CN110141394A - 一种小动物超声装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小动物超声装置，包括超声腔，超声腔分别与超声发射装置、温度控制装置(3)和气体麻醉装置相连；超声腔包括超声麻醉室和超声耦合室；超声麻醉室和超声耦合室通过螺纹连接；超声麻醉室上设置进气孔、出气孔、上翻盖和与超声耦合室连接的接口；超声耦合室的侧面设置注水口、循环水进口、循环水出口，底部为换能器安装底座；换能器安装底座上安装有换能器，换能器安装底座通过底座接口与水耦合池的内侧面固定连接，超声耦合室的上表面设置超声发射孔，超声发射孔由一层柔性塑料薄膜密封。本发明能够实现小动物肿瘤声动力治疗，小动物脑神经超声调控；能够高效率、低成本、安全地使用。
Description
技术领域
本发明属于实验设备，具体为一种小动物超声装置。
背景技术
超声波是一种机械波，在生物组织内以纵波的形式传播，可以穿透组织到达十几厘米的深度作用于病灶。利用超声可以携带信息的功能，可以用超声实现超声成像；同时超声波还携带有能量，可以用于声动力治疗，超声热消融，药物递送和神经调控等领域。在肿瘤治疗中，传统的方式主要是外科手术切除，化疗和放疗等。这些手段往往会对身体产生二次伤害，增加病人治病过程中的痛苦，开发一种无损伤，非侵入的肿瘤治疗手段显得尤为重要。
光动力治疗虽然可以在一定程度上起到无损伤治疗的效果，但是受到光线穿透组织深度限制，一般只能在浅表达到治疗效果。声动力治疗跟光动力治疗类似，治疗过程中会产生单线态氧，自由基和一些超氧化合物，对肿瘤造成化学伤害。不同的是，声动力治疗使用声敏化剂来代替光敏化剂，超声波代替激光。因为超声波在组织内衰减小，可以穿透十几厘米的深度。相较于光动力治疗，声动力治疗作用部位更深，使用聚焦超声波，可以精确作用于局部肿瘤部位。同时，长时间超声辐射，肿瘤部位会因为能量累计，温度升高，达到热消融的效果，实现对肿瘤的物理伤害。
利用超声波携带的能量，会增强EPR效应(enhanced permeability andretention effect)，促进细胞对药物的吸收。或者利用一些声敏感的制剂，在超声的作用下在局部释放。一直以来，人们发现长时间低强度超声作用可以实现对神经系统的调控，治疗或缓解癫痫，帕金森等疾病。本发明作为一种超声发射和调控设备，可以简单，稳定地在小动物身上实现以上所例举的科学研究内容。
目前市面上尚没有小动物用超声治疗系统。一些开发用于超声治疗的仪器主要用于人体超声治疗，由于缺少恒温系统和麻醉系统，不能直接用于小动物超声治疗上。例如授权公告号为CN 207506864 U和公布号为CN 108904038 A的中国专利都是使用聚焦超声换能器，前者有一定的降温功能，但是缺少升温设备，后者没有控温功能。同时，他们设备过于庞大，缺少麻醉系统，也不能支持多种波形发射能力。此外，超声治疗还有很多问题没有搞清楚，比如超声对人体的副作用、超声强度、频率等参数的探索，都需要大量动物实验来研究证实。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种用于肿瘤声动力治疗、药物递送和神经调控的小动物超声装置。
技术方案：本发明所述的一种小动物超声装置，包括超声腔，超声腔分别与超声发射装置、温度控制装置(3)和气体麻醉装置相连；超声腔包括超声麻醉室和超声耦合室；超声麻醉室和超声耦合室通过螺纹连接；超声麻醉室上设置进气孔、出气孔、上翻盖和与超声耦合室连接的接口；超声耦合室的侧面设置注水口、循环水进口、循环水出口，底部为换能器安装底座；换能器安装底座上安装有换能器，换能器安装底座通过底座接口与水耦合池的内侧面固定连接，超声耦合室的上表面设置超声发射孔，超声发射孔由一层柔性塑料薄膜密封。安装底座可以安装直径为5～50mm的换能器，换能器易于拆卸、安装，且密封性良好；超声室和超声发射单元通过螺纹连接。
