在组织愈合应用中控制声学模式的制作方法

专利名称：在组织愈合应用中控制声学模式的制作方法
技术领域：
本发明涉及处理人体的治疗性超声治疗设备，尤其是涉及声波从换能器传送到人体的角度控制。
背景技术：
在物理治疗学中超声被用作治疗技术已超过45年。这是一个推荐的用于辅助治疗的处理技术，可用于治疗疼痛、软组织损伤以及关节功能障碍，包括骨关节炎、关节周炎、滑囊炎、腱鞘炎以及各种肌肉骨骼综合症。此外，超声已应用于如加速伤口愈合，透入局部药物、治疗疤痕、治疗运动损伤。超声波的治疗生物效应可表征为热和非热两个方面。非热效应可以包括声流、空化效应以及遍布从约0. 05兆赫(兆赫)至约5. 0兆赫广泛范围超声频率的其他机械效应。信号发生器的电输出通过换能器转换成机械振动，换能器通常是由如锆钛酸铅(PZT)，如PMN-PZ-PT那样单晶弛豫铁电体或类似压电材料制成。机械振动产生穿越组织的声波并被传播过程吸收。粘滞的吸收率和相关的温度上升取决于遇到的组织类型的微观结构性质、声波频率、空间-时间的声强度和组织中的非线性传播程度。声波能量的形式可以是一个连续波或脉冲波，这取决于治疗应用，并且通常是使用声学耦合材料如超声波凝胶、乳液、水凝胶或水从换能器传送到病人的组织。0. 03至3. 0ff/cm2 (瓦特每平方厘米)的声波强度通常被用于以脉冲或连续模式的治疗，允许治疗骨折和急性以及慢性的组织损伤。通常，治疗性超声波疗法是利用垂直于皮肤组织界面、产生声学纵波的压电换能器实施，声学纵波在组织中主要以纵波形式传播到治疗区域。如果入射纵波不与压电换能器/皮肤组织界面垂直，在随后的软组织中发生折射的声波就会以准纵波和准横波的形式按不同的折射角度传播。因此，往往很难用目前可得到的超声治疗仪的手段在与被作为目标的组织区域期望成一直线地给病人施以声波。国际公开的No. WO 03/013654A1教导,可通过用低粘滞损失材料制成梯形横截面形式的模式转换器方法控制和提供横波和纵波给组织。模式转换器是一个大的橡胶块，因此在组织表面区域与橡胶块之间需要超声耦合凝胶。这样一块橡胶的形状和外观很难在病人身上定位和约束以容许提供一致的超声。此外，在相关损伤处放置换能器和橡胶块需要橡胶块的中心从骨折处偏移，这对于采用仪器到骨折处的大多数人来说是违反直觉的。对这个橡胶块的声学要求是该材料具有高的衰减性，要求高得多的交付给橡胶块第一面的入射强度，对仪器的电池寿命有相当大的耗费，对其使用性能也如此。虽然国际公开的No. WO 03/013654A1说明了如何使纵波和横波沿骨表面最大化以加快愈合骨膜，它不认为横波对涉及组织修复其他过程的重要性。骨膜的直接骨成形是涉及骨折修复的关键过程之一，但骨骼和组织愈合不是仅限于这一过程。如果重要的是要提供纵向和横波以协助特定类型的组织愈合，则确定导致组织以要求的类型愈合的临界角也是重要的。仍然需要在超声波到受损组织的方法和系统上进行技术改进。此外，仍然需要适用于临界角的超声波的方法和系统，以实现特定类型的组织愈合
发明内容

本发明是一种在组织表面上使用的模式转换器装置。该模式转换器装置包括基座和以倾斜角连接于随基座的管状本体。该管状本体具有内里部分、外表部分、近端及远端。换能器设于管状本体的内里部分。盖帽连接于所述管状本体的所述远端，并有一弹簧插入在所述盖帽和所述换能器之间，该弹簧适用于使所述换能器偏向近端。一个模式转换器在所述近端设于所述管状本体的所述内里部分内，所述模式转换器适用于将超声波以预定角度从所述换能器射向组织表面。通过以下的详细说明将显见本发明更多的应用领域。应认识到，在说明本发明的优选实施例时给出的详细描述和具体示例仅是举例说明，而不是对本发明范围的限制。


根据详细的说明和附图本发明将被更充分地理解，其中图I是模式转换器装置的第一实施例的侧向剖视图；图2是模式转换器装置本体的顶视图；图3是图2所示本体的侧视图；图4是图2所示本体的透视图；图5是图2所示本体的侧向剖视图；图6是纵波和横波的说明图；图7是比较纵波和横波的曲线图；图8是模式转换器装置的第二实施例；图9是模式转换器装置的第三实施例；图10是模式转换器装置的第四实施例；以及图11是模式转换器装置的第五实施例。
