CN107427695A - 用于组织维护、修复和再生的促进细胞活性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

通过具有多个换能器元件的超声波阵列换能器和控制器，执行刺激组织内的细胞活性，该控制器启动多个换能器元件沿扫描方向以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能。以扫略速率重复启动多个换能器元件沿扫描方向以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能，以便进行多个扫略循环，该扫略速率刺激细胞以获得最佳组织生长。

Description

用于组织维护、修复和再生的促进细胞活性的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年3月9日提交的题为“用于组织修复和再生的促进细胞活性的系统和方法”的美国临时专利申请No.62/130,513的申请日的权益，其通过引用整体并入本文。

政府权利

本发明是在美国国立卫生研究院给予的R01AR52379和R01AR61821号拨款；美国陆军医学研究和装备司令部给予的W81XWH-07-1-0337号拨款；以及美国国家航天医学研究中心通过NASA合同NCC 9-58的政府支持下进行的。美国政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明一般涉及用于治疗人和动物组织的治疗性超声波系统，更具体地，涉及治疗性超声波系统，该系统发射能够促进用于组织生长的细胞活性的超声波信号。

背景技术

肌肉骨骼疾病是医疗保健系统的重大负担，并且严重影响经受这些疾病的人尤其是老龄化人群的生活质量。肌肉骨骼疾病包括硬组织恶化(如骨质疏松症)，软组织恶化(如骨关节炎)，硬组织损伤(例如骨折、骨折不愈和应力性骨折)，结缔软组织损伤(例如韧带、肌腱和肌肉的撕裂或拉伤)。为了使这些肌肉骨骼疾病的影响最小化，期望引发和加速组织生长，以及减缓组织恶化。

然而，随着我们年龄增长，组织生长减缓，使得无法减轻恶化和修复损伤。这是由于形成组织的细胞不太能够分化(具有不同特性并成熟为组织细胞)、增殖(生长和繁殖)、更替(替换旧细胞或改变类型)和调节(维持稳态)。此外，身体活动减少导致血液流动和组织液流动(组织中的液体为细胞提供营养物以及物理切应力，并清除废物)减少。因此，优化组织维护、修复和再生的主要目标是增加感兴趣区域中的细胞分化、细胞穿孔、运动性、细胞调节、组织重塑、组织再生、矿化、血液流动和组织液流动。

众所周知，身体内的细胞响应机械负载。细胞机制将机械负载转换为化学活性(力传导)，这提高了细胞分化和调节。多年来，低密度脉冲超声波(“LIPUS”)形式的声能用于向组织提供机械负载以加速康复(参见Duarte的美国专利No.4,530,360)

然而，对超声波加速康复的结果进行调查的研究产生了不一致的结果。对于不一致的一个解释是缺少对在组织生长的复杂过程中起作用的生物机制的全面理解。研究者在过去几十年非常努力工作，试图弄懂物理刺激对组织生长的影响。最近的发现给出了对起作用的生物机制的更好理解。已经发现，除了细胞增殖和分化，钙释放、基因表达、细胞和分子途径信号及营养物质运输是组织生长的重要组成部分。在一项新研究中，已经发现机械负载与液流引起这些生物机制。参见Qin，Yi-Xian和Hu,Minyi的“肌肉骨骼组织再生的力传导：液流、负载和细胞分子途径的作用”，欣达维出版公司国际生物医学研究，2014年8月18日电子出版，PubMed数据库的唯一标识码：25215295，其通过引用并入此文。

现有技术的超声波系统发射用于向组织和细胞提供负载的声压波，然而由这些系统发射的声压波不会在组织内诱发受控的液流。因此，需要提供一种超声波系统，其发出声能以提供机械负载并在组织内诱发受控的液流，以便获得增强并一致的组织维护、修复和再生。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供发出声能的超声波系统和方法，其方式为提供机械负载并诱发受控液流，以便获得增强并一致的组织维持、修复和再生。本发明目前优选的形式通过沿扫描方向以扫略速率向感兴趣区域(ROI)内的位置发出聚焦声能，以诱发受控液流，从而实现上述目的。以一致地刺激ROI中细胞活性的扫略速率重复发出集中声压波和诱导液流的循环。不同于现有技术的液流可意外和随机产生的系统，本发明中的超声波系统和方法产生的液流是可控和一致的。本发明的超声波系统和方法以对于钙释放、基因表达、细胞和分子途径信号激活和营养物质运输所必需的频率产生压力梯度、剪应力、组织液流动、应变速率、应变梯度和负载，由此为组织维护、修复和再生提供增强和一致的细胞刺激。

