專利名稱：用于骨折治療的聲學(xué)系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及為了在外科上非侵入地治療骨折，在活體組織中使用相當(dāng)?shù)碗娖降某暡ㄝ椛洌贒uarte的4,530,360號(hào)專利中描述一種治療骨骼缺陷諸如骨折、假關(guān)節(jié)和類似缺陷的技術(shù)，它使用通過(guò)換能器加到病人皮膚的脈動(dòng)無(wú)線電頻率超聲波信號(hào)并把聲波指向要治愈的骨骼。Duarte的描述來(lái)自骨骼實(shí)質(zhì)上為壓電性這一事實(shí)；而不是用外部的電磁場(chǎng)引入促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的電流或直接產(chǎn)生這樣一個(gè)電流，Duarte超聲波的機(jī)械能在骨骼中被轉(zhuǎn)換成電流，然后促進(jìn)治愈。
Talish等人的5,003,965和5,186,162號(hào)專利改進(jìn)了Duarte的技術(shù)，通過(guò)使電源和脈沖產(chǎn)生模塊與本地的低功率無(wú)線電頻率發(fā)生器電氣隔離，以對(duì)病人身體的病痛區(qū)域循環(huán)地使用脈動(dòng)超高頻率聲學(xué)發(fā)射的病人提供安全的特征。完全使用電池的本地?zé)o線電頻率發(fā)生器包含在一小型化殼體中，該殼體也安裝了壓電換能器裝置，供病人操縱應(yīng)用依靠病人受傷四肢的固定模子穩(wěn)定的特殊安裝配件；而本地高頻的脈沖調(diào)制通過(guò)電源/脈沖發(fā)生模塊和小型化殼體(及其換能器)之間的光纖鏈路輸出給換能器。
別人已承認(rèn)Duarte的脈動(dòng)超高頻聲學(xué)療法在骨生長(zhǎng)上的性質(zhì)，但可以說(shuō)這些人在介紹如何以及在哪里適用此聲學(xué)療法方面相對(duì)于公知的骨折定位還是不具體的。至少，兩個(gè)德國(guó)人開業(yè)醫(yī)生1具體地介紹了聲學(xué)信號(hào)的方向軸應(yīng)垂直于骨骼，且在離骨折處大約兩英寸的縱向偏移距離處，注意如果Knoch/Klug的能量級(jí)指向骨折位置可引起組織破壞。
本發(fā)明來(lái)自于頻率相當(dāng)?shù)?例如5Hz到10kHz)且低強(qiáng)度(例如小于100毫瓦/cm2)的聲學(xué)信號(hào)在生骨療法上有最大的價(jià)值和療效這一共識(shí)，但一般人必須承認(rèn)這種信號(hào)非侵入地發(fā)射到人體在臨床醫(yī)學(xué)中傳遞到骨折位置的機(jī)會(huì)很小。即使骨折的是脛骨且在皮膚處骨折，因此為了盡可能接近非侵入通路，不能保證遭受骨骼碎片分離的區(qū)域可接收到據(jù)信開始產(chǎn)生膠原質(zhì)和形成胼胝是必須的低頻刺激，以封閉在分離的空間或空隙上相互相對(duì)的骨骼碎片之間的空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，它在加速骨折康復(fù)中在外科上非侵入地利用超高頻率的聲能。
一個(gè)特殊目的是在骨折位置及其內(nèi)部具有生骨價(jià)值的低頻信號(hào)本地檢測(cè)中以在外科非侵入方式利用分離骨骼碎片的相對(duì)表面。
一般的目的是用設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，這些設(shè)備對(duì)病人使用是安全而簡(jiǎn)便的，且只對(duì)目前的設(shè)備僅涉及最小的改變。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，本發(fā)明通過(guò)提供一超高頻載波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目的，該信號(hào)以低功率激發(fā)聲學(xué)耦合到活人四肢或其它部分的聲學(xué)換能器，并以外科非侵入方式經(jīng)皮地把聲能發(fā)射到人體組織和/或至少靠近一部分骨折的體液，其中至少骨折部分地以骨折相對(duì)表面之間的空間作表征。使載波頻率足夠高，以在骨折的相對(duì)表面之間的一個(gè)或多個(gè)空間中建立駐波狀態(tài)，只要該空間的尺寸特征是至少是載波頻率的四分之一波長(zhǎng)，從而載波可在骨折位解調(diào)。一般來(lái)說(shuō)，骨折中相對(duì)碎片分離度的下限在0.04或0.05mm的數(shù)量級(jí)，較小分離度的骨骼混亂一般表示為應(yīng)力骨折。呈現(xiàn)為載波調(diào)制的低頻信號(hào)最好是此解調(diào)的產(chǎn)物并直接用于骨折內(nèi)的空間及其周圍最需要的治療價(jià)值。就天數(shù)而言，在此解調(diào)環(huán)境中以加快的速度進(jìn)行治療，由縮小空間而獲得膠原質(zhì)、胼胝和軟骨的生長(zhǎng)，就其尺寸而言不足以形成駐波；但位于聲學(xué)傳播的中心軸周圍的人體組織/或體液中的載波傳播圖形中富含有利于治療的聲能切變波，注滿了骨折周圍區(qū)域。骨折療法反對(duì)在骨折位置及其周圍持續(xù)相同或適當(dāng)改變的聲學(xué)傳播。對(duì)所示的骨骼康復(fù)治療描述了各種特殊實(shí)施例，他們適用于每天進(jìn)行一次大約20分鐘的一次或多次治療。