具体实施例方式以下对优选实施例的描述仅是示范性质的，绝非用来限制发明及其应用或用途。图1-5说明模式转换器装置10，它提供超声波进入由软组织和/或骨组成的介质B。该超声波促进软组织中伤口的愈合和/或骨折的愈合。模式转换器装置10包括盖帽2、弹簧4、换能器5、底座7、本体8和模式转换器9。换能器5与信号发生器19电连接,而控制器18控制声波在模式转换器9和介质B中的传播。在所描述的一些实施例中，底座7假定介质B的界面是平的而示出。然而，本领域技术人员当知，底座7可做成在横波产生可控的介质B上方的位置与介质B的界面相适配。例如，该底座7可弯曲以适合病人的.手臂或.腿，或做成不规则形状以适合整个不规则表面。在某些实施例中，底座7包含一个穿孔3，如孔洞或狭槽。穿孔3可被用来存放模式转换器装置10或附加底座7至介质B。此外，穿孔可作为介质B上定位模式转换器装置10的定位器。在图I至图5的实施例中底座7有尺寸F、G和K。尺寸F大约为102毫米，尺寸G大约为38毫米和尺寸K大约为I. 5毫米。这样的实施例在大多数身体表面上面可能会很容易使用和控制，其他尺寸可用于可能需要更小或更大尺寸的模式转换器装置10的人体的表面，本体8做成容纳换能器5的形状。 换能器5用超声应用中通常使用的材料和设计构建。换能器5可以有压电性能并可由诸如陶瓷材料、单晶弛豫铁电体、锆钛酸铅、偏铌酸铅、钛酸钡和聚偏氟乙烯压电共聚物(PVDF)制成。，换能器5也可具有磁致伸缩性能。换能器5产生通过模式转换器9传输进介质B的超声波。超声波由换能器5通过信号发生器19接受到的驱动信号产生。弹簧4使换能器5偏向模式转换器9，以致超声波从换能器5通过模式转换器9进入到介质B。在图I至图5描绘的实施例中，因为换能器5具有圆形横截面，故本体8为圆柱状空心管，但也可使用其他形状。本体8内里部分14和外表部分15。在图I至图5描绘的实施例中，本体8有内壁12和外壁13，分别界定内里部分14和外表部分15。本体8的内壁12的尺寸设计成使换能器5能紧密适配在本体8内。内壁12可具有与换能器5的直径相同或稍大的直径。例如，内壁12的直径可以比换能器5的直径约大0至2毫米。本体8还具有近端16和远端17。盖帽2与本体8在远端17处连接。例如，本体8具有唇部11，使盖帽2能够扣到本体8上。此外，弹簧4装在盖帽2与换能器5之间以施加压力并确保换能器5偏向一侧。在一些实施例中，弹簧4可装在盖帽2上。弹簧4.使换能器5偏向本体8的近端16。本体8相对底座7成斜角A安装。本体8上有尺寸H和J。在图I至图5所描绘的实施例中尺寸H是约33毫米，尺寸J是约31毫米，但可以使用其他尺寸。模式转换器9可由适合的低衰减材料构成，其中包括(但不限于)热塑性塑料、热固性塑料、弹性体及其混合物。有用的热塑性塑料包括(但不限于)乙烯乙酸乙烯酯，可从USI 公司(c/o PlasticSystems, Marlboro, MA)公司获得；Ecothane CPC 41,可从 Emerson与 Cumming 公司(Deway and Almay Chemical division, Canton,MA)获得，以及聚氨酯 PR6400,可从Ren Plastics公司(a Division of Ciba Geigy,Fountain Valley,CA)获得。有用的热固性塑料包括(但不限于)环氧树脂，如Spurr环氧树脂,可从Ernest F. Fullam公司(Schenectady,NY)获得，以及Stycast,可从Emerson与Cumming公司获得。其他热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。有用的弹性体包括(但不限于)RTV 60和RTV 90,可从通用电气公司(Silicon Products Division,Waterford, NY)获得。其他弹性体可包括天然橡胶、合成橡胶，如充油和过氧化硫化的顺丁橡胶，或如聚水凝胶等凝胶垫材料。模式转换器9安装在换能器5与介质B之间。模式转换器9可具有低超声衰减和与软组织中的声速近似的声速。