本發(fā)明涉及一種用于沖擊波生成和沖擊波治療的方法和系統(tǒng)，其中沖擊波發(fā)生器(換能器)直接接觸患者身體的一部分而無需使用傳播液。

背景技術：

用于醫(yī)療目的(諸如震波碎石、治療病理組織疾病和許多其他疾病)的電磁沖擊波系統(tǒng)是公知的。例如，Rattner的美國專利5233972描述了一種電磁或電動沖擊波系統(tǒng)，其中沖擊波由通過電磁與固定元件相互作用驅(qū)動的可動元件來生成。沖擊波源具有線圈裝置，其用作為固定元件，以及其附接至沖擊波源中的絕緣體構件。導電材料膜用作為可動元件，并且與固定線圈裝置相對的布置。在線圈裝置以高電壓脈沖充電時，在膜中感應出與線圈裝置中流動的電流方向相反的方向上的電流。作為由于線圈裝置中和膜中各自的電流流動引起的相反磁場的結(jié)果，膜經(jīng)受將膜突然且迅速地移動遠離線圈的排斥力。

Ratner描述了壓力波至沖擊波的轉(zhuǎn)換：“壓力波由此引入到靠近膜布置的聲傳播介質(zhì)內(nèi)。作為傳播介質(zhì)的非線性壓縮性能的結(jié)果，該壓力脈沖在其穿過傳播介質(zhì)的路徑期間增強以形成沖擊波”。

非線性效應隨著增加的峰值壓力而增加。因此在與峰值壓力成反比的形成距離上發(fā)生沖擊波形成。該形成距離通過聚焦波以及增加峰值壓力來縮短。例如通常通過聚焦波來執(zhí)行腎結(jié)石粉碎，其中沖擊波形成開始于水中并結(jié)束于(等效于水)組織內(nèi)。通常的沖擊波形成距離(從排斥膜至聚焦區(qū))處于10-30cm的范圍。

關于術語“沖擊波”，Rattner聲明：“出于簡化起見，傳播介質(zhì)內(nèi)的波將始終在本文中稱作為沖擊波，以及該術語將包含以壓力脈沖形式的初期沖擊波”。

現(xiàn)有技術電磁沖擊波換能器(發(fā)生器)的另一示例發(fā)現(xiàn)于Buchholtz等人的美國專利5230328中。壓力脈沖如下地生成：“利用螺旋線圈裝置驅(qū)動膜，螺旋線圈裝置具有連接至高壓脈沖發(fā)生器的端子，其以具有例如20kV的千伏范圍幅度的高壓脈沖給線圈充電。這樣的高壓可以例如通過電容器放電來生成。在螺旋線圈裝置以該高壓脈沖充電時，它極快地生成磁場。同時，在膜中感應電流，或至少在其導電區(qū)域中感應電流，該電流與線圈中流動的電流反向。膜電流因此生成相反的磁場，引起膜快速地遠離螺旋線圈裝置運動。在聲傳播介質(zhì)(其優(yōu)選為液體，諸如水)中開始的壓力脈沖被以合適的方式引入到正被壓力脈沖填充的對象內(nèi)。必要時，壓力脈沖的聚焦可在各壓力脈沖到達對象之前例如借助于聲透鏡進行?！?/p>

Hassler的美國專利5374236也描述了一種用于生成壓力脈沖的電磁線圈系統(tǒng)，壓力脈沖通過柔性耦合枕施加至患者的身體表面，柔性耦合枕填充有液體介質(zhì)用于聲學耦合。“由于耦合枕的柔性，能夠設置來自身體表面的壓力脈沖源的間隔，而維持耦合枕與身體表面之間的接觸，從而壓力脈沖的焦點位于待治療的區(qū)域內(nèi)?！?/p>

還可以通過壓電元件的自聚焦陣列生成和聚焦沖擊波。示例包括Kurtze等人的美國專利4721106和Jaggy等人的美國專利5111805。這里再次地，波在到達患者之前傳播通過液體聲學傳播介質(zhì)。

通過電磁換能器的相位陣列聚焦沖擊波在Jolesz等人的美國專利5131392和Gelbart等人的美國專利申請20090275832中描述。這里再次地，波在到達患者之前傳播通過液體聲學傳播介質(zhì)。