本发明包括用于实现上述目的的方法、系统和控制器。该系统包括具有多个换能器元件和控制器的超声波阵列换能器。在不同的实施例中，超声波阵列换能器可以具有包括线性阵列和相控阵列的线性形式；或包括二维矩阵和环形的二维形式。控制器设定为启动换能器以发射如下所述的聚焦声能。

本发明的方法包括将具有多个换能器元件的超声波阵列换能器定位在ROI附近，并启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能。以扫略速率，重复启动多个换能器元件以向多个焦点区位置发射聚焦声能，以进行多个扫略循环。

在各种实施例中，对于交替的扫略循环，扫描方向是相反的。在一些实施例中，焦点区位置在整个感兴趣区域内均匀间隔开。在一些实施例中，启动多个换能器元件以向多个焦点区位置发射聚焦声能在两个空间维度或三个空间维度上执行。

在各种实施例中，聚焦的声能可以在感兴趣的区域具有5mW/cm²至180mW/cm²范围内的强度，以提供治疗性处理。在各种实施例中，焦点区扫描速率可以在0.2kHz至0.5MHz的范围内，并且扫略速率可以在0.2Hz至1kHz的范围内。

在各种实施例中，在可能具有5分钟至60分钟的时间范围的治疗期内可以执行多个扫略循环。在一些实施例中，治疗期可包括休息期。可以在几天内重复治疗性处理以促进组织生长。

附图说明

图1示出了将聚焦声能发射到感兴趣区域的示例性超声波系统的图示。

图2示出了发出聚焦声能以刺激分子和细胞机制的示例性超声波阵列换能器的高水平图示。

图3A示出了示例性线性阵列换能器及其最大扫略距离的附图。

图3B示出了图示负载响应的曲线图。

图4A示出了示例性线性阵列换能器的附图和相应的多个扫略循环产生的震荡声能模式曲线图。

图4B示出了示例性线性阵列换能器的附图和相应的多个扫略循环产生的正弦声能模式曲线图。

图5A示出了示例性二维矩阵和从该二维矩阵发出的示例性声能焦点区的附图。

图5B示出了示例性二维矩阵和从该二维矩阵发出的示例性声能焦点区的附图。

图5C示出了多个换能器元件产生图5A和图5B中示出的示例性声能焦点区的启动顺序序列。

图6A示出了具有编号换能器元件的示例性二维矩阵的附图。

图6B示出了图6A中的二维矩阵为不同的焦点区容量提供聚焦声能的附图。

图6C示出了说明编号换能器元件产生图6B中所示的焦点区的启动顺序曲线图。

图7示出了本发明一个实施例中的多个换能器元件的声能参数和时间的曲线图。

图8示出了说明本发明的系统的实施例的框图。

图9示出了说明刺激组织内细胞活性的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

本发明将结合附图详细描述一种目前优选的实施例。参考图1，示出了向感兴趣区域(“ROI”)发出聚焦声能25的超声波系统1的实施例。本发明的超声波系统1具有超声波阵列换能器5，超声波阵列换能器5具有多个换能器元件10和控制器20，控制器20设定为启动多个换能器元件10，以提供机械负载和诱发受控液流的方式发出聚焦声能25，以便使组织维护、修复和再生增强并一致。超声波阵列换能器5能通过有线连接或无线连接与控制器20通信。超声波阵列换能器5能够通过手持保持在合适的位置进行治疗，或者作为可穿戴设备的一部分在治疗期间保持在适当位置。该超声波阵列换能器5能够与身体15的皮肤表面耦合，或直接与组织表面耦合，例如与本领域技术人员熟知的骨组织或软骨组织相连接。

通过图示，图1示出了对准病人身体15的股骨颈的聚焦声能25。应当理解的是，ROI可以在任何组织(软组织或硬组织)中，在身体15(人类或动物)外部或内部，并包括其中细胞刺激正受到促进的身体15内的任何区域(例如臂、手、腿、脚、臀、肩、膝)。细胞刺激可用于骨折愈合、骨再生、骨修复、骨骼密度维护、骨移植、骨骼缺损的骨骼重建、干细胞向不同路径的分化、组织工程、增强药物输送、基因疗法及软骨、韧带和肌腱形成中的软骨细胞分化。

