用于处理与导管有关的生物膜的方法、装置和系统的制作方法

专利名称：用于处理与导管有关的生物膜的方法、装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及声学医疗装置领域，具体地讲，涉及一种用于使用声振动处理与导管有关的生物膜的方法和系统。
背景技术：
一根导管或管可通过例如身体孔口或通过外科手术插入一个内腔或器官等中，用于向和/或从内腔或器官流通、供给和/或排放空气和/或液体。导管存在很大的感染危险和其他相关的医疗问题。例如，感染通常与导管表面上和/或内脏器官或内腔的壁上的病原微生物或生物膜的发展有关。
当微菌(microbe)在水环境中粘附在表面上并开始分泌一种能将它们固定在材料例如金属、塑料、土壤颗粒、医疗移植材料和组织上的粘性胶状物质时，可形成生物膜。生物膜可由单一种类的微菌形成，但通常是由许多种微菌以及真菌、水藻、原生动物、碎屑和腐蚀产物构成。本质上，生物膜可形成在暴露于微菌和一些水的任何表面上。一旦固定在表面上，生物膜微生物就会发生多种有害的或有益的反应(取决于人类标准)，具体反应取决于周围环境条件。杀灭微菌的传统方法(例如抗生素和消毒剂)对于生物膜微菌来说通常无效。而且，通常需要大剂量的抗菌药来将生物膜微菌从人体系统中去除。
用于处理和/或防止与导管有关的感染的现有方法包含使用无菌技术插入导管、使用闭式引流法维持导管、使用专门的非标准导管和使用抗感染剂。使用抗感染剂的方法可包含在导管插入之前将其浸泡在抗感染药的溶液中，将抗感染剂结合在导管表面上，用抗感染溶液连续灌注冲洗导管囊体，以及将抗感染药插入导管收集袋中。
然而，现有技术方法没能为导管的微菌孕育特别是长期处理找到正确的解决途径。而且，由于使用了抗生素类抗感染药，可产生抗生素毒性。此外，使用配有抗感染药或不是标准导管的导管的成本非常高。最后，鉴于病人对药物的潜在反应和弱的免疫系统等原因，对于每个病例来说，必须单独考虑和监测将这些药物输送到病人身体中。
具有一种可使用标准导管而且又可在没有使用抗感染剂的情况下更有效且低成本地抑制生物膜的形成的导管系统非常有利。

发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于减少由与导管有关的生物膜的发展产生的病原微生物(感染)的装置、系统和方法。根据本发明的一些实施例，一个声学装置可与标准导管整体形成，所述声学装置可包含至少一个压电陶瓷元件和一个振动处理器。所述声学装置可使用电信号产生振动，以使微菌菌落分散，从而可防止或分散可引起感染的生物膜。例如，机械信号例如微振动可由所述压电陶瓷元件产生。
根据本发明的一些实施例，所述振动处理器可用于在所述导管或稳定囊体内提供共振，从而，相对于所供给的能量可显著地增强振动。
而且，根据本发明的一些实施例，所述压电陶瓷元件可涂覆导电材料，并且可具有环形、圆盘形和阀形等形状。所述压电陶瓷元件可包含一个部件，其可将所述压电陶瓷元件连接在所述导管上。所述振动处理器可包含至少一个兆赫振荡器和/或千赫振荡器，所述振荡器可单独或一起向和/通过所述压电陶瓷元件供给电信号。
所述振动处理器可包含一个控制器、开关门、脉冲供给器和分析装置。所述分析装置可探测出可在所述导管中引起共振的波频。所述波的强度、持续时间、模式、位置等可由所述振动处理器和其元件控制。
根据本发明的一些实施例，所述振动处理器可向所述压电陶瓷元件提供这样的电信号，即可使产生于所述导管内的声振动防止微生物从外源进入。


通过参看附图和下面所作的描述，可更好地理解根据本发明的系统、装置和方法的原理和操作，应当理解，这些附图仅用作示例目的，而非限定性的，附图包括图1A和1B分别是可与本发明的一个实施例使用的一种典型导管和一种典型导管的横截面的示意图；图2是一种根据本发明的一些实施例的用于通过使用图1A和1B中的所述导管防止生物膜形成和/或使生物膜形成分散的声学装置的示意图；图3是一个根据本发明的一些实施例的与至少一个压电陶瓷元件连接的处理器的示意图，其中，所述压电陶瓷元件与所述导管的副(囊体膨胀/收缩)管连接；
图4是根据本发明的一些实施例的大气压力与所供给的电信号的频率之间关系的曲线图；图5是根据本发明的一些实施例的图2中的所述处理器的较详细的框图；图6A-6C示出了根据本发明的一些实施例的各种囊体形状中的振源；图7是根据本发明的一些实施例的与至少一个压电陶瓷元件连接的处理器的示意图，其中，所述压电陶瓷元件连接在所述导管的主管体上；图8A-8D是根据本发明的一些实施例的压电陶瓷元件的操作的示意图；图9是根据本发明的一些实施例的与导管的本体连接的一个声学装置的示意图；图10示出了根据本发明的一些实施例的包含一个压电陶瓷元件的导管的横截面；图11提供了一个流程图，描述了根据本发明的一些实施例的使导管振动的方法；图12A和12B示出了使用振动导管和无振动导管的实验结果；以及图13A、13B和13C示出了在动物的泌尿道中使用振动导管和无振动导管的实验结果。
具体实施例方式
在以下描述中，将对本发明的各个方面进行描述。下面所作的描述可使本领域的任何一个普通技术人员制造和使用通过特殊应用场合及其要求所示出的本发明。对本领域的普通技术人员来说，显然可以对所述实施例作出各种修改，并且在此限定的普遍原理可应用于其他实施例。因此，本发明并不局限于所示和所述的特殊实施例，而是具有符合在此所公开的原理和新颖技术特征的最宽范围。
以下使用的名词“微菌”可包含微生物、微菌、病毒、真菌、保藏物、颗粒、病原微生物、细胞以及其他生物活性材料。以下使用的名词“病原微生物”可包含任何生物体，包括细菌或原生动物。这些生物体可以是有害的、传染性的，或为无害的。以下使用的短语“稳定囊体”可包含任何类型的导管囊体。稳定囊体通常可用于使导管在管道、孔口或器官等内的位置稳定。也可使用其他导管囊体。
