用戶在任何時(shí)間制定或者在制造過程中設(shè)立。模式轉(zhuǎn)換器裝置10可用于執(zhí)行由每天一次或兩次的超聲劑量且每天重復(fù)的達(dá)幾個(gè)月組成的治療處理方案，以有效促進(jìn)愈合過程。在一些實(shí)施例中，一個(gè)聲波劑量為I到60分鐘之間的換能器5的時(shí)間長(zhǎng)度。模式轉(zhuǎn)換器裝置10有助于并可的加強(qiáng)對(duì)淺或深的或二者兼有的解剖結(jié)構(gòu)治療用超聲劑量的施加，以加快其中包括骨折愈合過程中骨內(nèi)和骨膜愈合階段的組織傷口愈合，。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(chǎn)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(duì)于法線成 角的模式轉(zhuǎn)換器9，并進(jìn)入如軟組織那樣的第一介質(zhì)，成為傾斜成 角的入射波IW。這入射波IW繼續(xù)通過第一介質(zhì)直至到達(dá)第二介質(zhì)，如骨骼。在該處，部分入射波IW被第二介質(zhì)反射成為傾斜O(jiān)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?yàn)檎J(rèn)為折射橫波W和折射縱波V促進(jìn)不同類型的愈合，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并比較它們與相應(yīng)入射波IW的0角，模式轉(zhuǎn)換器9可構(gòu)建并設(shè)置成實(shí)現(xiàn)預(yù)定的各特定類型的愈合或它們的組合。圖7圖示說明了一種為所要數(shù)量的橫波W(參見圖6)和/或縱波V (參見圖6)而確定模式轉(zhuǎn)換器角度 的示范性方法。四條曲線包括在圖表中，它們?cè)诩僭O(shè)對(duì)軟組織、骨骼和模式轉(zhuǎn)換器的四個(gè)不同的材料特性組合下顯示了介質(zhì)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(zhuǎn)換的角度 將選擇約為60度。但是，如果希望只有橫波W進(jìn)入介質(zhì)，模式轉(zhuǎn)換器的角度 將選擇約為55度。如果希望橫波W和縱波V結(jié)合進(jìn)入介質(zhì)，模式轉(zhuǎn)換器9的角度 將選擇約為35度。然而，由于有關(guān)的角度在很大程度上取決于模式轉(zhuǎn)換器的材料、第二介質(zhì)的材料，并可能進(jìn)一步取決于各材料之間的界面幾何形狀，因此圖7僅為示例。假設(shè)聲波穿越模式轉(zhuǎn)換器材料的速度約1390米/秒，縱向聲波穿越第二介質(zhì)的速度的范圍約3000米/秒至3800米/秒，橫向聲波穿越第二介質(zhì)的速度范圍約1630米/秒至1890米/秒，實(shí)際的臨界角已被確定是從約22至約28度時(shí)平行通過第一與第二介質(zhì)之間界面的縱波V達(dá)到最大；從約48至約59度時(shí)平行通過該界面的橫波W達(dá)到最大；從約36至約41度時(shí)平行通過該界面的縱波V與進(jìn)入第二介質(zhì)的橫波相結(jié)合達(dá)到最大。一般來說，獲得縱波的模式轉(zhuǎn)換器角度是從約9度至約71度，而獲得橫波的模式轉(zhuǎn)換器角度是從約18度至約76度。圖8說明模式轉(zhuǎn)換器裝置的第二實(shí)施例，一般用附圖標(biāo)記100表示。模式轉(zhuǎn)換器裝置100包括換能器110、模式轉(zhuǎn)換器112和本體114。換能器110和模式轉(zhuǎn)換器112安裝在本體114上。模式轉(zhuǎn)換器112在換能器110的表面設(shè)有格柵，指引超聲波到預(yù)定的方向。可選擇模式轉(zhuǎn)換器112的格柵型式和格柵間隔來使換能器110發(fā)射的縱波被角位移。圖9顯示模式轉(zhuǎn)換器裝置的第三實(shí)施例，通常以附圖標(biāo)記200表示。模式轉(zhuǎn)換器裝置200包括壓電元件210、模式轉(zhuǎn)換器212和本體214。壓電元件210和模式轉(zhuǎn)換器212裝在本體214內(nèi)。壓電元件210相對(duì)本體214的底部表面安裝成斜角。模式轉(zhuǎn)換器212使壓電元件210產(chǎn)生的波改變方向。 圖10說明模式轉(zhuǎn)換器裝置的第四實(shí)施例，通常以附圖標(biāo)記300表示。模式轉(zhuǎn)換器裝置300包括壓電元件310和模式轉(zhuǎn)換器312。在此實(shí)施例中，模式轉(zhuǎn)換器312還充當(dāng)壓電兀件310的殼體或本體。壓電兀件310相對(duì)于模式轉(zhuǎn)換器312的底部表面裝成斜角。模式轉(zhuǎn)換器312使壓電元件310產(chǎn)生的波改變方向。