本文中使用的短语“在感兴趣区域附近”指接收定向聚焦声能的组织附近的区域。例如，如图1所示，超声波阵列换能器5被物理定位于患者身体15的臀部区域，以便将声能25聚焦至股骨颈。超声波阵列换能器5放置在臀部还允许进行大转子区和髋关节软骨的治疗。同样地，超声波阵列换能器5放置在腿部允许进行胫骨骨折的治疗，超声波阵列换能器5放置在膝盖允许进行膝关节软骨的治疗，超声波阵列换能器5放置在肩部允许进行肩部软骨的治疗。

参考图2，从概念上说明了多个换能器元件10发出聚焦声能25，以通过分子和细胞机制激活刺激组织响应。启动多个换能器元件10发出声能25，该声能25在焦点区位置结合形成焦点区40，如图1所示。本文使用的术语“焦点区”是指聚焦声能25的目标位置处的结果点、结果区域或结果体积。术语“焦点区位置”是指组织内焦点区40冲击组织细胞的位置。在此图示中，多个焦点区位置的第一个示为F1，最后一个示为Fn。每个焦点区40在邻近组织中产生压力梯度30，其向细胞提供局部剪切应力。

在向焦点区位置F1发出声能25后的一段时间间隔内，启动多个换能器元件10以发出声能25，该声能25结合形成偏离于第一焦点区位置F1的另外焦点区40(未示出)。焦点区位置可在整个治疗区域均匀分布，或者也可选作偏倚模式，其中一些焦点区位置紧密聚集在一起而其他焦点区位置则更分散。重复形成焦点区40的多个换能器元件10的启动以形成n个焦点区位置，如Fn所示。本文使用的术语“焦点区扫描速率”是指在不同焦点区位置F1-Fn，产生焦点区40的速率。本文使用的术语“扫描方向”是指焦点区40从一个焦点区位置到下一个焦点区位置的移动方向，例如从F1到Fn。

焦点区40向组织细胞的冲击产生压力波，其诱发压力梯度30。当在一定时间和距离内产生另一个压力波时，由于组织细胞不会恢复至其原位置，因此压力梯度30增强。增强的压力梯度30诱导液流35与扫描方向相同。本文使用的术语“扫略循环”是指按扫描方向向围绕ROI的多个焦点区位置发出聚焦声能25的顺序。该ROI的应用非常宽松，包括治疗区域(区)或治疗区域的一部分。

在本发明中，执行多次扫略循环，即F1到Fn、F1到Fn、F1到Fn……在一些实施例中，交替的扫略循环的扫描方向相反，即在一个扫略循环中从F1到Fn，然后在下一个扫略循环从Fn到F1。本文使用的术语“扫略速率”是指执行扫略循环的重复频率。可在治疗时间期间执行扫略循环。本文使用的术语“治疗”是指使用治疗性超声波能量(或声能)影响组织内的细胞。本文使用的术语“治疗期”是指使用治疗影响组织内细胞的持续时间，大约为每天5-60分钟，优选为每天15-20分钟。

如下所述，本发明的各种实施例可具有不同超声阵列换能器配置、焦点区尺寸、焦点区扫描速率、焦点区位置、扫描方向、扫略速率、声能等级和声音频率。然而，与现有技术中不可预期、随机地产生液流的系统不同，本发明的不同实施例产生受控且增强的液流35。此外，与现有技术系统中来自声能的声压扩张并压缩ROI中的细胞不同，本发明中的各种实施例发出产生压力梯度30的压力波，该压力波具有施加在细胞上的偏效应。该偏效应沿扫描方向发生，其将细胞压至侧边而不是压缩它们，因为由于聚焦声能25以焦点区扫描速率传输至各个焦点区位置，压力梯度30在扫描方向上增强。已证明偏效应可刺激细胞膜。

在一些实施例中，如下所述，能够在两个或三个空间维度产生压力梯度30和液流35。二(或三)维压力梯度30和液流35能够在不同局部解剖位置刺激不同细胞类型。二(或三)维压力梯度30和液流35还能够通过组织中的各种空间通道刺激细胞响应。这能够补偿具有各向异性的和不均匀的组织。

