CN107050672B - 低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪，包括主机、探头和探头固定装置。主机产生驱动信号来驱动探头发出低强度脉冲超声，探头固定装置将探头固定在人体的治疗部位进行治疗。本发明通过在探头中设置水囊使得超声晶元与治疗部位之间维持远场距离，超声声强在治疗区域分布均匀，从而实现对治疗部位的均匀治疗。本发明又通过使用小尺寸超声晶元构成超声阵列，使得增大超声覆盖范围的同时，又保证了远场距离不会太大，从而达到了显著的治疗效果。

Description

低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪

技术领域

本发明属于医疗仪器技术领域，特别涉及一种低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪。

背景技术

骨质疏松症是一种全身性的骨代谢障碍性疾病，主要表现为骨量流失和骨组织结构退化，致使骨脆性增加，骨强度和弹性下降，最终导致骨折发生的危险性升高。其后果严重时可发生脆性骨折，导致患者失去生活自理能力。容易发生骨质疏松的部位主要有髋部、椎骨、腕部、肱骨等部位。据估计全球已有2亿多人受骨质疏松症的困扰，40％的白人绝经女性均患有骨质疏松症。因此，研究骨质疏松症的治疗方法和治疗系统具有重要意义。

现有技术中，对于骨质疏松症的治疗方法均存在一定的问题和缺陷。传统的药物治疗手段疗效不稳定，且药物治疗通常具有全身性，副作用大。运动疗法对于已经患有骨质疏松症的患者来说，效果微弱且风险较大。全身性震动疗法，无法治疗局部骨流失，且设备复杂，治疗效果不稳定。

发明人的研究和实验表明，低强度脉冲超声(LIPUS)对治疗骨质疏松具有良好的效果，并且具有非侵入、无创伤、无电离辐射、能够局部治疗的特点。但是据发明人了解，目前市场上尚没有利用低强度脉冲超声治疗骨质疏松的设备。虽然现有技术中存在利用超声治疗骨折的骨折治疗仪，但骨质疏松和骨折具有显著的区别。由于骨折发生在局部，骨折治疗仪通常采用单晶圆聚焦探头，并且直接将探头贴在皮肤上，从而使治疗部位处于近场范围，在聚焦点形成较大的声强，而在非聚焦点声强则很弱。而骨质疏松是骨骼系统整体的骨质降低，因而使用骨折治疗仪并不能对骨质疏松进行治疗。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种全新的采用低强度脉冲超声治疗骨质疏松的治疗仪。

首先，本发明的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪包括主机和探头，主机和探头之间通过线缆连接，主机被设置为用于产生驱动信号来驱动探头发出低强度脉冲超声，探头被设置为用于放置在人体的治疗部位进行治疗。优选地，本发明的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪还包括探头固定装置，用于将探头固定在治疗部位进行治疗。

本发明的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪的探头包括水囊、探头外壳、超声机构和控温机构。超声机构和控温机构都被封装在水囊中，水囊的上部及四周固定在探头外壳内。

水囊采用与水具有相近声阻抗且具有生物相容性的薄膜材料制成，具有良好的柔韧性。治疗时，水囊下方涂抹上超声耦合剂，再压至治疗部位。水囊上设置有注水口，用于向水囊中注水，注满水后塞上塞子。水囊在充满水后隆起，其下部的形状能够随人体的曲线进行良好的贴合。

探头外壳用于保护水囊，并维持水囊的形态。水囊的上部及四周通过粘合剂固定在探头外壳内，探头外壳的深度大约为3-5cm，优选为4cm，从而使得在水囊充满水后，超声机构与治疗部位之间的距离能够维持在4cm左右的远场范围内。

超声机构包括超声晶元阵列和晶元封装体，超声晶元阵列由两个以上排列成阵列的超声晶元组成，以产生能够覆盖足够治疗范围的低强度脉冲超声。超声晶元阵列被封装在晶元封装体内，晶元封装体采用吸声材料，以吸收向后方反射的超声。

控温机构包括加温器和温度传感器。加温器用于加热水温，温度传感器用于监测水温，两者可由主机控制使得水囊中的水温保持在合适的区间，例如32-35摄氏度，优选为33-34摄氏度。开始治疗时，加温器将水囊中的水温加热到33-34摄氏度，并在整个治疗过程中维持该温度。保持水温主要起两个作用，一是在该温度下水的声阻抗达到与水囊薄膜、人体软组织最佳的匹配，以尽可能减少超声在界面上的反射；二是水囊贴在人体皮肤上，在该温度下起到温暖治疗部位提高治疗效果的作用。

