CN104107503A - 一种中频调制低频的超声透药系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中频调制低频的超声透药系统，包括电源模块、信号发生模块、控制模块、数字开关模块、功率放大模块、输出模块和人机交互模块。所述电源模块分别与信号发生模块和控制模块电连接，信号发生模块依次与功率放大模块和输出模块电连接，控制模块分别与数字开关模块和人机交互模块电连接。本发明将中频信号调制成低频超声驱动信号，产生用于药物促渗的调制低频超声波做为定位治疗的能量源，具有穿透力强、折返率低、热转化少的特点。用中频震源代替低频震源，缩小了设备应用部件的体积，从而实现了使用操作准确、灵活、简便、安全的要求，更好的发挥超声透药治疗的效果。

Description

一种中频调制低频的超声透药系统

技术领域

本发明属于超声医疗设备，具体涉及一种中频调制低频的超声透药系统。 

背景技术

近年来促进药物在局部组织和细胞内富集为目标的药物靶位传输技术和方法的研究被广泛开展。目前已开展的研究方向主要集中在药剂学方法、物理学方法、药剂学和物理学相结合的方法三个方面。其中超声透药技术，作为主要的物理学方法成为研究开发的热点。 

以往超声波主要用于促进药物的透皮吸收(超声促渗，sonophoresis)，是指运用超声波促使药物透过完整的活体皮肤而进入软组织的过程。这一方法多的是采用临床物理治疗用中频超声波(1-3MHz,0-2W/cm²),也有少量采用高频超声波(16-20MHz)。虽然很多小分子药物取得了一定的效果，但由于存在促渗效低于，药物选择性强，产生局部高温等缺点，使其临床应用受到较大的限制。近来一些学者研究低频超声(20kHz)对药物的促渗，发现与临床治疗用超声波相比促渗效果更加显著，适用范围更广阔，特别是对于一些生物大分子药物，在通常的促渗方法无效时，低频超声都有明显透过作用，完全可达到临床治疗需要水平。超声波透药法是一种安全有效的药物治疗方法，特别是对生物大分子药物，可以实现药物在体内的靶位传输达到给药的最优化，显示出强大的应用前景。 

据研究，低频超声药物促渗主要是通过空化作用(cavition)、辐射压(radiation pressure)，声微流(acoustic microstreaming)作用，形成药物传输的亲水性通道和药物的对流转运动能，使药物沿着生物通道向病变组织定向传输，达到靶位治疗的目的。经研究，影响超声波透皮给药的因素有超声频率、声强、作用时间、耦合剂等，其中最重要的是超声频率和功率。 

低频超声波一般是指频率范围为20KHz-500KHz的超声波，它具有穿透力强、折返率低、热转化少的特点，非常适合做定位治疗的能量源。超声波的固有频率高低，受震源晶体纵向尺寸的决定性影响，同等条件下震源纵向尺寸越大，频率越低。所以产生低频超声的震源晶体需要保证较大的厚度，再加上全套换能器的配重和增幅部件以及降温系统，一个实际应用的超声输出治疗单元体积庞大，重数公斤之多的超声头将给临床实际应用带来极大的困难。这一技术瓶颈严重阻碍了低频超声医疗器械产品的研究开发，因此寻找既能体现 低频超声的作用优势，又能突破换能器体积重量大的制约条件的技术解决方案，则显得尤为重要。 

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种中频调制低频的超声透药系统，其技术方案如下： 

一种中频调制低频的超声透药系统，包括电源模块、信号发生模块、控制模块、数字开关模块、功率放大模块、输出模块和人机交互模块。其中，所述数字开关模块包括通断时间调制单元和波幅调制单元，所述输出模块包括匹配电路和超声换能器。 

所述电源模块将市电通过变压整流稳压后提供给信号发生模块和控制模块及其周围电路；所述信号发生模块产生中频信号，并在所述通断时间调制单元、波幅调制单元控制下将中频信号调制成低频斩波信号；所述数字开关模块中的通断时间调制单元用于调控所述中频信号的通断时间周期，从而将中频信号调制为低频斩波信号；所述数字开关模块中的波幅调制单元用于调控所述低频斩波信号的波幅和波形；所述控制模块，分别连接并控制数字开关模块和人机交互模块获得工作要求，并根据要求向所述数字开关模块的通断时间调制单元和波幅调制单元，分别发出调制指令；所述功率放大模块用于将调制后的低频斩波信号放大并发送给输出模块；所述输出模块接受经放大后的低频斩波信号，经所述匹配电路处理输入所述超声换能器，通过超声换能器将电信号转换为超声波机械信号向外辐射；所述电源模块分别与信号发生模块和控制模块电连接，信号发生模块依次与功率放大模块和输出模块电连接，控制模块分别与数字开关模块和人机交互模块电连接； 