在本发明的各种实施例中，超声波阵列换能器5可具有不同配置。在优选实施例中，超声波阵列换能器5是非侵入性超声波换能器。超声波阵列换能器5可为线性阵列、相控阵列、二维矩阵或环形。线性阵列和相控阵列可包含任意数量的换能器元件10。二维矩阵可以是任意尺寸具有任意数量换能器元件10，包括例如2x2,、2x6、5x5、10x5、25x25等。环状可包括任意数量的环部作为换能器元件10。控制器20可启动所有换能器元件10以形成焦点区40，或可启动一部分换能器元件10以形成焦点区40。在本文可按照各种配置的超声波阵列换能器5对本发明的不同方面进行描述。然而，应当理解，本发明的不同方面能够通过很多超声波阵列换能器5配置和控制器20配置实现。

参考图3A，示出了具有5个换能器元件10的线性阵列或相控阵列换能器5的实施例。线性阵列或相控阵列换能器5的尺寸可依赖于换能器元件10的数量、换能器元件10的尺寸、倾斜尺寸和超声波阵列换能器5的包装。如本领域技术人员所知，超声波阵列换能器5的长度提供转向角a。转向角a和从超声波阵列换能器5到ROI的距离，示为L1和L2，形成扫略循环能够覆盖的最大距离，分别示为D1和D2。然而，扫略循环覆盖的距离可选择为与ROI匹配，其通常小于扫略循环能够覆盖的最大距离。当治疗身体15的组织创伤或恶化时，ROI对应于骨质缺损或损伤软骨的尺寸，通常为1厘米至3厘米。应当理解的是，其他类型治疗即骨质维护的ROI可以更大。

为确定整个ROI中的焦点区位置，可先选择焦点区40的尺寸。优选地，焦点区尺寸选择为与待刺激的组织中的细胞尺寸相匹配。这根据组织类型可在1μm-100μm的范围内。然而，焦点区尺寸能够扩大到1mm，并仍然在ROI中产生足够的压力梯度30和液流35。通过用ROI的尺寸除以焦点区40的尺寸可确定焦点区40的数量，以允许焦点区40均匀分布在整个ROI。然而，应当理解的是可以使用其他焦点区位置模式，例如偏倚模式。

优选地，对焦点区扫描速率进行选择以增强压力梯度30，并且焦点区扫描速率依赖于细胞响应速率，根据细胞类型，细胞响应速率为2.0Hz-1MHz。因此，该焦点区扫描速率优选地选择在0.2kHz-0.5MHz的范围内，更优选地在10kHz-500kHz的范围内。如图3B所示，焦点区扫描速率、焦点区尺寸和ROI尺寸组合可相结合进行选择，以满足组织生长的扫略速率要求。图3B的曲线图示出，随着加载速率增加，负载诱导组织中的压力增加。该负载诱导压力引起压力梯度30，其增加液流35并启动组织适应和组织生长。图3B示出了在较低加载速率0.1Hz-1Hz，组织内的负载诱导压力三倍地增加。在加载速率接近20Hz时，组织内的负载诱导压力开始达到稳定，在加载速率接近60Hz时，组织内的负载诱导压力到达阈值。因此，加载速率为0.1Hz到500Hz(高于此速率，细胞将被过度刺激)，可实现最佳组织生长。由于扫略速率是加载速率的两倍，为了最佳组织生长，扫略速率可在0.2Hz-1kHz的范围内，更优选地在2Hz-240Hz的范围内。优选地，焦点区扫描速率、焦点区尺寸和ROI尺寸相结合进行选择，以实现最佳组织生长的扫略速率。

由此，如果ROI选择为例如1cm，其通常用于骨折愈合和骨修复，且焦点区尺寸选择为10μm，那么焦点区的数量为1cm/10μm＝1000。然后焦点区扫描速率能够选择为100kHz，以提供100Hz的扫略速率(在此实施例中，扫略速率等于焦点区扫描速率除以焦点区数量)。

表1提供了该示范性实施例的相应ROI尺寸、焦点区尺寸、焦点区扫描速率和扫略速率的其它例子。应当理解的是，在本发明的各种实施例中，这些参数可变化。

表1

ROI	焦点区尺寸	焦点区数量	焦点区扫描速率	扫略速率
					2cm	10μm	2000	200kHz	100Hz
3cm	10μm	300	10kHz	33Hz
					4cm	50μm	800	16kHz	20Hz
5cm	50μm	1000	100kHz	100Hz