本发明的上述具有水囊和超声晶元阵列的探头结构具有如下优点：

(1)水囊使得超声晶元与治疗部位之间维持远场距离，使超声声强在治疗区域分布均匀，实现对治疗部位的均匀治疗。如果不用水囊而直接将超声晶元贴在治疗部位表面，在近场范围声强随距离、位置的变化较大，无法保证低强度脉冲超声对治疗部位的均匀治疗。

(2)水囊的柔软性使得水囊与治疗部位紧密贴合，从而保证超声传导效果。

(3)水囊内水温控制在33-34摄氏度能够起到最佳的超声耦合效果，并提高治疗效果。

(4)超声晶元阵列保证了治疗的覆盖范围。骨质疏松的部位通常具有较大的面积，单一探头的覆盖范围难免受限，而如果将探头直径做得太大，又会大大增加远场距离，超声晶元与治疗部位的距离会太远(远场距离与探头直径的平方成正比)。因此，本发明使用小尺寸晶元构成超声阵列，在增大覆盖范围的同时，又保证了远场距离不会太大，从而达到了显著的治疗效果。

进一步地，本发明的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪的主机包括人机接口、ARM处理器、FPGA(现场可编程门阵列)芯片、高压脉冲发射电路、电热驱动电路等。主机可以手持或放置于工作平面，例如桌面。

人机接口用于用户与主机之间的交互，ARM处理器用于运行软件程序。用户通过人机接口输入相应的治疗参数，ARM处理器根据治疗参数控制整个治疗流程，并将治疗流程图形化地显示给用户。所述治疗参数包括：声强、中心频率、脉冲重复频率、占空比、治疗时间、水温等。

所述控制包括控制FPGA芯片产生相应的控制时序激励高压脉冲发射电路，以使得探头中的超声机构根据用户要求发射低强度脉冲超声。具体地，FPGA芯片通过高速IO口控制高压脉冲发射电路，FPGA芯片根据ARM处理器发送过来的命令，通过内部锁相环(PLL)产生相应频率、相应占空比、相应重复频率的脉冲控制信号，驱动高压脉冲发射电路发射高压调制脉冲，从而驱动探头发射出低强度脉冲超声信号。FPGA芯片通过控制高压脉冲发射电路中的数字电位器，对发射的脉冲幅度进行调节，从而起到控制声强的作用。

所述控制还包括控制电热驱动电路让加温器升温，读取温度传感器采集到的温度值，并根据采集到的温度值变化调整加温器的开关及功率大小，从而使得水囊中的水温始终控制在合适的区间。

优选地，本发明的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪还包括探头固定装置，用于将探头固定在治疗部位进行治疗。按照治疗部位的不同，可制作大小、长度不同的探头固定装置，以治疗身体的不同部位。所述治疗部位包括但不限于髋部、椎骨、腕部、肱骨等。探头固定装置包括亲肤织物、探头固定卡槽、探头固定卡扣、绑带、绑带卡扣等。

其中，亲肤织物为柔软抗菌抗静电织物，在其中间按照探头的尺寸开一个探头固定卡槽。治疗时，将探头的水囊外露面向下，放入探头固定卡槽中，并扣上探头固定卡扣，从而将探头固定。

其中，绑带为具有良好弹性的织物材料制成。将探头放置于治疗部位上后，通过将左右绑带围绕人体的相应部位进行拉伸，并用卡扣进行卡住，从而实现将探头牢固固定在相应的治疗部位上。

骨质疏松的超声治疗是一种较新的技术，本发明的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪针对骨质疏松的治疗采取了创新性的技术手段，为骨质疏松的治疗提供了有效的治疗系统。

本发明与现有的超声骨折治疗仪有显著区别。由于骨折发生在局部，骨折治疗仪通常采用单晶圆聚焦探头，并且直接将探头贴在皮肤上，从而使治疗部位处于近场范围，在聚焦点形成较大的声强，而在非聚焦点声强很弱。而骨质疏松是骨骼系统整体的骨质降低，因此本发明的骨质疏松治疗仪，采用了非聚焦超声晶圆构成阵列，以覆盖大范围的骨质疏松治疗区域。并且采用水囊以维持远场距离，从而保证整个治疗区域能够接收均匀的超声声强。由于整个骨质疏松部位均匀吸收了超声波的能量，本发明的骨质疏松治疗仪在发射功率、脉冲重复频率和治疗时长等参数上都显著高于现有的骨折治疗仪。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪的主机和探头的结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪的超声晶元阵列的排布示意图；