进一步，所述调制中频信号的频率为0.5MHz－3MHz。 

进一步，所述调制低频斩波信号的输出峰值电流在0-30mA之间。 

进一步，所述通断时间调制单元调制的所述低频斩波信号的频率为20kHz-500kHz，占空比为1：05-1:2。 

进一步，所述低频斩波波形可以为方波、三角波、锯齿波、正弦波、尖波、指数波。 

本发明的有益效果如下： 

本发明将中频超声波激励信号调制成低频信号产生低频超声斩波，做为定位治疗的能量源，在发挥药物促渗作用时具有穿透力强、折返率低、热转化少的特点。用中频震源代替低频震源，缩小了设备应用部件的体积，从而实现了使用操作准确、灵活、简便、安全 的要求，更好的发挥超声透药治疗的效果。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。 

如图1所示，中频调制低频的超声透药系统包括电源模块、信号发生模块、控制模块、数字开关模块、功率放大模块、输出模块和人机交互模块。其中，所述数字开关模块包括通断时间调制单元和波幅调制单元，所述输出模块包括匹配电路和超声换能器。 

本系统采用AC220V交流网电源供电。 

电源模块把网电源提供的AC220V 50Hz的交流电，通过变压器转化为AC8.5V,AC35V,AC45V三路输出，经整流、滤波，芯片稳压等电路处理后，为其他模块提供合适的电源供给。 

信号发生模块的作用是：自激震荡电路产生频率为1M Hz的正弦波，供其他模块处理。 

数字开关模块用于接收电脑控制模块按程序输出的+5V数字控制指令，经过电路处理，转换成与信号发生模块电路相匹配的模拟调控指令，对信号发生模块自激震荡电路产生的频率为1M Hz的正弦波进行调制，产生设定频率、波形的调制超声激励信号。 

功率放大模块把信号发生模块产生后经调制的超声激励信号用电压幅度调制等方法进行功率放大处理，得到与输出模块相匹配的驱动信号。 

电脑控制模块由单片机及外围电路组成，是本系统的控制核心，接受人机交互模块的输入参数，并按照相应的处理指令为数字开关模块提供相应信号，为人机交互界面提供显示信号。 

人机交互模块由键盘，LED数码管，LED指示灯组成，LED数码管显示机器内部设置的参数状态，时间等信息。LED指示机器的参数状态。键盘作为输入设备，输入、调整机器的运行参数。 

输出模块由超声波换能器及匹配电路组成，其中超声波换能器是由压电陶瓷片、金属制成的振动片、塑料外壳等组成。受制于压电陶瓷片的制造工艺特点，其电参数往往一致 性较差，使用时需要用电感，电阻等元器件进行匹配，这样可使压电陶瓷片工作在最佳工作状态，提高电能转化为机械能的效率，抑制不需要的热量产生。 

电源模块将市电通过变压整流稳压后提供给信号发生模块和控制模块及其周围电路。信号发生模块产生中频信号，并在通断时间调制单元、波幅调制单元控制下将中频信号调制成低频斩波。波幅调制单元调控低频斩波信号的波幅和波形。控制模块，分别连接并控制数字开关模块和人机交互模块获得工作要求，并根据要求向所述数字开关模块的通断时间调制单元和波幅调制单元，分别发出调制指令。功率放大模块将调制后的低频斩波信号放大并发送给输出模块，输出模块接受经放大后的低频斩波信号，经所述匹配电路处理输入超声换能器，通过超声换能器将电信号转换为超声波机械信号向外辐射。 

应用效果验证： 

采用切断前交叉韧带的经典方法制备大鼠膝骨关节炎(Kneeosteoarthritis，KOA)模型，研究通络止痛方在低频超声促透下对大鼠不同程度KOA模型的行为学、软骨及滑膜组织形态学的影响和作用。 

具体方法步骤如下： 

将SD大鼠随机分为3组:对照组、超声药物促透组和中药外敷组。 

所有大鼠左膝造模,对照组正常饲养,术后2、4、8周时各随机选取大鼠观察其行为学改变；处死后观察膝关节软骨大体改变,膝关节滑膜及股骨内侧髁软骨组织形态学改变,根据软骨改良Mankin’s评分予以评价,并根据评分结果确定大鼠KOA的病变程度。 