附圖概述將集合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明的遙控和人體敷貼器單元的簡(jiǎn)單透視圖，在文中，把加速康復(fù)固定在模子中的骨折脛骨的人體敷貼器單元固定地定位；圖2是圖1中人體敷貼器單元的第一透視放大圖以及嵌入圖1模子的嵌入固定裝置的第二透視反向圖，其中固定裝置適用于可拆卸安裝接收人體敷貼器單元；圖3是圖1和2遙控系統(tǒng)的元件的簡(jiǎn)化方框圖；圖4以透視圖示出圖2所示嵌入固定裝置的變化設(shè)備，但該設(shè)備適用于不同固定于四肢例如由外部固定器(未示出)所固定的包扎應(yīng)用；圖5是示出對(duì)骨折區(qū)域的聲學(xué)掃描的錐形模式的示意圖；圖5A是類似于圖5的圖，示出聲學(xué)掃描的柱形模式；圖6是類似于圖5的另一個(gè)圖，示出聲學(xué)掃描的線性往復(fù)模式；圖7是示出在治療骨折中協(xié)調(diào)地使用兩個(gè)換能器的示意圖；
圖8是類似于圖7的圖，示出協(xié)調(diào)地使用大量的換能器；圖9是示出使用線性陣列形式的多個(gè)換能器的圖；圖10是類似于圖9的圖，示出使用同心陣列形式的多個(gè)換能器的圖；圖11是示出利用本發(fā)明把模式轉(zhuǎn)換器用作局部骨折康復(fù)階段的簡(jiǎn)化圖；以及圖12是示出使用本發(fā)明可獲得某種選擇性特征的方框圖。
本發(fā)明較佳實(shí)施方式先參考圖1和2，示出的本發(fā)明利用類似于5,186,162號(hào)專利中所述的基本元件，該專利包含在這里用作參考。在這些圖中足以識(shí)別一人體敷貼器單元10，所示的單元10安裝到用于治療骨折諸如人腿12中脛骨骨折的矯形模子11。包括分別包覆的光纖線14、15的柔性電纜13把人體敷貼器單元10連到遙控單元16，控制單元16可以是相當(dāng)緊湊而便于攜帶的；建議裝一攜帶把手17；光傳輸線14、15的可拆卸接頭插入控制單元16的前面板。
人體敷貼器單元10的外殼20內(nèi)的電氣結(jié)構(gòu)一般象5,003,965號(hào)專利中詳述的那樣，但與該專利的明顯不同如下所述。足以說(shuō)明外殼20包含存儲(chǔ)電池和振蕩器/驅(qū)動(dòng)器元件構(gòu)成的電路(有時(shí)叫做超聲波發(fā)生器)，由柔性引線連到扁薄的換能器元件24。元件24適宜用市售的壓電盤片，如公知的鈦酸鋯材料PZT-4；應(yīng)理解元件24包括粘到其前后表面的分離的箔電極，以響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)刺激改變厚度。換能器24涂敷了環(huán)氧樹脂構(gòu)成的外部阻抗匹配層25，位于不同部分的密封元件26固定到用柔軟順從彈性材料塑成的波紋管型伸縮軟管27的外端。伸縮軟管27的底端28繞一開口(未示出)緊固在外殼20的前面板上，以把換能器引線連到外殼內(nèi)電子元件電路的輸出端。
圖2還示出一安裝固定裝置30，它可固定于病人對(duì)治療頭10作可移去安裝。如圖所示，固定裝置30包括的外部具有周邊凸緣31且重量輕而外部一般為矩形的框架，在矯形模子11的情況下，應(yīng)理解外部可嵌入模子的堅(jiān)硬材料中。在凸緣31的范圍內(nèi)，直立的主體結(jié)構(gòu)32具有中央開口，該開口旋轉(zhuǎn)地支撐具有一對(duì)截然相反的弓形槽構(gòu)造34的環(huán)形部件33，此構(gòu)造34適用于通過(guò)治療頭10的前面板延伸的安裝嵌釘35而移動(dòng)嚙合固定的治療頭。應(yīng)理解嵌釘35的頂端可嵌入槽構(gòu)造34的增大端，可把治療頭10相對(duì)于環(huán)33進(jìn)行局部卡口狀旋轉(zhuǎn)把它以摩擦方式或其它方式固定到安裝固定裝置30。
如下所述很明顯，本發(fā)明的一個(gè)特征是隨著治療頭10如此固定到固定裝置30的旋轉(zhuǎn)部分，對(duì)安裝頭10限定了可調(diào)治療頭旋轉(zhuǎn)的中心軸36，而外殼20的前面板決定了安裝治療頭旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的換能器軸36的位置。因此，治療頭繞軸37的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)將命令換能器25的中央縱向響應(yīng)軸37繞旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)軸36按軌道偏心旋轉(zhuǎn)放置。在圖2中，對(duì)換能器軸37的旋轉(zhuǎn)放置的界限如37’、37”所示。