参考图4A，示出了具有5个换能器元件10的线性阵列或相控阵列换能器5的示例，其向多个焦点区位置发出聚焦声能25。为简单起见，仅示出3个焦点区40，包括左边、中间和右边的焦点区位置。然而，应当理解的是，在左右焦点区位置之间可具有多个其他焦点区40。每个扫略循环的扫描方向可提供振荡模式，其在线性阵列下方的相应曲线图中示出。此曲线图示出了对于一致的扫描方向，ROI中央的声能。可以看出，随着焦点区40沿扫描方向移动穿过ROI的中央，声能升高和降低，示为“+”方向。沿扫描方向(且随后还原至他们的静止位置)，以扫略速率推动震荡模式中的分子。

参考图4B，示出了具有5个换能器元件10的线性阵列或相控阵了换能器5的实例，其向多个焦点区位置发出聚焦声能25。在此示例中，扫描方向为在一个扫略循环中从左到右，在下一个扫略循环从右到左。相反扫描方向提供了在线性阵列下方的相应曲线图中示出的正弦波模式。该曲线图示出了ROI中央的声能模式。能够看出，随着焦点区40在第一扫略循环中沿从左到右的方向移动穿过ROI的中央，声能25升高和降低，示为“+”方向；且随后在第二扫略循环中声能25沿相反方向升高和降低，示为“-”方向。在此正弦模式中，在第一扫略循环，沿一个方向推动此细胞，并将其还原至它们的静止位置；在下一扫略循环，沿相反方向推动细胞并将其还原至它们的静止位置。

参考图5A，示出在扫略循环开始时(聚焦在左边)，具有多个换能器元件10的二维矩阵的示例，其发出聚焦声能25作为线形焦点区40。参考图5B，示出在扫略循环结束时(聚焦在右边)，相同的具有多个换能器元件10的二维矩阵的示例，其发出聚焦声能25作为线形焦点区40。参考图5C，曲线图示出了在如图5A和5B示出的线形焦点区40中发出聚焦声能25的启动顺序。在此实施例中，可使用线形焦点区40的宽度大小来确认如上所述的焦点区位置。在此实施例中，线形焦点区40的长度允许二维细胞刺激。在此示例中，扫描方向跨过X轴，沿Y轴对细胞进行刺激。然而在其他实施例中，扫描方向可沿Y轴或二维矩阵的对角轴。

在一些实施例中，为了进行三维细胞刺激，细胞刺激可沿两个轴向包括沿Z轴(垂直于x-y轴)进行。为了沿Z轴的细胞刺激，变化声能25的深度。这可通过在扫描方向上以焦点区扫描速率升高(和/或降低)声能25的功率而完成。这还可通过沿扫描方向以焦点区扫描速率将焦点区40聚焦至靠近远端(或远离近端)而实现。在每个扫略循环期间，当细胞激活沿两个轴或三个轴进行时，可沿一个轴与另一个轴(或其他两个轴)交错发出聚焦声能25。

参考图6A，示出了具有多个换能器元件10的二维矩阵的示例。参考图6B，示出了图6A中的二维矩阵为三维细胞刺激发出大量聚焦声能25。参考图6C，示出多个换能器元件10的动作序列的时间，以产生图6B示出的大量聚焦声能25。在此实施例，焦点区40的中央保持不动且焦点区40的尺寸变化以产生体积压力梯度30。在此实施例中，焦点区40的不同尺寸相当于上述实施例不同焦点区位置，并可相似地选取。焦点区40的尺寸以焦点区扫描速率增大(或减小)。在此实施例中，焦点区40的聚焦尺寸起始于较大尺寸，逐渐变小，且之后变大产生正弦模式。

参考图7，示出了具有5个换能器元件10的示例线性阵列或相控阵列换能器5，向多个焦点区位置发出聚焦声能25。为简单起见，仅示出三个焦点区40，包括左边、中间、右边的焦点区位置。然而，如上所述，应当理解的是，在左右焦点区位置之间可具有许多其它焦点区40。在每个描绘的焦点区40下方，是示出来自五个换能器元件10中每个的相应声信号的曲线图，示为Tx₁、Tx₂、Tx₃、Tx₄和Tx₅。曲线图下方是指出声信号时间参数的图表，该声信号有助于用于组织维护、修复和再生的细胞刺激。应当理解的是，超声波系统1的各种实施例和配置的时间参数将不同。