与介质B接触的模式转换器9的底部表面相对于本体8成斜角。模式转换器9的尺寸E设计成使弹簧4在换能器5上至少施加一些压力。施加两个薄层如凝胶、矿物油或水那样的耦合材料，以确保最大的超声功率由换能器5传输到组织。第一层I施加于换能器5与模式转换器9之间,第二层6施加于模式转换器9与介质B之间。模式转换器9借助于第一层与换能器5声稱合,该第一层具有与模式转换器9相当的声阻抗，最好是在模式转换器9声阻抗的正负百分之十以内。在一些实施例中，模式转换器9的声阻抗几乎与人类软组织的声阻抗相同。此外，模式转换器9最好由纵向速度小于人类骨骼肌肉软组织及骨组织纵向速度的材料组成。源自换能器5的声波在空间和时间上由系统控制器18控制。系统控制器18的设计和制造已为本领域技术人员所熟知。该系统控制器18与信号发生器19电连接，而信号发生器19与换能器5电连接。该系统控制器18触发可编程信号发生器19以产生送往换能器5的超声波激励信号。换能器5接收激励信号并发出声纵波，该声纵波通过模式转换 材料9传播到介质B。在系统控制器18控制下，换能器5产生特定顺序的或同时的声波传输，以用超声来无创照射或探查介质B。该系统控制器18可以是可编程的微处理器，但也可以包括(但不限于)集成电路，模拟装置，可编程逻辑器件，个人电脑或服务器。定时顺序可由用户在任何时间制定或者在制造过程中设立。模式转换器装置10可用于执行由每天一次或两次的超声剂量且每天重复的达几个月组成的治疗处理方案，以有效促进愈合过程。在一些实施例中，一个声波剂量为I到60分钟之间的换能器5的时间长度。模式转换器装置10有助于并可的加强对浅或深的或二者兼有的解剖结构治疗用超声剂量的施加，以加快其中包括骨折愈合过程中骨内和骨膜愈合阶段的组织伤口愈合，。图6图示说明了软组织与骨之间界面上的入射波IW及由此产生的反射波RW、折射横波W和折射纵波V。源自换能器5(图6未示)的超声波穿越相对于法线成 角的模式转换器9，并进入如软组织那样的第一介质，成为倾斜成 角的入射波IW。这入射波IW继续通过第一介质直至到达第二介质，如骨骼。在该处，部分入射波IW被第二介质反射成为倾斜O角的反射波RW，部分被折射成为倾斜Y角的横波W且部分被折射成为倾斜P角的纵波V。因为认为折射横波W和折射纵波V促进不同类型的愈合，所以重要的是要确定能最大化各自类型波的临界角。通过确定这些临界角并比较它们与相应入射波IW的0角，模式转换器9可构建并设置成实现预定的各特定类型的愈合或它们的组合。图7图示说明了一种为所要数量的横波W(参见图6)和/或纵波V (参见图6)而确定模式转换器角度 的示范性方法。四条曲线包括在图表中，它们在假设对软组织、骨骼和模式转换器的四个不同的材料特性组合下显示了介质2(骨)中折射波传播的角度。举例来说，如果希望只有与界面平行的横波W，模式转换的角度 将选择约为60度。但是，如果希望只有横波W进入介质，模式转换器的角度 将选择约为55度。如果希望横波W和纵波V结合进入介质，模式转换器9的角度 将选择约为35度。然而，由于有关的角度在很大程度上取决于模式转换器的材料、第二介质的材料，并可能进一步取决于各材料之间的界面几何形状，因此图7仅为示例。假设声波穿越模式转换器材料的速度约1390米/秒，纵向声波穿越第二介质的速度的范围约3000米/秒至3800米/秒，横向声波穿越第二介质的速度范围约1630米/秒至1890米/秒，实际的临界角已被确定是从约22至约28度时平行通过第一与第二介质之间界面的纵波V达到最大；从约48至约59度时平行通过该界面的横波W达到最大；从约36至约41度时平行通过该界面的纵波V与进入第二介质的横波相结合达到最大。一般来说，获得纵波的模式转换器角度是从约9度至约71度，而获得横波的模式转换器角度是从约18度至约76度。图8说明模式转换器装置的第二实施例，一般用附图标记100表示。模式转换器装置100包括换能器110、模式转换器112和本体114。换能器110和模式转换器112安装在本体114上。模式转换器112在换能器110的表面设有格栅，指引超声波到预定的方向。