如下所述，本發(fā)明的要點(diǎn)在于應(yīng)如此提高驅(qū)動(dòng)換能器24的超高頻信號(hào)，從而可在位于斷裂骨頭碎片之間空間中的的人體組織和/或體液中建立駐波狀態(tài)。對(duì)骨折的情況，此空間至少是0.04mm；基本上少于0.04mm的空間一般表示應(yīng)力骨折，骨頭碎片之間更大的空間一般表示骨骼結(jié)構(gòu)的完全斷裂。對(duì)于駐波狀態(tài)，空間必須足以達(dá)到刺激信號(hào)頻率處的至少四分之一波長(zhǎng)；例如，在人體組織和/或體液中，對(duì)于0.04mm或0.05mm的空間，為了在鄰近骨骼碎片的鄰近表面之間建立駐波狀態(tài)，超高頻必須至少是10兆赫(10MHz)。然而，骨折的骨頭相對(duì)表面之間更大空間可以比0.04mm大得多。因此，對(duì)換能器的超高頻信號(hào)的較佳范圍可以至少高達(dá)10MHz，在該頻率處，用于駐波狀態(tài)的四分之一波長(zhǎng)是0.04mm。
在圖3的簡(jiǎn)化方框圖中，人體敷貼器單元10是完全自我維持，這意味著它包括自己的電源電池40，以及用于操作超高頻發(fā)生器42和低頻信號(hào)發(fā)生器43的電源裝置41，該低頻信號(hào)發(fā)生器43最好是一具有低頻脈沖重復(fù)頻率的脈沖發(fā)生器。連到發(fā)生器42、43的調(diào)制器44把脈沖調(diào)制的超高頻信號(hào)提供給換能器24，換能器24通過(guò)耦合膠體的內(nèi)部位置把脈沖調(diào)制的聲學(xué)信號(hào)發(fā)射到骨折區(qū)域；如圖所示，耦合膠體可以是可透過(guò)聲學(xué)發(fā)射的靠墊或柔性塑料外殼的填料。
可理解人體敷貼器單元的所述元件內(nèi)所有必需的設(shè)定可用于所有所需的治療操作，只要用一個(gè)接通/斷開的開關(guān)作為單一的外部操作控制。然而，為了安全且有更多機(jī)會(huì)改變和監(jiān)測(cè)某些變化量，這些工作在圖3中依靠用于控制和監(jiān)測(cè)敷貼器單元10的光纖線14、15交付給遙控單元16。對(duì)于電池操作的遠(yuǎn)程單元16，也可對(duì)人體敷貼器單元10進(jìn)行電線電纜控制。
在圖3中，遙控單元16具有電源50，該電源50依靠外殼電流連接14并對(duì)連到光纖14的激光器裝置52供電，在53處依據(jù)來(lái)自包括微型計(jì)算機(jī)的命令模塊54的指令進(jìn)行數(shù)字編輯。在光纖14的接收端，譯碼器55把各種指令分選到人體敷貼器單元的諸元件。還示出人體敷貼器單元自己的電池供電的激光器裝置56，可理解編碼器57的多個(gè)箭頭表示為了監(jiān)測(cè)目的，還把多個(gè)獨(dú)立的“報(bào)告-返回”連接(未示出)提供給人體敷貼器10的操作模塊元件。在57處報(bào)告和編碼的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變?yōu)楸患す馄餮b置56以數(shù)字發(fā)射，并被其他光纖15發(fā)射回到遙控單元16，在這里在58處進(jìn)行譯碼以在59處顯示。
圖4是一簡(jiǎn)化的透視圖，示出也可通過(guò)可調(diào)捆扎裝置60把圖2的安裝固定裝置30調(diào)節(jié)地安裝到人體部分，并由鉤環(huán)加固裝置保持，這可理解，為了避免擦傷皮膚，建議在人體部分和獨(dú)立綁帶之間的保護(hù)紗網(wǎng)或絨布(未示出)。圖4所示的布局將服務(wù)于依靠骨骼螺釘(未示出)之間的外部固定裝置(未示出)的病人，這些螺釘必須與所示綁帶安裝的部件不存在干擾。
圖5是一示意圖，示出由換能器(64)發(fā)射并由一適宜膠體耦合到人體的調(diào)制超高頻聲學(xué)信號(hào)可依據(jù)電動(dòng)機(jī)裝置65的慢速驅(qū)動(dòng)以機(jī)械方式作錐形軌跡掃描運(yùn)動(dòng)。如圖所示，換能器64安裝到繞軸67由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的盤66，換能器64傾斜地安裝到盤66上，從而聲學(xué)傳播的中心軸68與旋轉(zhuǎn)軸67成一銳角。通過(guò)電動(dòng)機(jī)65的旋轉(zhuǎn)和對(duì)盤66的邊緣驅(qū)動(dòng)連接，于是如69處所示，對(duì)骨折位置產(chǎn)生了偏心的旋轉(zhuǎn)錐形掃描。
在圖5A的布局中，以具有撇號(hào)的相同標(biāo)號(hào)給出與圖5相應(yīng)的部分。圖5A的不同之處在于換能器64’安裝到盤66’上，從而聲學(xué)傳播的中心軸68’平行于徑向偏離盤66’的旋轉(zhuǎn)軸67’。其結(jié)果是使換能器在圓柱形旋轉(zhuǎn)的路線中傳播，對(duì)于換能器的傳播中心軸在直徑D處獲得圓形聲學(xué)掃描。