如本领域技术人员所知，发出的声信号Tx₁、Tx₂、Tx₃、Tx₄和Tx₅间的相位差50，产生聚焦声能25。发出的声波信号Tx₁、Tx₂、Tx₃、Tx₄和Tx₅间的相位差50，可作为焦点区位置、焦点区尺寸和声波信号频率的函数变化。

在此图表中将声波信号的频率51描述为时间段(1/f)。可基于要治疗的组织类型选取频率51。在优选实施例中，用于硬组织治疗的超声波信号频率在0.3MHz-3.5MHz的范围内，更优选地在0.5MHz-1.5MHz的范围内。在优选实施例中，用于软组织治疗的超声波信号频率在0.5MHz-7.5MHz的范围内，更优选地在1.0MHz-2.5MHz的范围内。

焦点区扫描周期52基于焦点区扫描速率。如上所述选择焦点区扫描速率。本文使用的术语“占空比”是指声信号Tx₁、Tx₂、Tx₃、Tx₄和Tx₅的发射时间占焦点区扫描周期52的比例。可选择小于100％的占空比以允许细胞恢复至中立状态，以响应下一个声能25发射。由于在100％占空比组织会疲劳，在优选实施例中，声信号发射的占空比在10％-80％的范围内。

扫描周期53基于扫略速率。如上所述选择扫略速率。在优选实施例中，ROI处超声束25的功率优选为低强度超声波，在5mW/cm²-180mW/cm²的范围内，更优选地在20mW/cm²-80mW/cm²的范围内。这些强度等级是位于ROI处的，而不是换能器元件10的实际输出。由于来自启动的换能器元件10的声信号Tx₁、Tx₂、Tx₃、Tx₄和Tx₅相结合在ROI处产生集中声能25的功率，超声信号的强度56取决于超声阵列换能器5的配置和ROI的位置。

在一些实施例中，焦点区40处的聚焦声能25的功率可具有设定的分布曲线，其中聚焦声能25的功率可被控制为焦点区位置的函数，其中向一个焦点区40发射的聚焦声能25的功率可大于向邻近焦点区位置发射的聚焦声能25的功率。这能产生空间声能梯度，其可产生定制的压力梯度30。此外，对于每个焦点区位置，向每个焦点区40发射的聚焦声能25的功率可具有不同的能量分布曲线。能量分布曲线可在每个扫描周期重复。

治疗期55能够持续数分钟，例如，对于骨愈合，每天15-20分钟。此外，超声波系统1可用于每周数天，持续数周；例如，骨愈合大约需要4-6周。不同类型的组织可要求不同治疗期，其可每周进行不同天数，并/或进行不同周数。在一些实施例中，治疗期55可包括休息期，其能够为下列模式，例如：重复5分钟进行/5分钟停止模式，或在早上、中午和晚上应用治疗5分钟。不同类型的组织可要求在一周的不同日子应用治疗，如周一、周三和周五。此外，进行数天的治疗后，可以是20-150天，优选地30-90天，可在重复治疗前进行数天的休息期，如30天。

参考图8，示出了包括控制器20和超声波阵列换能器5的超声波系统1的优选实施例的框图。尽管控制器20和超声波阵列换能器5显示为分开的模块，但应当理解的是，各个模块的部件可集成在一个模块中。如本领域技术人员所知，控制器20可通过有线或无线通信控制超声波阵列换能器5。控制器20可以是专用手持单元、个人电脑设备或者更大型控制系统的部件。

如上所述，超声波阵列换能器5的配置和尺寸可变化，并能够以本领域所知的各种方式进行设计。该多个换能器元件10中的每个具有压电元件，当电流供至压电元件时，该压电元件能够震动产生声能(超声波能量)。微控制器60可执行存储在ROM63中的步骤将超声波系统1初始化。设置微控制器60以控制换能器元件10(为简单起见示为单个换能器元件10)的电源供应，使得能够在特定时间启动换能器元件10，以传递特定强度等级的声信号。不同强度等级和不同时间的选择允许超声波系统1以所需强度等级、频率、占空比、焦点区尺寸、焦点区位置、焦点区扫描速率及扫略速率提供聚焦声能25，用于最佳组织生长。应当理解的是，微处理器60可包括相关硬件和软件，并可以是任意能够执行本发明不同方法步骤的处理器。