圖11說明模式轉(zhuǎn)換器裝置的第五實(shí)施例，通常以附圖標(biāo)記400表示。模式轉(zhuǎn)換器裝置400包括多個(gè)換能器410、412、414、416。換能器410、412、414、416產(chǎn)生相應(yīng)的波420、422、424、426。一個(gè)類似于圖I所示的系統(tǒng)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(tǒng)控制器可以按順序接合各換能器410、412、414、416來實(shí)現(xiàn)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(shí)間延遲，模式轉(zhuǎn)換器裝置400可實(shí)現(xiàn)預(yù)定角度的波。因此，模式轉(zhuǎn)換器裝置400可控制所提供的橫波和/或縱波的量?？蓪?duì)如上所述并參照相應(yīng)的圖示說明的示范性實(shí)施例進(jìn)行各種修改而不偏離本發(fā)明的范圍，所有前述和附圖中的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為解釋性的而不是限制性的。因此，本發(fā)明的廣度和范圍不局限于任何上述示范性實(shí)施例，而只應(yīng)按照后附的權(quán)利要求書及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種用于愈合組織的模式轉(zhuǎn)換器裝置，該模式轉(zhuǎn)換器裝置包括 a.配置成從組織表面發(fā)射聲波進(jìn)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(jìn)組織的聲波相對(duì)于組織表面呈斜角發(fā)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(shí)間上位移，以使射入該組織中的聲波的總和相對(duì)于組織表面呈斜角來傳輸。
2.如權(quán)利要求I所述的模式轉(zhuǎn)換器裝置，其中所述換能器是壓電元件。
3.如權(quán)利要求I至2中任一項(xiàng)所述的模式轉(zhuǎn)換器裝置，還包括模式轉(zhuǎn)換器，所述模式轉(zhuǎn)換器由具有與軟組織的聲速近似的聲速的材料制成，所述模式轉(zhuǎn)換器被放置在所述本體內(nèi)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(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的模式轉(zhuǎn)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(quán)利要求4所述的模式轉(zhuǎn)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(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的模式轉(zhuǎn)換器裝置，其中所述換能器包含多個(gè)聲波發(fā)生元件，所述多個(gè)聲波發(fā)生元件沿所述組織表面的方向布置。
7.如權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的模式轉(zhuǎn)換器裝置，還包括信號(hào)發(fā)生器，所述信號(hào)發(fā)生器配置成用來控制所述換能器中產(chǎn)生的聲波。
8.如權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的模式轉(zhuǎn)換器裝置，其中所述斜角在偏離法線約18至71度的范圍。
全文摘要
本發(fā)明的名稱是“在組織愈合應(yīng)用中控制聲學(xué)模式”。公開了一種在組織表面上使用的模式轉(zhuǎn)換器裝置，該模式轉(zhuǎn)換器裝置包括基座和以傾斜角連接于隨基座的管狀本體。該管狀本體具有內(nèi)里部分、外表部分、近端及遠(yuǎn)端。換能器設(shè)于管狀本體的內(nèi)里部分。蓋帽連接于所述管狀本體的所述遠(yuǎn)端，并有一彈簧插入在所述蓋帽和所述換能器之間，該彈簧適用于使所述換能器偏向近端。一個(gè)模式轉(zhuǎn)換器在所述近端設(shè)于所述管狀本體的所述內(nèi)里部分內(nèi)，所述模式轉(zhuǎn)換器適用于將超聲波以預(yù)定角度從所述換能器射向組織表面。
文檔編號(hào)A61N7/00GK102671312SQ201210146149
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2007年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者J·德阿納, N·M·龐德, R·A·蔡弗斯 申請(qǐng)人:史密夫和內(nèi)修有限公司