在圖6的布局中，換能器64”安裝到可滑動(dòng)導(dǎo)向的板66”上，以使聲學(xué)傳播的中心軸68”在分離范圍為S的直線掃描界限之間作反復(fù)直線位移。電動(dòng)機(jī)65”驅(qū)動(dòng)板66”的曲柄連接，以解決反復(fù)位移。
圖7的示意圖結(jié)合沿具有橫向和縱向分量的線路在71處骨折的骨頭示出在某些情況下，依據(jù)結(jié)合圖4所述的技術(shù)最好在兩個(gè)位置的每個(gè)位置處安裝兩個(gè)換能器72、73，而且更有療效，即這兩個(gè)位置位于骨折截然相對(duì)的兩側(cè)且在重疊骨折線路各個(gè)末端的縱向偏移位置處。在此情況下，可理解切換裝置74通過(guò)線72’、73’交替地把調(diào)制超高頻載波轉(zhuǎn)換到各個(gè)換能器72、73?？衫斫鈱?duì)裝置74的附加連接75暗示選擇性的控制交替速率，換句話說(shuō)，另一方面，從一個(gè)低頻脈沖調(diào)制(線72’中)到下一個(gè)(線73’)；或到線72’中脈沖調(diào)制的一個(gè)短脈沖串，以及到線73’中脈沖調(diào)制的一個(gè)類似但后續(xù)的短脈沖串；或到將被單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或與另一個(gè)換能器交替驅(qū)動(dòng)的換能器的手動(dòng)遙控。
圖8示意的布局示出三個(gè)相同的換能器80、81、82，它們由捆扎設(shè)備安裝在骨頭84骨折位置周圍成角度隔開的位置，并由裝置85以旋轉(zhuǎn)的次序啟動(dòng)，裝置85插在調(diào)制載波信號(hào)源和交替提供給各個(gè)換能器的分離線之間。再者，如圖7，以對(duì)圖7的裝置75描述的方式，對(duì)圖8中的75’處采取措施以實(shí)現(xiàn)速率控制和選擇性遙控。
本發(fā)明的一個(gè)特征是一旦骨頭碎片表面之間的一個(gè)空間或多個(gè)空間已靠近到不能保持載波頻率的駐波狀態(tài)，則可在一更寬擴(kuò)散容量的傳播范圍內(nèi)把同樣的低頻調(diào)制提供給骨折相對(duì)縱向側(cè)的骨折區(qū)域。這可以通過(guò)結(jié)合圖9、10和11討論的各種技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
在圖9中，在幾天或大約一周的時(shí)間在骨折康復(fù)初始的空間閉合階段應(yīng)用主換能器90的調(diào)制載波(通過(guò)切換裝置91)。其后，排除換能器90，在72處遙控啟動(dòng)可把調(diào)制載波轉(zhuǎn)提供給兩個(gè)外部換能器93、94，從而使來(lái)自換能器93、94的連續(xù)聲學(xué)傳播變得更寬且具有更多的切變波，于是有利于大量提供脈沖載波聲學(xué)傳播。如圖所示，換能器93、90和94形成縱向陣列，即沿其非侵入傳播的骨頭(未示出)的縱向分布。
在圖10中，連續(xù)換能器95、96形成同心陣列，中央的換能器95可在骨折康復(fù)的初始階段依賴于形成駐波和低頻信號(hào)解調(diào)。其后，類似于圖9的裝置91，可啟動(dòng)圖10的切換裝置91’把調(diào)制的載波信號(hào)傳送到外部的同心圓形換能器96，不傳送給換能器95，導(dǎo)致?lián)Q能器和骨折區(qū)域之間人體組織和/或體液容量中有更大的切變波分布。
在圖11的示意圖中，表示插在聲學(xué)換能器98和適當(dāng)耦合的人體組織和/或體液之間的所謂模式轉(zhuǎn)換器97，如果插在換能器98和耦合人體組織和/或體液之間，可依賴于更大的聲學(xué)切變波能量分布。最好只在骨折康復(fù)第二階段獲得的分布如圖11中的立體角范圍δ所暗示。
圖12的示意圖是從圖3中取出的部分電路，以示出服務(wù)于一個(gè)或多個(gè)骨折康復(fù)階段的設(shè)備的某些可調(diào)變量的特征。于是，提供給換能器24的調(diào)制載波信號(hào)來(lái)自調(diào)制器44’的輸出，該調(diào)制器44’利用發(fā)生器43’的低頻或生骨信號(hào)以及發(fā)生器42’的UHF載波信號(hào)輸出。為了某些目的，最好能改變載波的頻率，此變化如圖示由適宜的裝置99所提供，圖中示出該裝置的各種示意選項(xiàng)和控制調(diào)節(jié)特征。例如，在產(chǎn)生超高載波頻率的第一階段中，在5到10MHz的適宜兆赫范圍內(nèi)，對(duì)裝置99的手動(dòng)調(diào)節(jié)足以用于此載波頻率的選擇，在骨折閉合后接著由手動(dòng)變成較低范圍，例如在500kHz到5MHz范圍內(nèi)，在接著的康復(fù)階段，最好使調(diào)制載波具有更擴(kuò)散的切變波傳播。
此外，結(jié)合圖12的頻率變化裝置99，認(rèn)為在某些情況下，需要逐漸和/或循環(huán)地掃描上下限之間的載波頻率，諸如第一階段為5MHz到10MHz，接著在骨折治療的后續(xù)階段中減小界限(例如，500kHz到5MHz)。由標(biāo)志箭頭暗示的適宜控制鈕處的圖例示出此界限調(diào)節(jié)(包括掃描速率)的選擇性利用率。