因此，現(xiàn)有技術的電磁和壓電沖擊波換能器被配置為在傳播介質(zhì)(通常是水)中生成壓力波。足夠的傳播距離實現(xiàn)了聚焦和沖擊波形成。換能器和聚焦裝置通常是圓形地對稱的且通常被配置為生成球面匯聚波。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明試圖提供一種如下文中更加詳細地描述的新型的壓力波治療系統(tǒng)和方法，其用于許多醫(yī)療應用中，諸如但不限于碎石術、整形術、治療病原組織疾病和許多其他疾病，特別是針對軟組織的應用。采用了Rattner關于術語“沖擊波”的命名并且術語“沖擊波”在這里可互換地用于壓力波的脈沖，包括具有長上升時間的波。

在本發(fā)明的一個非限制性實施方式中，提供了一種設備和方法，用于通過至少一個換能器與患者身體一部分的直接接觸來生成、成形和耦合至患者的壓力波脈沖，因此避免使用傳播液。而是，換能器與固體界面協(xié)作來作為傳播介質(zhì)。利用電氣上安全和生物兼容的接觸以及患者和換能器的各自的聲學阻抗的機械上有效的匹配來實現(xiàn)如此近距離的換能器至患者的耦合。從單個換能器發(fā)出的波無需聚焦。通過各種方法可獲得聚焦，諸如杯吸膜、通過將固體截面成形為透鏡或通過將多個換能器被配置為相位陣列，其中換能器根據(jù)時間序列被分別激勵以確保來自各個換能器的波同時到達期望的聚焦區(qū)。

在一個實施方式中，換能器是電磁換能器。換能器膜被配置為順從地附接至患者身體的一部分。膜中磁場和電流脈沖的相互作用引起膜排斥并將壓力波傳遞到患者。

根據(jù)另一個實施方式，膜根據(jù)應用成形并彎曲以提供發(fā)散、平行或匯聚波。

另一個實施方式描述了多個電磁或壓電換能器，它們附接至患者身體作為相位陣列。電磁換能器可包括膜，以及壓電換能器可包括壓電晶體。每個換能器分別通過電流或電壓脈沖單獨地激勵。

另一個實施方式描述了多個換能器被配置為同心環(huán)。該環(huán)是連續(xù)的或由離散的換能器制成。換能器可以例如是電磁的或壓電的。朝向患者的環(huán)面可以是平面的或錐形的。通過根據(jù)換能器與所治療區(qū)域的各自的距離來個別地激勵(觸發(fā))換能器以獲得聚焦，從而提供在聚焦區(qū)的波的同時到達。

附圖說明

結(jié)合附圖將從下面詳細描述更加全面地理解和認識本發(fā)明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方式構造和可操作的用于壓力波生成或治療的系統(tǒng)的簡化剖面圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式構造和可操作的、并使用換能器的相位陣列的用于壓力波生成或治療的系統(tǒng)的簡化剖面圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式構造和可操作的、并使用換能器的環(huán)形裝置的用于壓力波生成或治療的系統(tǒng)的簡化剖面圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參照圖1，其示意了根據(jù)本發(fā)明非限制實施方式構造和可操作的用于沖擊波生成或治療的系統(tǒng)10。

系統(tǒng)10包括沖擊波換能器12，其包括沖擊波發(fā)生部14和布置為接觸患者組織18的固體(非流體)換能器界面(耦合界面)16。沖擊波換能器12的沖擊波發(fā)生部14可非限制性地包括電能-沖擊波能轉(zhuǎn)換器(例如，電動液壓、電磁或壓電)，其生成沖擊波(聲壓脈沖)。換能器界面16優(yōu)選地由電氣安全且生物兼容材料制成，其呈現(xiàn)患者與換能器的各自的聲學阻抗的機械上有效的匹配。優(yōu)選地，耦合界面16具有不低于組織18且不高于沖擊波發(fā)生部14的聲阻抗，最優(yōu)選地是接近(20％內(nèi))這兩個的幾何平均值。

材料的聲阻抗(Z)定義為密度(ρ)和聲速(V)的乘積，即Z＝ρ*V。

聲阻抗(Z)以Rayls(kg/(sec·m²))或更常用地以MegaRayls(MRayls)來測量。通常生物材料的Z如下以MRayls測量(取自“Basics of Biomedical Ultrasound for Engineers”，在線公開：2010年4月9日并可在http：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470561478.appl/pdf上找到)：

水1.48

血液1.66

脂肪1.38

肝臟1.69

腎臟1.65

大腦1.60

心臟1.64

肌肉(沿纖維)1.68

肌肉(跨纖維)1.69

皮膚1.99

眼睛(晶狀體)1.72

眼睛(玻璃體)1.54

骨軸(縱向波)7.75

骨軸(剪切波)5.32

牙齒(牙質(zhì))7.92

牙齒(牙釉質(zhì))15.95

一些鋁合金具有17的Z；銅合金約44(這些值來自http：//www.ondacorp.com/images/Solids.pdf)。用于耦合界面16的可能材料非限制性地包括玻璃類(Z處于10-14MRayls的范圍)、ECCOSORB類(從Emerson&Cuming可獲得，Z處于5-12MRayls的范圍)、鈦(Z約27)、塑料和碳化硼(Z約26)。