图3是本发明一个较佳实施例的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪的探头固定装置的示意图。

其中，各附图标记表示的含义如下：1-主机，11-人机接口，12-ARM处理器，13-FPGA芯片，14-高压脉冲发射电路，15-电热驱动电路；2-探头，21-探头外壳，22-超声晶元阵列，23-晶元封装体，24-加温器，25-温度传感器，26-水囊，27-注水口，28-超声耦合剂；3-探头固定装置，31-亲肤织物，32-探头固定卡槽，33-探头固定卡扣，34-绑带，35-绑带卡扣。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪包括主机1和探头2，主机1与探头2之间通过线缆连接，主机1可以手持或放置于桌面。主机1用于控制整个治疗过程，产生驱动信号驱动探头2发出低强度脉冲超声。

探头2包括探头外壳21，超声晶元阵列22，晶元封装体23，加温器24，温度传感器25，水囊26，注水口27等，超声耦合剂28在治疗时涂抹于水囊26下方的露出面。

在本实施例中，超声晶元采用直径为2cm的压电陶瓷片。如图2所示，超声晶元以1cm为间隔，排列成2×4形式的阵列，构成超声晶元阵列22，从而覆盖足够的治疗范围。超声晶元阵列22被封装在晶元封装体23内，晶元封装体23采用复合吸声背材，以吸收超声向后方的反射。加温器24采用带热电保护的电极式加热器，温度传感器25采用防水的热电偶式传感器。超声晶元阵列22、晶元封装体23、加温器24、温度传感器25都被封装在水囊26中。探头外壳21采用坚硬的塑料材质，用于保护水囊26，并维持水囊26的形态。注水口27直径为2.5cm，采用橡胶材质的注水口塞。

在本实施例中，水囊26采用与水具有相近声阻抗且具有生物相容性的薄膜材料制成，具有良好的柔韧性。治疗时，水囊26下方抹上医用的超声耦合剂28，再压至治疗部位，水囊26形状能够随人体的曲线进行良好贴合。水囊26的上半部及四周通过粘合剂固定在探头外壳21内。

在本实施例中，探头外壳21的深度为4cm，晶元封装体23厚度为1cm，水囊26在充满水后隆起，从探头外壳21突出1-2cm左右。因此，超声晶元阵列22与治疗部位之间的距离能够维持在4-5cm左右。在本实施例中，采用1.5MHz中心频率的超声晶元，对应的发射激励信号同样为1.5MHz。根据超声晶元的直径(2cm)、晶元中心频率及声速，可以计算出远场距离为大于4cm。因此，治疗部位位于探头2的远场范围。在远场范围内，声强分布较为均匀，能够保证对治疗部位的均匀治疗。

在本实施例中，当开始治疗时，加温器24将水温加热到33-34摄氏度，通过温度传感器25测量温度，从而形成反馈控制，在整个治疗过程中维持该水温范围。保持该水温主要起两个作用：一是在该温度下水的声阻抗达到与水囊薄膜、人体软组织最佳的匹配，最大程度减少超声在界面上的反射；二是水囊26贴在人体皮肤上，起到温暖治疗部位提高治疗效果的作用。

在本实施例中，主机1包括人机接口11、ARM处理器12、FPGA芯片13、高压脉冲发射电路14、电热驱动电路15等。

在本实施例中，ARM处理器12采用三星公司ARM Cortex-A9内核处理器，其上运行软件程序。人机接口11包括10.1英寸LCD显示器、触摸屏和鼠标键盘。用户通过人机接口11输入相应的治疗参数。ARM处理器12根据治疗参数控制整个治疗流程，并将治疗流程图形化地显示给用户。

在本实施例中，ARM处理器12通过高速串行总线与FPGA芯片13进行通信。控制FPGA芯片13产生相应的控制时序激励高压脉冲发射电路14；并控制电热驱动电路15使加温器24升温，读取温度传感器25采集到的温度值。