超声发射装置包括频率、功率可调的超声驱动装置和阻抗匹配装置。超声驱动装置发出的信号通过阻抗匹配装置输出到换能器。超声驱动装置包括超声强度调节旋钮、显示屏、输出接口和参数输入面板，输出接口与阻抗匹配装置相连。阻抗匹配装置使用串联电感、并联电容进行调谐匹配，使用高频变压器进行电阻匹配，阻抗匹配装置可以有效降低换能器对信号的反射，增大输出功率。
温度控制装置包括循环水、内置PTC加热器和风冷散热装置。循环水在水泵驱动下，从超声耦合室流出后，首先到达风冷散热装置经风冷散热，然后到达PTC加热器，使温度稳定在设定的温度范围内，最后再流入超声耦合室。循环水温度低于设定温度时，通过PTC加热，所述循环水温度高于设定温度时，通过风冷散热。水流流量控制不要超过0.5L/min。
气体麻醉装置包括废气收集罐和气体挥发罐。废气收集罐与出气孔相连，气体挥发罐与进气孔相连。气体挥发罐产生不同浓度，不同流速的麻醉气体。在气泵泵入空气后，气体挥发罐内的麻醉剂挥发，顺着管道到达超声麻醉室的进气孔，并维持内麻醉气体的浓度，最后从小动物超声麻醉室的出气孔排出，被废气收集罐收集起来。
超声从换能器发射出来之后，经过水耦合池，最后通过发射孔径上的塑料薄膜作用于小动物需要作用的部位。发射孔径的数量和尺寸可以根据需要自行定制，一般建议孔径数量为1～4个，可同时进行一只或者多只小动物的超声实验。塑料薄膜为聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚丙烯薄膜，换能器为聚焦超声换能器或圆形平面换能器。
使用步骤：
(a)从超声耦合室的侧面注水口向水耦合池内灌满水，注意在灌满水的时候仔细地把气泡排干净，启动温度控制装置，使得超声耦合室的水耦合池水温达到小动物体温，并保持这一温度不变；
(b)连接好气体麻醉装置的气路，启动麻醉机使得麻醉室充满麻醉气体；
(c)启动超声发射装置，选择超声发射波形、超声的频率和强度，运行三分钟预热，打开超声麻醉室的顶盖，快速把已经麻醉好的小动物放入超声麻醉室，使得小动物需要超声的部位对准发射孔径，并与发射孔径上的塑料薄膜接触，最后固定好小动物姿态，合上超声麻醉室的顶盖；
(d)观察小动物三分钟左右，等到小动物稳定麻醉之后开始超声。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：能够实现小动物肿瘤声动力治疗，小动物脑神经超声调控；能够高效率、低成本、安全地使用；在良好阻抗匹配下，使用聚焦超声换能器，本发明在1MHz连续正弦信号激励下，可以产生20W/cm2以上的高强度超声波；能够用于小动物级别的声动力治疗，超声热融治疗实验研究；使用圆形平面换能器，能够在0-3W/cm2范围内有效调节声波发射强度，可用于小动物神经系统的声调控，本发明还支持同时多只小鼠的实验研究。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明超声麻醉室11的结构示意图。
图3是本发明超声耦合室12的结构示意图。
图4是本发明超声发射孔128的俯视图。
图5是本发明换能器安装底座124和换能器125示意图。
图6是本发明超声驱动装置21的工作原理图。
具体实施方式