为了初始化超声波系统1，显示器85上的治疗位置和治疗参数可提示用户。显示器85可显示治疗设置和其他信息。用户可在输入设备90输入他/她的选择。输入设备90可以是触摸屏、键盘、鼠标、转盘或其他类似设备。相反地，微处理器60可基于存储于ROM63中的预设参数初始化超声波系统1。在初始化期间，微处理器60可设置计时器64来监控治疗的持续时间和其他各种持续时间，例如休息期。微控制器60还可确定每个换能器元件10对于治疗期的特定能量信号和时间信号。该信息随后可作为输出特性文件存储在先进先出(FIFO)存储器65中。

为了启动换能器元件10使其以所需强度等级、频率、占空比、相位间隔、焦点区扫描速率、扫略速率和治疗期发出聚焦声能25；微控制器60可从FIFO存储器65读取输出特性文件，且在振荡器80产生的时间周期控制至驱动器67的信号。为完成这些，微控制器60可控制功率转换器70将电源75的功率级转换为为了启动换能器元件10发出必要能量等级的聚焦声能25，驱动器所需的功率级。在相应时间，控制器60可控制脉冲发生器66供应转换后的功率信号至驱动器67，以在所需时间启动多个换能器元件10产生聚焦声能25。功率转换器70、脉冲发生器66和驱动器67在图8中描绘为单个部件，但是应当理解的是，每一个都可以是匹配多个换能器元件10(或其子设备)的多个部件。应当理解，如本领域技术人员所知，可合并各种零件以完成上述内容。

参考图9，描述了本发明的一种示例方法。在此示例中，步骤100，可以由医疗专业人员、临床医生或者治疗系统的使用者识别ROI并选取将要治疗的组织类型。可使用各种图像系统，包括超声波、核磁共振(MRI)、断层扫描(CT)和X光来确定ROI。在各种实施例中，组织的类型和/或ROI可预设入超声波系统1。

步骤105，超声波阵列换能器5随后置于身体15上ROI附近。在一些实施例中，身体15可以是托住待治疗的组织的容器。通过将凝胶涂至身体15的表面或超声波阵列换能器5的表面，超声波阵列换能器5可声耦合至身体15的皮肤。或者，如本领域技术人员所知，可使用水(或水浴)使超声波阵列换能器5声耦合至身体。在特定实施例中，超声波阵列换能器5置于要治疗的组织上。

下一步，步骤110，选择到ROI的距离。在各种实施例中该距离可预设。接下来步骤115，确定如上所述的声波功率、声波频率、焦点区扫描速率和焦点区位置。下一个步骤120，确定占空比和治疗期。这可以是如上所述选定的要治疗组织的类型的函数。下一个步骤125，确定启动换能器元件10的时间和功率等级参数，且此数据存储在FIFO存储器65中。在特定实施例中，可以将占空比、治疗期、功率等级和时间预设至超声波系统1中，使这些步骤不是必须的。下一个步骤130，控制器20启动多个换能器元件10以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能25。下一个步骤140，对于每个扫略循环，控制器20确认是否完成治疗期。如果治疗期没有完成，则开始启动多个换能器元件10以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能25的步骤。步骤145，当治疗期完成时，控制器20将停止发出聚焦声能25。应当理解的是，如本领域技术人员所知，以上步骤可以以许多变体进行，并与额外步骤合并，以完成上述内容。

以上完整描述了本发明的选定实施例，可以使用各种替代、修改、结合和等同方案实践本发明。例如，具有单个换能器元件的超声波换能器可与其他战略性位于身体上的具有单个换能器元件的超声波换能器协同工作，以完成本发明的方法。另外，可以使用环状阵列形式代替二维形式。通常，在权利要求书中，所使用的权利要求项应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种刺激感兴趣区域的组织内细胞活性的方法，所述方法包括：

将超声波阵列换能器定位在感兴趣区域附近，所述超声波阵列换能器包括多个换能器元件；

启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能，所述焦点区扫描速率在0.2kHz至0.5MHz的范围内；且