可选择模式转换器112的格栅型式和格栅间隔来使换能器110发射的纵波被角位移。图9显示模式转换器装置的第三实施例，通常以附图标记200表示。模式转换器装置200包括压电元件210、模式转换器212和本体214。压电元件210和模式转换器212装在本体214内。压电元件210相对本体214的底部表面安装成斜角。模式转换器212使压电元件210产生的波改变方向。 图10说明模式转换器装置的第四实施例，通常以附图标记300表示。模式转换器装置300包括压电元件310和模式转换器312。在此实施例中，模式转换器312还充当压电兀件310的壳体或本体。压电兀件310相对于模式转换器312的底部表面装成斜角。模式转换器312使压电元件310产生的波改变方向。图11说明模式转换器装置的第五实施例，通常以附图标记400表示。模式转换器装置400包括多个换能器410、412、414、416。换能器410、412、414、416产生相应的波420、422、424、426。一个类似于图I所示的系统控制器可用来控制各换能器410、412、414、416的接合。这样，作为一例，该系统控制器可以按顺序接合各换能器410、412、414、416来实现总角度的横波或纵波。通过控制换能器410、412、414、416的顺序操作之间的时间延迟，模式转换器装置400可实现预定角度的波。因此，模式转换器装置400可控制所提供的横波和/或纵波的量。可对如上所述并参照相应的图示说明的示范性实施例进行各种修改而不偏离本发明的范围，所有前述和附图中的内容应当理解为解释性的而不是限制性的。因此，本发明的广度和范围不局限于任何上述示范性实施例，而只应按照后附的权利要求书及其等同物限定。
权利要求
1.一种用于愈合组织的模式转换器装置，该模式转换器装置包括 a.配置成从组织表面发射声波进入组织中的换能器；以及 b.本体，配置成在所述组织表面上安置换能器，以使射进组织的声波相对于组织表面呈斜角发射，其中所述声波作为横波和纵波被传送以治疗该组织的受损部分，且其中所述声波被在时间上位移，以使射入该组织中的声波的总和相对于组织表面呈斜角来传输。
2.如权利要求I所述的模式转换器装置，其中所述换能器是压电元件。
3.如权利要求I至2中任一项所述的模式转换器装置，还包括模式转换器，所述模式转换器由具有与软组织的声速近似的声速的材料制成，所述模式转换器被放置在所述本体内及所述换能器和所述软组织之间，以使得所述换能器和所述组织表面之间的角度是斜角。
4.如权利要求I至3中任一项所述的模式转换器装置，还包括配置成用来使所述换能器偏向所述组织表面的弹簧。
5.如权利要求4所述的模式转换器装置，还包括配置成附装在所述本体上的盖帽，所述弹簧具有第一端和第二端，所述第一端附连在所述盖帽上，而所述第二端附连在所述换能器上。
6.如权利要求I至5中任一项所述的模式转换器装置，其中所述换能器包含多个声波发生元件，所述多个声波发生元件沿所述组织表面的方向布置。
7.如权利要求I至6中任一项所述的模式转换器装置，还包括信号发生器，所述信号发生器配置成用来控制所述换能器中产生的声波。
8.如权利要求I至7中任一项所述的模式转换器装置，其中所述斜角在偏离法线约18至71度的范围。
全文摘要
本发明的名称是“在组织愈合应用中控制声学模式”。公开了一种在组织表面上使用的模式转换器装置，该模式转换器装置包括基座和以倾斜角连接于随基座的管状本体。该管状本体具有内里部分、外表部分、近端及远端。换能器设于管状本体的内里部分。盖帽连接于所述管状本体的所述远端，并有一弹簧插入在所述盖帽和所述换能器之间，该弹簧适用于使所述换能器偏向近端。一个模式转换器在所述近端设于所述管状本体的所述内里部分内，所述模式转换器适用于将超声波以预定角度从所述换能器射向组织表面。
文档编号A61N7/00GK102671312SQ201210146149
公开日2012年9月19日 申请日期2007年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者J·德阿纳, N·M·庞德, R·A·蔡弗斯 申请人:史密夫和内修有限公司