超声促透组和中药外敷组在术后2、4、8周时各随机选取大鼠进行干预处理,超声促透组使用本发明的中频调制低频超声透药系统对术侧膝关节促透通络止痛方药物凝胶(专利号：CN200910311313.8),中药外敷组仅使用中药外敷。1次/日,30min,连续治疗2周。2周后处死,记录数据同对照组。结果对照组造模后2、4、8周时大鼠行为学、软骨大体观察、软骨及滑膜组织形态学发生明显改变,软骨Mankin’s评分的增加与时间成正相关。 

超声促透组与对照组相比,大鼠行为学发生改变,LequesneMG评分在2、4、8周组时降低,有统计学差异(P<0.05)；软骨组织形态学发生改变,Mankin’s评分2、4周组降低,2周时差异显著(P<0.01),4周时存在统计学差异(P<0.05)；其作用显著优于中药外敷组,与中药外敷组相比,LequesneMG评分在4周时下降明显,Mankin’s评分2周时下降明显,两两相比有统计学差异(P<0.05)。 

超声促透组与对照组和中药外敷组相比,滑膜组织形态学2、4、8周组发生改变,滑膜炎 症反应降低；与对照组相比,软骨大体观察在2、4周组发生改变,退变程度减轻；与中药外敷组相比无明显改变。 

实验结果参照表1、表2。 

表1  大鼠行为学LequesneMG结果 

组别	n	2周	4周	8周
					对照组	18	3.33±0.816	6.33±1.211	9.67±0.816
超声促透组	32	2.09±0.944*	4.00±0.943**#	8.36±0.924*
					中药外敷组	32	2.36±0.809*	5.00±1.183*	8.90±0.876

注:与对照组相比,*P<0.05,**P<0.01,与中药外敷组相比,#P<0.05 

表2  各组Mankin’s评分结果 

组别	n	2周组评分	4周组评分	8周组评分
					对照组	18	3.83±0.753	8.00±0.632	12.33±0.816
超声促透组	32	1.91±0.944*#	6.60±1.265*	12.69±0.701
					中药外敷组	32	2.82±1.079*	7.45±1.306	12.20±0.919

注:与对照组相比,*P<0.05；与中药外敷组相比,#P<0.05。 

结论：中频调制低频超声促透通络止痛方可以有效改善不同程度KOA的症状,减缓疾病的进一步发展,与传统的中药外敷法相比,具有起效快,疗效好等优点。 

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种中频调制低频的超声透药系统，其特征在于，包括电源模块、信号发生模块、控制模块、数字开关模块、功率放大模块、输出模块和人机交互模块。其中，所述数字开关模块包括通断时间调制单元和波幅调制单元，所述输出模块包括匹配电路和超声换能器； 

所述电源模块将市电通过变压整流稳压后提供给信号发生模块和控制模块及其周围电路； 

所述信号发生模块产生中频信号，并在所述通断时间调制单元、波幅调制单元控制下将中频信号调制成低频斩波信号； 

所述数字开关模块中的通断时间调制单元用于调控所述中频信号的通断时间周期，从而将中频信号调制为低频斩波信号； 

所述数字开关模块中的波幅调制单元用于调控所述低频斩波信号的波幅和波形； 

所述控制模块，分别连接并控制数字开关模块和人机交互模块获得工作要求，并根据要求向所述数字开关模块的通断时间调制单元和波幅调制单元，分别发出调制指令； 

所述功率放大模块用于将调制后的低频斩波信号放大并发送给输出模块； 

所述输出模块接受经放大后的低频斩波信号，经所述匹配电路处理输入所述超声换能器，通过超声换能器将电信号转换为超声波机械信号向外辐射； 

所述电源模块分别与信号发生模块和控制模块电连接，信号发生模块依次与功率放大模块和输出模块电连接，控制模块分别与数字开关模块和人机交互模块电连接。 

2.根据权利要求1所述的中频调制低频的超声透药系统，其特征在于，所述调制中频信号的频率为0.5MHz－3MHz。 

3.根据权利要求1所述的中频调制低频的超声透药系统，其特征在于，所述调制低频斩波信号的输出峰值电流在0-30mA之间。 

4.根据权利要求1所述的中频调制低频的超声透药系统，其特征在于，所述通断时间调制单元调制的所述低频斩波信号的频率为20kHz-500kHz。 

5.根据权利要求1所述的中频调制低频的超声透药系统，其特征在于，所述低频斩波波形可以为方波、三角波、锯齿波、正弦波、尖波、指数波。