在以下描述中，名词“导管”可指现有技术中所有类型的导管。例如，术语“导管”可包含尿导管、胃导管、心血管导管和肺导管等。而且，术语“导管”也可包含涂覆着化学预防药物、生物杀灭剂、抗菌剂和抗感染药物等的导管。声学装置可应用于用于医学、兽医或其他目的的导管上。尽管在此描述的导管通常指具有稳定囊体(可膨胀以对导管在体腔或器官等中的位置进行固定的囊体)的导管，但导管也可指不具有稳定囊体的导管。
下面，参看图1A和1B，它们分别为一种典型导管和一种典型导管的横截面的示意图。在尿导管的情况下，例如，如图1A所示，尿导管200通常可通过尿道插入膀胱202中。导管200沿着其长度可包含第一和第二平行内管。还在为导管200的横截面的图1B中示出了平行内管。第一内管207的一端和另一端上可分别具有一个第一阀203和一个囊体205。第二内管208的一端和另一端上可分别具有一个第二阀204和一个开口206。液体和/或气体可通过第一内管207的第一阀203传输。所述液体/气体可使囊体205发生膨胀，因此，可防止导管200从内腔202例如胃、膀胱等中滑落。来自内腔202的液体和/或气体可进入开口206中，并可通过第二内管208和第二阀204流入用于收集它们的收集袋220中。作为一种替代性方法，导管200也可用于通过第二内管208向内腔202中提供营养物。上述阀可包含可通过打开、关闭或阻塞端口或通路等方法来调节气体、液体或松散材料的流动的任何不同的装置。
例如，由于可能会在导管200上或周围形成微菌菌落，因此导管200可能会引起内壁感染，例如膀胱壁感染。这种感染可分为始于导管200的外表面的管腔外感染和始于导管200的内表面的管腔内感染。所述管腔外感染是开始于所述导管的外表面的感染，例如，它们可扩散至例如所述膀胱壁的外表面、囊体205或膀胱202。所述管腔内感染是开始于所述导管的内部区域例如开始于收集袋220或第二阀204中的感染。这些感染可例如通过开口206扩散至例如导管200的上部或膀胱202。所述管腔外感染和所述管腔内感染可进一步在体内扩散至例如肾、膀胱、胃、肝、结肠和血液中。
下面，参考图2，其是根据本发明的一些实施例的功能上与导管200整体形成的声学装置400的示意图。根据本发明的一个实施例，设有一个声学装置400，其可防止或处理微菌菌落的形成。这些微菌菌落可导致有害生物膜的发展，所述有害生物膜可包含各种不同的病原微生物或感染物。所述声学装置可包括至少一个压电陶瓷元件和一个振动处理单元，所述振动处理单元当连接在一根标准导管上时可产生振动，例如微振动，所述振动可使微菌菌落分散。所述压电陶瓷元件可连接在任何传统的导管上，例如胃造口术导管、心血管导管、肺导管、尿导管等。也可使用其他任何导管。一个处理器例如振动处理器可提供电信号，所述电信号可通过所述压电陶瓷元件转换为机械振动，例如声波。所述振动可使所述压电陶瓷元件振荡，从而，可在所述导管和/或相关内脏器官、体腔和通路等中产生振动。
根据本发明的一个实施例，如果在所述导管、囊体和/或内部区域中到达了共振条件，为微振动的振动就可得到显著增强。当所述声学装置受到频率与其无阻尼自然频率相同或非常接近的周期作用力时，共振条件就可使所述声学装置的振荡的振幅增大。相对于由所述振动处理器提供的能量，所述共振可增强和/或延长由所述压电陶瓷元件产生的声振动。共振作用还有助于使已在所述导管和/或内脏器官的周围聚集的微菌菌落或正要试图聚集的微菌菌落分散。
参看图2可以看出，声学装置400可包括至少一个压电陶瓷元件例如元件410、420和/或430和一个处理器500，所述处理器500以下称作“振动处理器”，其可分别通过电线510、520和530与对应的压电陶瓷元件410、420和430连接。也可使用任意多个压电陶瓷元件。
振动处理器500可包含控制器512、兆赫振荡器514、千赫振荡器516以及开关装置518，所述开关装置518可包含一个加法器、一个放大器和一个接收器等。振动处理器500连同一个接收器可接收来自压电陶瓷元件410、420和430的数据，随后可通过提供振幅和/或频率可变的微振动对压电陶瓷元件410、420和430的使用进行校正和使该使用最优化。控制器512可控制兆赫振荡器514和千赫振荡器516，它们可用于向压电陶瓷元件410、420和430提供频率为兆赫(MHz)和千赫(KHz)的电信号。开关装置518可对向压电陶瓷元件410、420和430供给MHz和/或KHz电信号进行控制。可向压电陶瓷元件410、420或430的任何组合供给兆赫和/或千赫电信号的任何组合电信号。因此，振动处理器500可向压电陶瓷元件410、420和/或430等供给指定频率的电信号。为了在压电陶瓷元件410、420和/或430中实现微振动，可采用压电、压磁以及其他合适的方法。
振动处理器500可产生电信号和将它们传送至压电陶瓷元件410、420和/或430。因此，所述电信号可产生机械振动，机械振动又可传播通过导管材料和借助于内管207和208传播至囊体205、内腔202和/或导管端部206等。每个压电陶瓷元件410、420和430可单独、一同或以任何组合方式振荡。所述压电陶瓷元件可紧固地连接在导管内或外表面上，通过这种连接，来自所述压电陶瓷元件的振动就可通过导管材料、导管内表面和/或导管外表面传播，从而可产生机械行波。这些机械微振动可防止在导管表面上形成生物膜和/或使生物膜的形成分散。