在本实施例中，FPGA芯片13采用Xinlinx公司的Spartan6型FPGA芯片，高压脉冲发射电路14采用八通道的高压脉冲发射芯片。FPGA芯片13通过高速IO口控制高压脉冲发射电路14。FPGA芯片13根据ARM处理器12发送过来的命令，通过内部锁相环(PLL)产生相应频率、相应占空比、相应重复频率的脉冲控制信号。驱动高压脉冲发射电路14发射高压调制脉冲，从而驱动探头2发射出低强度脉冲超声信号。FPGA芯片13通过控制高压脉冲发射电路14中的数字电位器，对发射的脉冲幅度进行调节，从而起到控制声强的作用。

在本实施例中，治疗参数包括：声强、中心频率、脉冲重复频率、占空比、治疗时间、水温等。声强可调范围为0-1000mW/cm²，中心频率为1MHz、1.5MHz、2MHz等可选，脉冲重复频率10-10kHz可调，占空比0％-100％可调。

在本发明的另一个实施例中，低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪还包括如图3所示的探头固定装置3，用于将探头2固定在人体的治疗部位。

探头固定装置3包括亲肤织物31、探头固定卡槽32、探头固定卡扣33、绑带34、绑带卡扣35等。

在本实施例中，亲肤织物31采用抗菌棉织物，在其中间按照探头2的尺寸开一个相应的探头固定卡槽32。治疗时，将探头2的水囊26外露面向下，放入探头固定卡槽32中，并扣上探头固定卡扣33，从而将探头2固定牢固。探头固定卡扣33采用硬塑料材质。

在本实施例中，绑带34采用抗菌棉和涤纶混合织物，具有较大伸缩性。将探头2放置于治疗部位上后，通过将左右两边的绑带34围绕人体的相应部位进行拉伸，并用绑带卡扣35进行卡住，从而实现将探头2牢固固定在治疗部位之上。绑带卡扣35采用双缝皮带结构。

在本实施例中，按照治疗部位的不同可制作大小、长度不同的探头固定装置3，以便将探头2固定在身体的不同部位。这些治疗部位包括但不限于髋部、椎骨、腕部、肱骨等部位。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪，其特征在于，包括主机、探头和探头固定装置；所述主机和所述探头之间通过线缆连接，所述主机被设置为用于产生驱动信号来驱动所述探头发出低强度脉冲超声，所述探头被设置为用于放置在人体的治疗部位进行治疗，所述探头固定装置被设置为用于将探头固定在所述治疗部位；其中所述探头包括水囊、探头外壳、超声机构和控温机构，所述超声机构和所述控温机构被封装在所述水囊中，所述水囊的上部及四周固定在所述探头外壳内，

所述探头外壳的深度为4cm，从而使得在所述水囊充满水后，所述超声机构与治疗部位之间的距离能够维持在4cm左右的远场范围内，

所述超声机构包括非聚焦超声晶元阵列和晶元封装体；所述非聚焦超声晶元采用直径为2cm的压电陶瓷片，所述非聚焦超声晶元中心频率1.5MHz，所述非聚焦超声晶元以1cm为间隔，排列成2×4形式的阵列，构成所述非聚焦超声晶元阵列，用于产生低强度脉冲超声，所述非聚焦超声晶元阵列被封装在所述晶元封装体内，所述晶元封装体采用吸声材料，用于吸收向后方反射的超声，

所述控温机构包括加温器和温度传感器；所述加温器用于加热水温，所述温度传感器用于监测水温，所述控温机构可由所述主机控制使得所述水囊中的水温保持在33-34摄氏度。

2.如权利要求1所述的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪，其中所述水囊采用与水具有相近声阻抗且具有生物相容性的薄膜材料制成。

3.如权利要求1所述的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪，其中所述主机包括人机接口、ARM处理器、FPGA芯片、高压脉冲发射电路、电热驱动电路。

4.如权利要求3所述的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪，其中所述人机接口用于用户与所述主机之间的交互，所述用户通过所述人机接口输入治疗参数，所述ARM处理器根据所述治疗参数控制治疗流程，所述治疗参数包括：声强、中心频率、脉冲重复频率、占空比、治疗时间、水温。

5.如权利要求3所述的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪，其中所述FPGA芯片根据所述ARM处理器的命令，通过内部锁相环产生一定频率、占空比和重复频率的脉冲控制信号，以驱动所述高压脉冲发射电路发射高压调制脉冲，从而驱动所述探头发射出低强度脉冲超声信号。

6.如权利要求1所述的低强度脉冲超声骨质疏松治疗仪，其中所述治疗部位包括髋部、椎骨、腕部、肱骨。