為了總結(jié)本描述，適當(dāng)?shù)馗爬ū景l(fā)明的明顯特征，即(a)在骨折位置擴(kuò)大的外部包扎中，事實(shí)上可以也應(yīng)該分別對(duì)兩個(gè)階段的每個(gè)階段討論骨折康復(fù)，即第一個(gè)階段是骨折中裂縫或空間的閉合，接著的第二個(gè)階段是提供具有豐富主切變波的容量環(huán)境。
(b)使用由公知生骨值的低頻信號(hào)調(diào)制的足夠高的超高頻聲學(xué)載波(其中相對(duì)于由于骨折引起的最小尺寸的空間，載波頻率在人體組織和/體液中的尺寸是四分之一波)，可使如此調(diào)制的聲載波可進(jìn)入骨折內(nèi)一個(gè)或多個(gè)空間的骨折分離界限之間的波導(dǎo)位置，其中這些空間大得足以在骨折分離的空間中產(chǎn)生駐波，從而對(duì)載波進(jìn)行解調(diào)，于是其次在本地建立具有公知生骨值的低頻切變波區(qū)域，骨折康復(fù)的第一階段最迫切需要這個(gè)區(qū)域，即在骨折位置處或其中。
(c)在骨折內(nèi)一個(gè)空間或多個(gè)空間的閉合時(shí)，其它技術(shù)也適用于骨折康復(fù)的第二階段，從而進(jìn)一步豐富了骨折位置的容量包圍環(huán)境，而不需要采取連續(xù)注滿具有原始低頻調(diào)制的同一超高頻載波。
活體中骨折性質(zhì)的變化很廣泛，因此聲學(xué)骨折康復(fù)技術(shù)和首選參數(shù)將受某些最佳值的范圍所支配，這些值是靠骨折病例數(shù)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)所確定的。由于環(huán)境和經(jīng)驗(yàn)有其局限性，然而下面列出的目前推薦的參數(shù)值和參數(shù)值的范圍仍是有幫助的1.為了在人體組織和/或體液中傳播，傳送到人體內(nèi)的外科非侵入的聲學(xué)頻率應(yīng)至少接近于以及在低兆赫范圍內(nèi)(例如，250kHz及以上)，該頻率是按在骨折位置中形成駐波而計(jì)算的假設(shè)最小骨折空間。至少為0.04mm，載波頻率應(yīng)至少為10Mhz。
2.應(yīng)對(duì)公知的生骨值選擇至少用于骨折康復(fù)中裂縫閉合的第一階段的低頻信號(hào)。目前，推薦選擇脈沖調(diào)制的載波，其中脈沖重復(fù)頻率在5Hz到10KHz范圍內(nèi)，最好是大約一千赫；占空度在百分之5到百分之90范圍內(nèi)。
3.在骨折位置所需的聲學(xué)強(qiáng)度小于100毫瓦/cm2，在換能器處所推薦的聲學(xué)強(qiáng)度在5mW/cm2到75mW/cm2范圍內(nèi)，最好是大約30mW/cm2。
4.載波的頻率應(yīng)可以調(diào)節(jié)選擇，在調(diào)節(jié)界限之間采取掃頻措施；例如，所選中的目前適用的換能器應(yīng)至少具有一個(gè)到兩個(gè)倍頻響應(yīng)范圍。
5.脈沖調(diào)制的頻率應(yīng)可以調(diào)節(jié)選擇，為在調(diào)節(jié)界限之間采取掃頻措施。
6.換能器的結(jié)構(gòu)應(yīng)包括一個(gè)或多個(gè)元件，其中這些元件的軸可以相互形成隨意關(guān)系，并以預(yù)定同步和可重復(fù)的時(shí)間變化方式啟動(dòng)多個(gè)元件。
雖然不能完全理解目前所揭示的在通過(guò)超聲波刺激加速治療骨折所涉及的機(jī)理，但我們相信1.人體組織和/或體液中的駐波狀態(tài)將刺激骨折位置中骨膜所暴露的神經(jīng)末梢。
2.把表示骨折位置特征的“空間”理解為有或沒有體液，有或沒有組織碎片。
3.這里所述的多換能器結(jié)構(gòu)可用來(lái)控制包含骨折合成物的區(qū)域中聲學(xué)能量的空間、時(shí)間和頻率分布。
4.至少有五個(gè)表示本發(fā)明的獨(dú)立特征，即(a)載波頻率的標(biāo)稱值足以在表示骨折狀態(tài)的空間中建立駐波狀態(tài)，以及刺激骨膜所暴露的神經(jīng)末梢。
(b)把骨折空間內(nèi)的駐波狀態(tài)解調(diào)成為脈沖重復(fù)頻率的切變波。
(c)骨折位置處的聲學(xué)強(qiáng)度超出生物閾值，以驅(qū)動(dòng)生物調(diào)整的反饋機(jī)理。
(d)脈沖重復(fù)周期小于主要調(diào)整治療機(jī)理的張弛時(shí)間。
(e)多元陣列結(jié)構(gòu)、脈沖調(diào)制和載波頻率控制以及時(shí)間控制使聲學(xué)能量的空間頻率和時(shí)間分布與特殊骨折的復(fù)雜結(jié)構(gòu)相匹配，從而優(yōu)化治療過(guò)程。