可在所述压电陶瓷元件中创建的振动模式的类型例如可包含厚度、纵向、扭转、挠曲(弯曲)—挠曲、纵向(径向)—挠曲、径向—纵向、挠曲(弯曲)—扭转、纵向—扭转和径向—切变模式以及其他合适的振动模式等。这些振动模式可单独或以任何组合方式创建。振动模式可通过改变所述压电陶瓷元件的几何形状和/或相关电极的几何形状和放置而被使能。也可采用其他合适的波或振动模式。
源于所述压电陶瓷元件的微振动可通过导管材料和/或导管内/外表面传播。通过导管材料传播的振动可具有的振动模式例如包含厚度、纵向、扭转和挠曲振动模式。如下所述，这些振动模式可单独或以任何组合方式实现。所实现的振动模式可通过选择特殊的压电陶瓷元件几何形状的或放置而被使能。通过导管材料传播的振动可在材料上引起微弱的表面振动。通过组合压电陶瓷元件的振动模式，可例如通过产生拉姆和/或雷利振动波来增强所述表面振动。
所述导管的一端可呈囊体形式或包含一个囊体。所述压电陶瓷元件中的振动频率和振动模式(以独立或组合方式实现)可以以这种方式选择，即可实现囊体体积的共振(如图4中所示)。这样，囊体本身就可变成一个振动源。这些振动可沿着不同方向例如沿着人体方向和导管的纵向(通过其内/外表面)传播远离人体等。
所传播的波的频率取决于导管类型或结构(例如，材料、制造等)，并且可与压电陶瓷元件共振频率不同。借助于振动处理器500，除了可选择合适的压电陶瓷元件共振频率以外，也可在导管的表面上获得有效振动。
源于所述压电陶瓷元件和导管表面的振动可传播至与所述压电陶瓷元件接触的液体或材料。这些液体和材料可接收微振动能量，从而可防止生物膜的形成。
由于市场上所售的导管由不同材料制成且制造精度不同，而且每个病人具有不同的生物膜微生物学特征，因此对上述振动模式进行组合十分必要。为了得到预期结果，需要为每个病人使用振动模式的一种特殊组合。此外，为了在囊体中产生共振，需要为每个囊体使用振动模式的一种特殊组合。由于不同囊体具有不同体积且由不同材料制成以及其他因素等，每个囊体的外部装填可不同。因此，需要使用振动模式的组合来产生与囊体的自然振动模式相似的振动模式，这样，所述囊体就可实现共振。
所述囊体的振动可充当位于所述导管的内端上的另一个压电陶瓷元件。由所述囊体引起的振动的方向可以不同或与由压电陶瓷元件引起的表面振动的方向相反。通过这种方式，生物膜可与排出液体一同移出人体。
根据本发明的一些实施例，振动处理器500可产生频率通常在MHz范围内的电信号来作用于所述压电陶瓷元件的电极上。这些电信号可激励所述压电陶瓷元件以不同振动模式或振动模式的组合振动。
根据本发明的一些实施例，振动处理器500可将电信号传送至压电陶瓷元件的电极，从而可引起压电陶瓷元件振动和将这些振动以透过波和微弱表面波的形式传播至导管材料。增强表面振动例如可产生雷利波和/或拉姆波等。可以理解，根据需要，也可以以单独或彼此组合的方式施加其他类型的电信号，并且可以实现其他任何波或波的组合。
在导管表面上激发的振动的振幅在十分之几纳米范围内。也可采用其他任何合适的振动范围。微振动在应用和/或拔出导管时对防止发生外伤具有积极作用。为了实现上述这些目的，也可以作用振幅在几百纳米范围内的振动。也可采用其他任何合适的振动范围。
在本发明的一个实施例中，压电陶瓷元件410、420和430可涂覆着合适的传导层，例如银、金、镍、导电橡胶或其他任何相容的导电材料。
振动处理器500可借助于将压电陶瓷元件410、420和/或430与其连接起来的电线与压电陶瓷元件410、420和/或430连接起来。上述这些电连接可使由振动处理器500产生的电信号到达压电陶瓷元件410、420和/或430，从而，可在压电陶瓷元件410、420和/或430中引起机械振动。所产生的声振动可例如包含透过波和表面波等。透过波例如可包含以下波中的一种或多种挠曲(弯曲)—挠曲波、纵向(径向)—挠曲波、径向—纵向波、挠曲(弯曲)—扭转波、纵向—扭转波和径向—切变波等。表面波可例如包含雷利波和/或拉姆波中的一种或多种。可以理解，根据需要，也可以单独或以彼此组合的方式施加其他类型的电信号，以产生任何类型的振动。
下面，参看图3，图3示出了与用于通过使用气体或液体使导管囊体205膨胀/收缩的副管例如第一内管207连接的压电陶瓷元件420的操作。作为对由振动处理器500产生的电输入的响应，压电陶瓷元件420可发生振荡，从而可在供液体和/或气体进入的第一内管207中产生如箭头310所示的振动(声波)，所述振动沿着囊体205、内腔202和/或导管端部206等的方向行进。这些振动可处于兆赫范围内，因此病人感受不到，但可使导管200显著振动，以防止在导管200中或周围形成生物膜和/或使生物膜分散，从而可防止或抑制感染发展。
压电陶瓷元件410、420和430可具有任何期望的形状，例如环形、圆盘形等。所述压电陶瓷元件的形状可影响产生于导管200中的振源或方向。因此，压电陶瓷元件420可呈能应用于传统导管或其他任何导管的环形、圆盘形或其他任何形状。在本发明的一个实施例中，压电陶瓷元件420可呈阀203的形状，从而可用来代替导管阀203。
当向压电陶瓷元件420施加了由振动处理器500产生的电信号时，压电陶瓷元件420可发生振荡，进而可在充满第一内管207和/或囊体205的液体或气体中产生如箭头310所示的振动。所述振动可通过施加MHz频率电信号、KHz频率电信号或MHz和KHz频率电信号的组合来产生。所述振动可防止或抑制生物膜在第一内管207内和/或在导管200的外表面上发展。而且，作为振动310的结果，例如也可在囊体205和内腔202的区域中引起振动。上述这些振动可防止或抑制生物膜在囊体205中和内腔202的壁上发展。而且，可在囊体205和/或导管200中产生具有共振频率的声振动，从而可在导管200、囊体205和/或内腔202中产生共振，进而可显著地增加振动冲击作用。当囊体自然自振和激振相同时可实现共振。所述囊体的共振取决于恒定/和可变参数。在应用了振动组合的情况下，一种模式可与囊体自然自振对应，从而可使其发生共振。