以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。

2.根据权利要求1所述的方法，其中交替扫略循环的所述扫描方向相反。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在两个空间维度，启动多个换能器元件向多个焦点区位置发出聚焦声能。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在三个空间维度，启动多个换能器元件向多个焦点区位置发出聚焦声能。

5.根据权利要求1所述的方法，其中感兴趣区域的聚焦声能的强度在5mW/cm²至180mW/cm²范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中焦点区位置在整个感兴趣区均匀分布。

7.根据权利要求1所述的方法，其中扫略速率在0.2Hz至1kHz的范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在治疗期内以扫略速率执行多个扫略循环，所述治疗期在5分钟至60分钟的时间范围内。

9.根据权利要求9所述的方法，其中所述治疗期还包括休息期。

10.一种刺激身体内感兴趣区域的细胞活性的系统，所述系统包括：

超声波阵列换能器，所述超声波阵列换能器包括多个换能器元件；及

控制器，所述控制器设定为：

启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能，所述焦点区扫描速率在0.2kHz至0.5MHz的范围内；

以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。

11.根据权利要求11的系统，其中所述超声波阵列换能器为线性形式。

12.根据权利要求11的系统，其中所述超声波阵列换能器为二维矩阵形式。

13.根据权利要求11的系统，其中感兴趣区域的聚焦声能的强度在5mW/cm²至180mW/cm²范围内。

14.根据权利要求11的系统，其中交替扫略循环的扫描方向相反。

15.根据权利要求11的系统，其中所述焦点区位置在整个感兴趣区域均匀分布。

16.根据权利要求11的系统，其中扫略速率在0.2Hz至1kHz的范围内。

17.根据权利要求11的系统，其中在治疗期内以扫略速率执行多个扫略循环，所述治疗期在5分钟至60分钟的时间范围内。

18.一种用于刺激身体内感兴趣区域的细胞活性的控制器，所述控制器设定为：

启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能，焦点区扫描速率在0.2kHz至0.5MHz的范围内；

以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。

Claims (20)

1.一种刺激感兴趣区域的组织内细胞活性的方法，所述方法包括：

将超声波阵列换能器定位在感兴趣区域附近，所述超声波阵列换能器包括多个换能器元件；

启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能；且

以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。

2.根据权利要求1所述的方法，其中交替扫略循环的所述扫描方向相反。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在两个空间维度，启动多个换能器元件向多个焦点区位置发出聚焦声能。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在三个空间维度，启动多个换能器元件向多个焦点区位置发出聚焦声能。

5.根据权利要求1所述的方法，其中感兴趣区域的聚焦声能的强度在5mW/cm²至180mW/cm²范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中焦点区扫描速率在0.2kHz至0.5MHz的范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其中焦点区位置在整个感兴趣区均匀分布。

8.根据权利要求1所述的方法，其中扫略速率在0.2Hz至1kHz的范围内。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在治疗期内以扫略速率执行多个扫略循环，所述治疗期在5分钟至60分钟的时间范围内。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述治疗期还包括休息期。

11.一种刺激身体内感兴趣区域的细胞活性的系统，所述系统包括：

超声波阵列换能器，所述超声波阵列换能器包括多个换能器元件；及

控制器，所述控制器设定为：

启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能，

以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。

12.根据权利要求11的系统，其中所述超声波阵列换能器为线性形式。

13.根据权利要求11的系统，其中所述超声波阵列换能器为二维矩阵形式。

14.根据权利要求11的系统，其中感兴趣区域的聚焦声能的强度在5mW/cm²至180mW/cm²范围内。

15.根据权利要求11的系统，其中交替扫略循环的扫描方向相反。

16.根据权利要求11的系统，其中所述焦点区扫描速率在0.2kHz至0.5MHz的范围内。

17.根据权利要求11的系统，其中所述焦点区位置在整个感兴趣区域均匀分布。

18.根据权利要求11的系统，其中扫略速率在0.2Hz至1kHz的范围内。

19.根据权利要求11的系统，其中在治疗期内以扫略速率执行多个扫略循环，所述治疗期在5分钟至60分钟的时间范围内。

20.一种用于刺激身体内感兴趣区域的细胞活性的控制器，所述控制器设定为：

启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能，

以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。