骨折位置處的聲學(xué)強(qiáng)度被AIUM-NEMA 1981標(biāo)準(zhǔn)定義為空間平均時(shí)間平均(SATA)強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種在外科上非侵入地使用低頻聲學(xué)能量以加速骨折康復(fù)的方法，其特征在于骨折至少局部表現(xiàn)為骨折相對(duì)表面部分之間的空間；所述方法包括非侵入且經(jīng)皮地把超高頻聲學(xué)載波頻率能量以某一波長(zhǎng)傳送到至少靠近骨折一部分的人體組織和/或體液的步驟，該波長(zhǎng)使得所述空間至少為四分之一波長(zhǎng)，從而在所述空間中建立振動(dòng)的駐波狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于包括以具有生骨值的低頻信號(hào)調(diào)制所述超高頻的附加步驟，從而利用駐波狀態(tài)對(duì)所述低頻信號(hào)進(jìn)行本地解調(diào)，于是在所述空間兩側(cè)對(duì)骨骼組織建立具有生骨值的治療狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于調(diào)制具有反映骨骼中生骨溫度上升的占空度和脈沖幅度。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于預(yù)定的溫度上升為至少0.01℃。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所使用的溫度大于2℃。
6.一種在外科上非侵入地使用低頻聲學(xué)能量以加速骨折康復(fù)的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(a)選擇把超高頻能量直接加到皮膚的電聲換能器；(b)把換能器放置并保持在聲學(xué)經(jīng)皮地耦合到靠近骨折位置的人體組織和/或體液的區(qū)域；(c)用一低頻調(diào)制的超高頻載波激勵(lì)換能器，其中載波頻率在高達(dá)10MHz的范圍內(nèi)，調(diào)制頻率在5Hz到10kHz的范圍內(nèi)；從而用于骨折骨頭鄰近部分之間的空間，其中該空間至少是載波頻率的四分之一波長(zhǎng)，將在骨折范圍內(nèi)建立駐波狀態(tài)，在骨折處以及其中導(dǎo)致具有公知生骨值的解調(diào)低頻聲學(xué)切變波信號(hào)；以及(d)以使聲學(xué)能量耦合到人體組織和/或體液的強(qiáng)度保持換能器的激勵(lì)，從而該強(qiáng)度在骨折位置小于100毫瓦/cm2，在每天的預(yù)定時(shí)間周期中保持此激勵(lì)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述預(yù)定周期為每天至少五分鐘。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述預(yù)定周期小于每天四小時(shí)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于至少每天進(jìn)行一次周期為大約20分鐘的步驟(d)。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于至少每天進(jìn)行兩次周期為大約20分鐘的步驟(d)。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述調(diào)制頻率在所述調(diào)制頻率范圍內(nèi)的界限之間變化。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述調(diào)制頻率的變化是一個(gè)連續(xù)變化。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述調(diào)制變化是一個(gè)循環(huán)性變化，其中每個(gè)變化循環(huán)的周期大約一分鐘。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述調(diào)制變化是一個(gè)循環(huán)性的變化，周期至少一分鐘。
15.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于放置和保持步驟(b)包括相對(duì)于聲學(xué)經(jīng)皮地耦合有角度地變換換能器的方向，此角度變換是一個(gè)每秒至少二分之一度的循環(huán)性變換。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述循環(huán)性的變換在預(yù)定界限之間且循環(huán)周期大約一分鐘。
17.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于調(diào)制步驟(c)是占空度在百分之5到百分之90范圍內(nèi)的脈沖調(diào)制。