下面，参看图4，其为大气压力与所供给的电信号的频率之间关系的曲线图。由于振动处理器500向压电陶瓷元件420供给了电信号，因此可在球形囊体205内产生压力。上述曲线图示出了当施加频率在近似8MHz以下的电信号时，可在球形囊体205中产生小于1个大气压的压力。球形囊体的共振频率通常不处于上述频率范围之内。所述曲线图还示出了当施加频率在10-20MHz左右的电信号时，可在球形囊体中产生4个大气压左右的压力。球形囊体的共振频率可处于上述频率范围之内。
通过使供给的电信号频率与球形囊体的共振频率一致，可使所述球形囊体内的液体中所产生的压力比在供给的电信号频率不是共振频率时的压力大很多。因此，在所述球形囊体中产生的振动可更强，并且可比在供给的电信号不能在所述球形囊体中引起共振时更高效地防止或抑制生物膜的形成。
可以理解，囊体205可具有不同于球形的形状。例如，根据所处理的管道、脉管、通路或体腔，囊体205可为椭圆形、卵形等。如下所述，囊体205的形状是为在囊体205中实现共振所要求的频率的决定因素之一，并且可决定振动在囊体205中的振源的位置。
根据本发明的一些实施例，在囊体205中实现共振所要求的信号频率可例如通过将声振动传播至囊体205并监测回收到的振动强度而得到。当接收到的波的强度最大时，囊体205通常处于共振状态。因此，可使所述压电陶瓷元件传递高强度振动的信号频率也是共振所要求的信号频率。
下面，参看图5，其示出了根据本发明的一些实施例的与一个或多个压电陶瓷元件(410、420和/或430)操作性连接的振动处理器500的元件。振动处理器500可包含一个电源511(内部或外部)、一个控制器512、MHz振荡器516、KHz振荡器514、一个脉冲供给器517和一个分析装置519。控制器512可控制振动处理器500的各个元件，从而例如可对信号的产生、传送、接收和/或处理以及振动进行管理。控制器512可控制脉冲供给器517，所述脉冲供给器517可传送具有已知频率的电信号，例如电脉冲。振动可撞击囊体205的内壁(图2和3)，并且可被分析装置519反映出来和接收。分析装置519可发送脉冲和合成频率脉冲，并且可分析脉冲和振动等，以便能够提供共振频率。所述分析装置可包含开关装置(图2中的附图标记518)。控制器512可接收来自分析装置519的上述输入信号，并可控制MHz振荡器514和KHz振荡器516，以提供为在囊体205中获得频率共振所需要的电信号频率。上述元件可放置在一个外部盒子中，或放置在一个可连接在压电陶瓷元件上的“芯片”中，或包含在其他任何合适的元件组合结构中。可以理解，控制器512可单独或以任何组合的方式操作一个或多个压电陶瓷元件和/或与一个或多个压电陶瓷元件相互作用。
下面，参看图6A-6C，它们示出了各种囊体形状中的振动的振源的一些位置的实例。囊体205的形状可由制造决定，且/或可通过控制液体和/或空气至囊体205的流动而改变。囊体205所产生的声振源或方向例如取决于囊体205的形状。如图6A所示，当囊体205为球形形状时，箭头310所示的振动会在所有方向上均匀传播。如图6A和6B中箭头310所示，当囊体205的形状不对称时，振动在所有方向上就会不均匀传播。
图6B和6C示出了非对称囊体的实例，其中，对称轴由箭头313示出。从图6B和6C中可以看出，如箭头310所示，振动在这些非对称囊体中以非对称方式传播。当在囊体205中产生共振时，囊体205可发生振动，从而，可产生如箭头311和312所示的振动。箭头311示出了通过排出液体和/或通过一根内管的内外表面传播的振动的方向。由于箭头311的方向(远离人体)，生物膜和微菌污染物等就可排出人体。根据本发明的一些实施例，各种不同的囊体振动可通过向一个或多个压电陶瓷元件输送各种不同的电信号来实现。
通过改变囊体205的形状，可集中和扫描微振动的振源能量。例如，在导管例如导管200中，一个压电陶瓷元件不仅可在囊体205的方向上提供振动310，而且可调节囊体205的形状。压电陶瓷元件例如图3中的压电陶瓷元件420可连接在第一内管207上，所述第一内管207可充满着液体或气体。由于囊体205中的压力与囊体205的形状有关，因此当压电陶瓷元件例如压电陶瓷元件420的尺寸膨胀或收缩时，例如，可影响囊体205中的液体和/或气体的压力。图6B和6C还示出了囊体205的对称轴313相对于导管200的位置关系。
箭头310示出了通过被指定用于吹囊体的一个内管从压电陶瓷元件传播的声波。例如，在一根尿导管中，一个内管可被指定用于使囊体充满液体。这些振动可激励囊体振动，并且可选择性地使囊体到达共振，从而，可形成一个附加的振动发生器。箭头312可反映因囊体共振所产生的振动方向。
下面，参看图7，其示出了压电陶瓷元件410，所述压电陶瓷元件410与导管200的第二内(主)管208和振动处理器500连接。压电陶瓷元件410可呈能应用于传统导管或其他任何导管的环形、圆盘形或其他任何形状。在本发明的一个实施例中，压电陶瓷元件420可呈阀203的形状，从而可用来代替导管阀203。压电陶瓷元件410可呈其他任何形状。可为压电陶瓷元件410涂覆至少一层传导层。
压电陶瓷元件410可被放置得与导管200的阀204邻近(或整体形成)。导管200可具有一个用于排放液体的第二内管208，所述第二内管208在导管的功能中起着至关重要的作用。例如，在一根尿导管中，所述第二内管208可用于从泌尿道中排放尿液。用于排放尿液的尿道的方向可用箭头315表示。