耦合界面可包括多個級聯(lián)層，每個包括相應的聲學阻抗從而提供耦合界面內(nèi)的充分的波傳播。接觸患者的層包括接近于患者的聲阻抗的聲阻抗，從而最小化與患者的界面處的波反射以及對患者皮膚的相關損傷。

在本發(fā)明的一個非限制實施方式中，沖擊波發(fā)生部14是由導電材料(例如銅或鋁合金)制成的膜或包括導電線圈的膜。換能器界面16是薄層的耦合界面，其附接至膜的外表面。換能器12的表面附接至組織18的表面以使得膜14距離組織18的表面的距離不超過幾毫米(例如2-20mm)。

沖擊波發(fā)生部(膜)14被配置為與磁體20通信，其感應膜14中平行于膜14的外表面的磁場。沖擊波發(fā)生部(膜)14還被配置為與脈沖器(電脈沖發(fā)生器)22通信。脈沖器22輸送電流脈沖。電流取向平行于沖擊波發(fā)生部(膜)14的外表面并通常不平行于膜14中的磁場。沖擊波發(fā)生部(膜)14被配置為響應于膜14中磁場和電流脈沖之間的相互作用來排斥并輸送壓力脈沖至耦合界面16。

膜14可以是平的，但本發(fā)明不限于該形狀，以及通常，膜14可以至少部分地是凹進的、平面的或凸起的。

磁體20可以是電磁體，其包括至少一個電磁體感應線圈24。在一個實施方式中，脈沖器22通過來自至少一個脈沖器感應線圈26的感應輸送電流脈沖至膜14。在另一個實施方式中，具有一個或多個共用感應線圈(24或26)，以及脈沖器22通過來自一個或多個共用感應線圈的感應輸送電流脈沖至膜14。感應線圈(24或26或共用感應線圈)可以是一個或多個印刷電路板的一層或多層中的線圈。

在本發(fā)明的一個非限制性實施方式中，系統(tǒng)10將沖擊波換能器12與一個或多個換能器28組合在一起用于輸送能量，諸如但不限于光能、超聲能、RF能、磁能、微波能發(fā)生器和/或機械能發(fā)生器(例如，彈簧或振蕩塊)。額外的能量的輸送與通過脈沖器22或與換能器通信的控制器(序列發(fā)生器)23(圖2)(在壓電換能器的情形中為控制器)輸送的電流脈沖同步。可提供成像器30來對沖擊波至組織的輸送成像。

現(xiàn)在參照圖2。在圖1的實施方式中，從單個換能器12發(fā)出的沖擊波無需聚焦。在圖2的實施方式中，通過被配置為相位陣列的多個換能器12來獲得聚焦。換能器12根據(jù)定時的序列被分別激勵以確保來自各個換能器的波同時到達期望聚焦區(qū)。換言之，脈沖器12以受控的觸發(fā)時間輸送電流脈沖至沖擊波換能器12。

現(xiàn)在參照圖3。在該實施方式中，多個換能器12布置為同心環(huán)，為連續(xù)的環(huán)或由離散的換能器制成。換能器可以例如是電磁的或壓電的。朝向患者的環(huán)面可以是平面或錐形的。

根據(jù)換能器距治療區(qū)域的各自的距離來分別激勵(觸發(fā))換能器，可獲得圖2或3的相位陣列的聚焦。從而提供在聚焦區(qū)的波同時到達。

如下參數(shù)定義為：

T_z＝各個波同時到達聚焦區(qū)的時間，

T_i＝與第i個換能器相關的激勵脈沖的時間，

D_i＝第i個換能器與聚焦區(qū)之間的距離；以及

C_i＝與第i個換能器相關的波的平均傳播速度，

T_i然后通過下式給出：

T_i＝T_z-D_i/C_i。

瞬時傳播速度可以在傳播期間根據(jù)波傳播所穿過的組織而改變。距離D_i和相關組織(用于計算平均傳播速度C_i)是例如從患者的3D成像或通過換能器和所治療區(qū)域之間的距離的聲學測量可確定的。

圖3也示意了能夠通過杯吸或彎曲固體耦合界面或通過將其成形為透鏡(例如，凹進的或凸起的)來獲得聚焦。