18.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于提供步驟(a)通過(guò)選中的在骨折的一側(cè)經(jīng)皮地耦合到人體組織和/或體液的第一換能器，也通過(guò)選中的在骨折的另一側(cè)經(jīng)皮地耦合到人體組織和/或體液的第二換能器。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述發(fā)送中的每一個(gè)都通過(guò)具有時(shí)間交錯(cuò)關(guān)系的相同脈沖調(diào)制。
20.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于提供步驟(a)通過(guò)選中的在骨折的一個(gè)側(cè)向經(jīng)皮地耦合到人體組織和/或體液的第一換能器，其中所述第一換能器是相互成間隔關(guān)系并指向骨折位置的多個(gè)類似耦合的換能器中的一個(gè)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述多個(gè)換能器以平行于骨折骨軸的縱向間隔關(guān)系排列。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述多個(gè)換能器中的各個(gè)換能器依據(jù)步驟(c)被依次激勵(lì)。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述多個(gè)換能器以繞骨折位置呈圓周間隔關(guān)系排列。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述多個(gè)換能器中的各個(gè)換能器依據(jù)步驟(c)被依次激勵(lì)。
25.一種使用低頻聲音來(lái)加速骨折康復(fù)的設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備包括具有集中在定向傳播縱軸上的前表面的電聲換能器，所述換能器適用于非侵入地把外部耦合應(yīng)用指向皮膚并在皮下耦合到靠近骨折位置的人體組織和/或體液，其中骨折具有由骨折分隔的相對(duì)的壁，所述設(shè)備還包括以滿足以下標(biāo)準(zhǔn)的電輸出信號(hào)激勵(lì)所述換能器的發(fā)生器裝置(i)超高頻載波頻率在20kHz到10MHz范圍內(nèi)，在前表面區(qū)域中如此提高所述載波頻率，從而對(duì)于人體組織和/或體液中的聲學(xué)傳播建立(a)集中在以及主要位于所述軸縱向中的相當(dāng)窄的主定向響應(yīng)波瓣，以及(b)在所述波瓣周圍和外部的體積相當(dāng)寬的范圍內(nèi)建立豐富的主切變波；(ii)所述載波頻率的低頻骨骼治療調(diào)制范圍在5Hz到10kHz；以及(iii)在骨折位置處聲學(xué)強(qiáng)度小于100毫瓦/cm2；從而(a)通過(guò)所述定向響應(yīng)波瓣把調(diào)制的載波聲學(xué)能量定向傳送到至少一部分骨折位置，以及(b)把骨折所間隔的壁用作波導(dǎo)，以在至少一部分骨折內(nèi)建立載波頻率的駐波狀態(tài)，從而隨著骨折處范圍內(nèi)低頻骨骼治療聲學(xué)信號(hào)的輔切變波的形成，此駐波狀態(tài)可對(duì)駐波動(dòng)作位置調(diào)制的載波提供本地解調(diào)，以及(c)在骨折外部的人體組織和/或體液區(qū)域中充滿主切變波。
26.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于所述低頻調(diào)制是一脈沖調(diào)制。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于所述脈沖調(diào)制的占空度范圍為百分之5到百分之90。
28.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于合成器處的聲學(xué)強(qiáng)度在5mW/cm2到75mW/cm2毫瓦內(nèi)。
29.如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其特征在于合成器處的聲學(xué)強(qiáng)度大約為30mW/cm2。
30.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于所述載波的頻率為至少一兆赫。
31.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于在所述5Hz到10kHz范圍內(nèi)預(yù)定上下限頻率之間周期性地掃描所述載波的調(diào)制頻率。
32.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于在所述范圍內(nèi)預(yù)定上下限頻率之間掃描所述載波的頻率。
33.如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于所述范圍在2.5MHz和10MHz之間。