当向压电陶瓷元件410施加了由振动处理器500产生的电信号时，压电陶瓷元件410可发生振荡，从而可产生振动。如上所述，这些振动的形式可包含透过型(纵向、弯曲、厚度和它们的组合)振荡和表面(例如，拉姆和雷利)振动。这些机械振动可通过第二内管208的内和/或外表面和通过第一内管207中的液体/气体传播。
这些振动可通过导管200传播至囊体205、内腔202和/或导管端部206等，并且例如可在囊体205中产生共振频率。在囊体205中的这种共振频率可使囊体205产生振动，所述振动可例如在由箭头312和311所示的方向上散开。在一个实施例中，压电陶瓷元件410可以这种方式连接在导管200的阀204上，即可使振动在囊体205的方向上通过第二内管208传播，而没有振动通过导管200的外表面传播。
在振动借助于第二内管208传送至囊体205、内腔202和/或导管端部206等的情况下和在囊体205中产生能在相反方向上产生振动的共振频率之后，在相反方向(例如在第一内管207中向着导管阀420的方向)上出现的振荡可能不同步，从而可产生非故意的作用。因此，要控制脉冲的产生，以避免出现这种异步振动作用。例如，由振动处理器500产生的脉冲可周期性地或在囊体205正在产生或期望产生共振的时间内停止。而且，如箭头315所示，压电陶瓷元件410可向远离所述导管的方向传播振动，例如向着收集袋220传播。这种振动可防止在例如尿液收集袋220中形成生物膜。
压电陶瓷元件410可被构造成这种形状，即可产生与例如泵送动作相似的振动，以抽取排出液体。压电陶瓷元件410可呈环形或圆柱形形状，并且可在环形/圆柱形形状中激励产生驻波，所述驻波例如在更换所述收集袋的过程中可(通过“锁闭”)防止微菌进入所述导管中。可以使用所有上述振动模式。
所述振动可通过施加MHz频率电信号、KHz频率电信号或MHz和KHz频率电信号的组合产生。所述振动可防止和/或抑制生物膜例如在第二内管208内、导管200的外表面上、内腔202中和/或收集袋220中发展。
可能出现感染的一个位置是阀204。当阀204打开以允许更换收集袋220时，例如由于从外部环境中引入了微生物，因此可引起感染。根据本发明的一些实施例，压电陶瓷元件410可发生振动，以在阀204打开时防止含有微生物的气体或液体通过第二内管208流动。
下面，参看图8A-8D，它们分别示出了根据本发明的各个不同实施例的用于阻止或限制病原微生物通过导管流动的导管阀结构的非限定性实例。上述各种不同结构可例如通过由所述压电陶瓷元件在所述导管中产生的声振动的波频和波模式实现。图8Ai示出了一个压电陶瓷元件410，其具有一个由压电材料制成或部分由压电材料制成的内阀或替代性压电陶瓷元件320。如图8Aii所示，这种阀320的振动可部分地阻塞内管。
图8Bi示出了来自振动处理器500的脉冲(电信号)在阀320中产生了振动行波(可为纵向、弯曲、扭转行波或它们之间任何组合的行波)的根据本发明的一些实施例的情况。在这种情况下，所述行波的方向由箭头333表示，并且如图8Bii所示，阀320的这种振动具有阻塞内管的相当大部分的作用。
图8Ci示出了来自振动处理器500的连续电信号可在阀320中产生振动驻波(可为纵向、弯曲、扭转驻波或它们之间任何组合的驻波)的根据本发明的一些实施例的情况。这种驻波的幅度可与压电陶瓷元件410的内径相同，从而，如图8Cii所示，可阻塞整个内管。这种波可用作一个“闭锁”，以例如在更换收集袋220的过程中防止微菌进入所述导管中。可通过在选定时刻向所述导管施加选定强度的短时间应力例如周期脉冲实现附加功能，以将微菌(生物膜)从导管表面上“抖落”(例如n次/天)。如上所述，生物膜可借助于其他振动排出。
图8D示出了一种根据本发明的一些实施例的生物膜处理系统，其连接在例如一根尿导管500上。压电陶瓷元件410可产生行波，从而，可在所述导管中引起不同的气压。例如，当P2处的压力大于P1处的压力时，所述生物膜处理系统可像一个泵那样工作，从而，可防止微菌从收集袋220进入到导管500中。
下面，参看图9，其示出了压电陶瓷元件430的操作，所述压电陶瓷元件430连接在导管200的本体的外表面上的一点上，并且在本发明的一个实施例中与振动处理器500操作性连接。压电陶瓷元件430可呈能应用于传统导管或其他任何导管的环形、圆盘形或其他任何合适的形状。压电陶瓷元件430可包括一个附件例如环432，其可对压电陶瓷元件430与导管200的连接进行调节，并可将振动从压电陶瓷元件430传播至导管表面。所述附件可由任何合适的材料例如橡胶、塑料和硅等制成。可为压电陶瓷元件430涂覆至少一层传导层。
当向压电陶瓷元件430施加了由振动处理器500产生的电信号时，压电陶瓷元件430就可发生振荡，从而，可在充满第一内管207和第二内管208的空气和/或液体中和/或在导管200表面(见图1B)上产生如箭头311所示的振动。振动311可通过施加MHz频率电信号、KHz频率电信号或MHz和KHz频率电信号的组合产生。振动311可防止和/或抑制生物膜在内管207、208内和在导管200的外表面上发展。而且，振动311可在囊体205中和在器官(例如膀胱等)202中产生。振动311可防止和/或抑制生物膜在囊体205中、在内脏器官中和在内脏器官或体腔等的内腔202的壁上发展。
根据本发明的一些实施例，压电陶瓷元件430可在图中所示的与压电陶瓷元件410和420邻近的所述导管的外源中的至少一个外源方向上产生振动。压电陶瓷元件430可引起微振动(如上所述，为透过波和表面波)，并且还可产生行波。这些波可部分或完全阻塞内管207和/或208，从而，可实现图8B和/或图8C中所示的功能。
为了使囊体205具有较高的微振动能量，需要将压电陶瓷元件430连接在所述导管的第一内管207的一侧上。为放置压电陶瓷元件430所选定的距离(压电陶瓷元件与导管表面之间的距离)可使最强声波作用在第一内管207的中心。上述目的可通过适当地选择声层材料、几何形状、物理性能以及由压电陶瓷元件430产生的振动波的波长实现。由压电陶瓷元件430产生的机械振动波的波长可由振动处理器500调节，从而可使同一压电陶瓷元件连接在由不同材料制成的且具有不同直径的导管上。
下面，参看图10，其示出了包括例如压电陶瓷元件430的导管200的横截面。压电陶瓷元件430例如可为连接在环432上的正方形盘状，或可具有其他任何合适的形状。环432例如可由非导电材料例如橡胶、硅酮、塑料等制成。环432可具有一个切口434，其可使这种振动元件很容易地安装到不同直径的导管上。环432可将压电陶瓷元件连接在导管上和将机械振动从所述压电陶瓷元件传播至所述导管。
可以理解，压电陶瓷元件430可单独或与其他压电陶瓷元件组合操作。还可以理解，根据需要，压电陶瓷元件430可由其他不同的替代性材料构造而成，并且可以以各种不同的形状形成。
可以理解，另外的压电陶瓷元件可应用在导管200上，或与导管200整体形成，以沿着所述导管和在相关的管道、脉管、通路或体腔中实现各种振动。而且，另外的振动模式也可应用在压电陶瓷元件410、420和430等上，以实现可在导管200内外和在相关管道、脉管、通路或体腔中沿着各个不同方向行进的振动。
根据本发明的一些实施例，参看图11可以看出，提供了一种用于使导管振动的方法。因此，至少一个压电陶瓷元件可连接在一根导管上(111)。电信号可由一个振动处理器产生(112)。所述电信号可传送至所述压电陶瓷元件(113)。所述电信号可在所述压电陶瓷元件中转换为机械波(114)，并且这些机械波可在所述导管中产生振动(115)。所述振动可作用在至少一个微菌菌落上，以防止在所述导管之上、之中或周围形成生物膜(116)。所述振动可作用在所述导管上，以防止微生物从外源进入到所述导管中(117)。所述振动处理器可产生与共振条件匹配的振动(118)。
根据本发明的另一个实施例，可以使用聚氨酯管导管，也可使用其他任何材料的导管。对于本领域的普通技术人员来说，知道各种不同的材料具有不同的性能，所述性能例如可对声振动被所述导管吸收和/或传播开的程度产生影响。尽管，已参照了尿导管描述了本发明，但本发明的范围可包含应用于各种不同应用场合的其他任何合适的导管类型，这些应用场合包括但不限制在以下方面


根据本发明的一些实施例，有效应用微振动已显现出积极有利的效果。下面，对最近所做的通过使用压电陶瓷在导管中产生微振动的几个实验进行描述。这些实验、所使用的装置和结果并不是限制性的；合适的改变、其他实验和过程仍属于本发明的范围之内。在一个实验中，PMG医学实验室(以色列那施PMG医学有限公司)的Zadik Hazan博士提供了最少培养基，其含有富含异养微菌的水；控制管(1)和振动管(2)。上述这两根管放置在溶液中保持14天。结果显示振动管(2)在使用了振幅为数纳米的微振动的情况下保持着其最初的颜色和透明度，而控制管(1)则会深深地覆盖着混合微菌生物膜。示出了上述实验的结果的照片可参看图12A，图12A示出了微振动对控制管210和振动管211的作用。
在第二实验中，PMG医学实验室(以色列那施PMG医学有限公司)的Zadik Hazan博士提供了一根控制乳汁管(直径为16mm)，其浸没在含有异养微菌的最少培养基中保持10天。一根相似的乳汁管放置在相似的培养基中保持100天，但要被振幅为数纳米的微振动振动。结果显示在所述振动管上没有出现任何微生物的迹象。结果还显示所述控制管覆盖着一层非常厚的生物膜和污垢。示出了上述实验的结果的照片可参看图12B，图12B示出了微振动对控制管310和振动管311的作用。
在由PMG医学实验室(以色列那施PMG医学有限公司)的Zadik Hazan博士和(以色列希巴医学中心)的Gad Lavy博士于2003年3月12-19日所做的第三实验中，使用了4只白兔，每只白兔重4.5Kg。上述实验旨在对在新西兰白兔中使用微振动导管以防止在感染了E.Coli的导管上形成生物膜的安全性和初始功效进行评价。因此，F8弗利氏尿导管(由UNO制造)插入所有的4只兔子中。在所述导管上的插入4只兔子中的每只兔子的尿道内的部分上擦拭每1ml有尿道致病性E.Coli 106株的病菌液体，以使所述导管感染。所述感染在第一个连续三天重复三次(由以色列特尔海秀摩希巴医学中心的微生物学实验室提供悬架)。兔子关在专门设计的笼子中，所述笼子可防止动物弄掉所述导管，同时又允许它们可以做一些活动。为兔子喂食标准兔食和随意选择的水(无限制)。
在两只兔子(1和2)中，所述F8导管与PZT元件连接，所述PZT元件用以产生振幅为数纳米的微振动。动物3和4使用的是常规无振动F8乳汁弗利氏导管。然后，观察动物8天。在第8天，对动物进行麻醉和镇定，并取下泌尿道(尿道和膀胱)和进行肉眼检查。一只动物(2)被排除在实验之外，这是由于其在实验终止之前的48小时时弄掉了导管48。
示出了上述实验结果的照片可参看图13A，图13A示出了微振动对兔子1、3和4的泌尿道的影响。左侧和中间泌尿道来自于所述导管没有振动的控制动物。右侧膀胱来自于所述导管振动的动物。从图中可以看出，导管振动的动物#1的膀胱的正常尺寸为4×2cm(图13A的右侧分格)。具有无振动的常规尿导管F8的动物#3的膀胱尺寸为9×3.5cm，并且具有较轻的组织和较厚的膨胀壁(图13A的左侧分格)。具有无振动的常规尿导管F8的动物#4的膀胱扩大很多，尺寸为11×4.4cm，并且具有膨胀的薄壁和显示具有大量脓液的白色组织(图13A的中间图片)。在piourea清除之后，发现动物3和4的膀胱壁非常薄和松软，并且发现血管堵塞、发炎红肿和扩大。