34.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于所述換能器是多個(gè)換能器中的一個(gè)，所有這些換能器都可修改成類似的，但它們分開地直接耦合到人體組織和/或體液，它們各自的傳播縱軸指向骨折位置的一個(gè)或多個(gè)部分。
35.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于所述換能器的安裝結(jié)構(gòu)適用于安裝到病人身體的病痛部分。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其特征在于所述安裝結(jié)構(gòu)包括可相對(duì)于人體部分移動(dòng)調(diào)節(jié)換能器位置的裝置。
37.如權(quán)利要求36所述的設(shè)備，其特征在于所述安裝結(jié)構(gòu)包括選擇性地安裝多個(gè)相同的換能器的裝置，這些換能器是類似的，但它們分開地直接耦合到人體組織和/或體液，它們各自的傳播縱軸指向骨折位置的一個(gè)或多個(gè)部分。
38.如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其特征在于所述發(fā)生器裝置具有連到所述換能器中至少兩個(gè)換能器的分離輸出，其中所述低頻調(diào)制是一脈沖調(diào)制，把脈沖調(diào)制傳送到所述換能器中一個(gè)換能器在時(shí)間上與把脈沖調(diào)制傳送到所述換能器中第二個(gè)換能器是交替進(jìn)行的。
39.如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其特征在于所述發(fā)生器裝置具有連到多個(gè)所述換能器的分離輸出，其中所述低頻調(diào)制是一脈沖調(diào)制，把脈沖調(diào)制傳送到每個(gè)換能器在時(shí)間上與把脈沖調(diào)制傳送到所述多個(gè)換能器中其它換能器是交替進(jìn)行的。
40.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于所述電聲換能器是換能器裝置的一個(gè)元件，所述裝置還包括對(duì)所述換能器的輸出進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換的裝置。
41.如權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其特征在于所述換能器裝置包括把所述模式轉(zhuǎn)換裝置選擇性地應(yīng)用于所述換能器輸出的裝置。
42.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于所述換能器包括具有所述前表面區(qū)域的第一換能器元件，所述換能器還包括具有前表面區(qū)域的第二換能器元件，從而在所述第二換能器元件被激勵(lì)時(shí)提供含豐富主切變波的增強(qiáng)傳播。
43.如權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其特征在于所述第一換能器元件的前表面是圓形，所述第二換能器元件的前表面為包圍所述第一換能器元件的至少一個(gè)環(huán)。
44.如權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其特征在于所述第二換能器元件包括靠近所述第一換能器元件的一個(gè)或多個(gè)隔開的前表面區(qū)域。
45.如權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其特征在于所述第二換能器元件的前表面包括兩個(gè)或多個(gè)隔開的前表面區(qū)域，這些區(qū)域靠近所述第一換能器元件并對(duì)稱地位于所述第一換能器元件側(cè)向相對(duì)兩側(cè)。
全文摘要
一種換能器(10),在換能器縱向響應(yīng)波瓣內(nèi)的部分傳播能量碰到隔開很近的骨折壁之間的縫隙或空間時(shí),在靠近作為“目標(biāo)”的骨折處的人體組織和/或體液中非侵入且經(jīng)皮地發(fā)射脈沖超高頻聲學(xué)輻射。此超高頻聲學(xué)輻射把此“目標(biāo)”物看作是波導(dǎo)的入口,從而把脈沖超高頻聲學(xué)輻射導(dǎo)入裂縫中。當(dāng)此聲學(xué)輻射碰到至少為四分之一波長(zhǎng)(超高頻處)的縫隙時(shí),建立其本身的駐波狀態(tài),分散并解調(diào)此超高頻,以在骨折內(nèi)部建立有療效的低頻聲學(xué)狀態(tài),并作用于在斷裂骨頭的靠近部分的側(cè)壁區(qū)域上或其間最需要的位置。
文檔編號(hào)A61N1/00GK1171730SQ9519720
公開日1998年1月28日 申請(qǐng)日期1995年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月30日
發(fā)明者A·A·溫德爾, R·J·塔利什, J·P·里亞比 申請(qǐng)人:?？怂鞲煞萦邢薰?br>