接着，为第三实验(上述)提供了一份基于PATHOLAB的病理学教授、医学博士B.Czemobilsky进行的宏观检验的病理学报告。参看图13B和13C可以看出，通过对比动物1(振动导管)和4(无振动导管)，可以得到以下1、2、3、4和5部位的比较分析。
1-远端尿道对动物1来说，整个黏膜变换为坏死材料、纤维蛋白和主要由嗜中性白细胞(neutraphiles)构成的渗透性发炎。仅病灶性地涉及固有层。在肌肉壁中，存在一些血管周围淋巴细胞病灶。对于动物2来说，所述膀胱部分嵌有正常出现的过渡上皮细胞。在其他区域中，仅出现一些过渡上皮细胞层，并且在其他区域中根本没有任何上皮细胞或仅有一层基细胞。在固有层中出现了具有很少的嗜中性白细胞、嗜酸性粒细胞和偶然性组织细胞的淋巴细胞。血管中丰富的肌肉壁没有出现任何异常。
2-中间尿道对于动物1来说，组织变化与部位1相似，然而，在坏死部位的两侧具有完整黏膜区域。上述完整黏膜显现出急性渗透性发炎，并且在玻片的边缘上，再次明显出现坏死部位。对于动物2来说，中间尿道与所述远端尿道相似。
3-近端尿道对于动物1来说，黏膜层完整。在所述固有层中与所述黏膜接近的位置以及在所述固有层的中心纤维蛋白中具有大量聚集的嗜中性菌。另一这样聚集的嗜中性菌出现在静脉空间中。所述肌肉层不太显著。在浆膜方面，存在非常少的出血区域。在尿道截面上，肌肉层的厚度为0.8至1mm。对于动物2来说，仅具有非常少的病灶，在所述病灶中具有过渡上皮细胞。在其余部分中，完全没有衬细胞，或显现出非常小的基细胞带。标本的其余部分与中间尿道相同。在尿道截面中，肌肉层的厚度为0.5至1mm。
4-中部膀胱对于动物1来说，在黏膜、固有层以及肌肉壁中没有任何异常。对于动物2来说，几乎所有部位均缺少上皮层。仅有一些微小的病灶显现出分离的上皮细胞。没有出现任何炎性细胞。在膀胱壁中，在上皮下层中存在水肿的迹象。所述肌肉壁完整。
5-膀胱底对于动物1来说，没有发现任何异常。对于动物2来说，除了上皮衬细胞完全缺失以外，组织图与中部膀胱的一样。在膀胱截面中，肌肉层的厚度为0.5mm。
在此所作的初步描述表明“微振动导管”技术对活体动物模型有效。
上面对本发明的实施例所作的描述用作说明和描述目的。并不不意味着本发明局限或限制在所公开的精确形式上。对于本领域的普通技术人员来说，应当理解，根据上述叙述可以作出许多修改和变化。应当指出，本发明的范围并不是由上述详细描述限定，而是由权利要求书限定。
权利要求
1.一种生物膜处理装置，包括一根导管；至少一个压电陶瓷元件，其连接在所述导管上；以及一个处理器，其用于向所述至少一个压电陶瓷元件供给至少一个电信号，所述至少一个电信号可使所述至少一个压电陶瓷元件产生振动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个压电陶瓷元件涂覆着导电材料。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个压电陶瓷元件具有以下一组形状中的一种形状环形、圆盘形和阀形。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器还包括以下一组振荡器中的至少一种兆赫振荡器和千赫振荡器。
5.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个兆赫振荡器；以及至少一个千赫振荡器。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少一个振荡器产生以下一组振动模式中的一种或多种透过波和表面波。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少一个振荡器产生以下一组振动模式中的一种或多种挠曲(弯曲)-挠曲波、纵向(径向)-挠曲波、径向-纵向波、挠曲(弯曲)-扭转波、纵向-扭转波、径向-切变波、雷利波和拉姆波。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述兆赫振荡器和所述千赫振荡器同时向所述至少一个压电陶瓷元件供给电信号。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括一个控制器。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括一个脉冲供给器。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括一个分析元件。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述分析元件用于确定可在所述导管的至少一部分中引起共振的波频。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷元件用于在一个导管囊体中产生共振，所述囊体产生振动。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，由所述囊体产生的所述振动传播至以下一组目标中的一个或多个体腔、导管内管、导管阀和导管收集袋。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器用于在所述导管中产生可防止病原微生物从外源传至所述导管的振动。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导管选自以下一组导管中的一种或多种尿导管、胃导管、肺导管和心血管导管。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个压电陶瓷元件包括一个附件，其可将所述至少一个压电陶瓷元件连接在所述导管的本体上。
18.一种导管振动方法，包括设置至少一个压电陶瓷元件，其连接在一根导管上；以及向所述至少一个压电陶瓷元件传送电信号；其中，所述电信号在所述至少一个压电陶瓷元件中转换为机械波，所述机械波在所述导管中产生振动。
19.如权利要求18所述的方法，包括向至少一个微菌菌落施加所述振动，以防止生物膜的形成。
20.如权利要求18所述的方法，包括由一个处理器对由所述至少一个压电陶瓷元件产生的所述振动进行管理。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，对声振动的所述管理包含供给以下一组信号中的至少一种兆赫频率信号、千赫频率信号和电信号。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，对声振动的所述管理包含产生选自以下一组振动中的振动穿过至少一个压电陶瓷元件行进的振动和沿着至少一个压电陶瓷元件的表面传播的振动。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，对声振动的所述管理包含管理多个压电陶瓷元件中的至少每个压电陶瓷元件的所述振动。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，对声振动的所述管理包含分析从所述至少一个压电陶瓷元件接收的信号。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述处理器产生与共振条件匹配的振动。
26.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个压电陶瓷元件涂覆着导电材料。
27.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个压电陶瓷元件具有以下一组形状中的一种环形形状、圆盘形形状和阀形状。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，对声振动的所述管理包含在所述导管中产生可抑制微生物从外源进入到所述导管中的振动。
29.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述导管可选自以下一组导管中的一种或多种尿导管、胃导管、肺导管和心血管导管。
30.一种用于防止微生物进入导管中的装置，包括至少一个压电陶瓷元件，其连接在一根导管上；以及一个处理器，其连接在所述至少一个压电陶瓷元件上，以在所述导管中产生振动。
31.如权利要求30所述的装置，还包括在导管囊体中产生共振，所述囊体在所述导管中产生振动。
32.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述振动在所述导管的所述入口的方向上产生，从而可抑制微生物进入到所述导管中。
33.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷元件连接在所述导管一侧的一点上。
34.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷元件连接在所述导管的本体的一点上。
35.一种用于抑制微生物进入导管中的方法，包括设置至少一个压电陶瓷元件，其连接在一根导管上；由一个处理器产生电信号；以及将所述电信号传送至所述至少一个压电陶瓷元件，其中，所述至少一个压电陶瓷元件在所述导管中产生振动，所述振动可抑制微生物进入到所述导管中。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述压电陶瓷元件在导管的囊体中产生共振，所述囊体可在所述导管中产生振动。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述囊体产生的振动是以下一组振动模式中的至少一种振动行波和振动驻波。
38.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述囊体产生的振动在所述导管的方向上从所述囊体传播，所述振动可至少部分阻止微菌进入到所述导管中。
39.一种生物膜处理装置，包括导管装置；微振动装置，其连接在所述导管上；以及处理器装置，其用于向所述微振动装置供给至少一个电信号，所述至少一个电信号可使所述微振动装置在所述导管装置中产生振动。
全文摘要
公开了一种用于防止或处理与导管(200)有关的生物膜的装置、系统和方法。一个压电陶瓷元件(410，420，430)可连接在一根导管(200)上，并且一个振动处理器(500)可连接在所述压电陶瓷元件(410，420，430)上。所述振动处理器(500)可提供电信号，所述电信号可在所述压电陶瓷元件(410，420，430)中产生声振动，从而可在所述导管(200)中或周围引起振动。这些振动特别有助于使微菌菌落分散，从而可防止或抑制可导致感染的生物膜的形成。由于导管囊体(205)中的共振条件，振动可得到显著增强，从而足以使已聚集在所述导管(200)周围或正试图聚集在所述导管周围的微菌菌落分散。
文档编号A61L2/24GK1694648SQ03818327
公开日2005年11月9日 申请日期2003年5月29日 优先权日2002年5月29日
发明者约纳·朱姆厄里斯, 雅各布·莱维, 亚宁娜·朱姆厄里斯, 扎迪克·阿藏 申请人:纳微振动技术公司