如图1，超声腔装置1分别与超声发射装置2、温度控制装置3和气体麻醉装置4相连，超声波发射装置2的频率、波形、强度由超声驱动装置21调节，超声驱动装置21发出的交变电信号通过阻抗匹配装置22输出到换能器125转换为超声波。超声驱动装置21包括超声强度调节旋钮211、显示屏212、BNC输出接口213和参数输入面板214，BNC输出接口213与阻抗匹配装置22相连。超声驱动装置21的输出阻抗50Ω，支持0～20MHz的发射信号，最大输出电压150Vp-p(峰峰值)，外接50Ω外阻时，最大功率可达100W。阻抗匹配装置22使用串联电感、并联电容进行调谐匹配，使用高频变压器进行电阻匹配，阻抗匹配装置22可以有效降低换能器125对信号的反射，增大输出功率。为了保证稳定的超声波输出，阻抗匹配装置22取Q＝4进行设计。
在水泵驱动下，水从超声耦合室12的循环水进口122流入，从循环水出口123流出，到达温度控制装置3内的散热片，经风冷散热后，再通过温度控制装置3内的PTC控温模块稳定温度后输入到超声耦合室12内，如此循环。温度控制装置3需要设定恒定的目标温度和循环水的流速，流速一般控制在0.5L/min以下，这样可以减少水流对超声波的影响。
气体麻醉装置4包括废气收集罐41和气体挥发罐42。废气收集罐41与出气孔112相连，气体挥发罐42与进气孔111相连。在气泵泵入空气后，气体挥发罐42内的麻醉剂挥发，顺着管道到达麻醉室11的进气孔111，并维持麻醉室11内麻醉气体的浓度，最后从小动物超声麻醉室11的出气孔112排出，被废气收集罐41收集起来。本实验使用气体流速在2.5L/min，具体浓度和流速根据具体实验制定。
如图2～5，超声腔1包括用于小动物安放、超声的超声麻醉室11和超声耦合室12。超声麻醉室11和超声耦合室12的通过螺纹连接，通过橡胶圈密封，螺纹连接既牢固，密封性也好。超声耦合室12的底部为底座接口126，换能器安装底座124上固定安装特定型号的换能器125。换能器安装底座124通过螺纹与底座接口126连接，接口处采用橡胶圈密封，保证水不会写漏出来换能器安装底座124可以安装直径为5～50mm的换能器125，整个过程易于拆卸、安装，且密封性良好。
柔性塑料薄膜129为聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚丙烯薄膜，均为具有较高的韧性，声阻抗与水相近，能够实现较好的声匹配。小动物超声的数量可以是一至四只，也可根据使用需求设计更多数量，可同时进行一只或者多只小动物的超声实验，具体数目由超声发射孔数目决定。超声波从换能器125上发射出来后，经水耦合池127到达柔性塑料薄膜129，再穿过柔性塑料薄膜129直接作用于小动物需要超声位置，小动物超声位置毛发已经被剃光。
如图6，是超声驱动装置21的数字合成工作原理图，直接数字合成技术(DDS)是最新发展起来的一种信号产生方法，它完全没有振荡器元件，而是用数字合成方法产生一连串数据流，再经过数模转换器产生出一个预先设定的模拟信号。通过功率放大之后输出到阻抗匹配装置22。
实施例1：肿瘤声动力治疗案例
准备工作：选取带聚焦超声换能器125的安装底座124，把安装底座124旋进底座接口126，本实验使用中心频率为1MHz，带宽为30％，聚焦超声换能器口径12mm，焦距60mm，在焦点处可以产生20W/cm2以上的超声波；然后连接好外部循环水系统；侧放设备，然后打开注水口121，缓慢向水耦合池172内加入去离子水，小心排出里面的气泡；设定好温度控制装置3的温度，控制温度比小动物体温略高，本实验使用小鼠模型，把温度控制在38℃。然后打开外部循环水系统，把所有气泡全部排除干净；当水耦合池172的水注满之后，旋紧注水口121。
参考图1顺序依次连接好其他设备，打开超声驱动装置21，调节所需要发射超声的强度、频率、波形等参数，本实验使用1MHz的正弦信号，驱动功率为3.4W，平均超声强度为3W/cm2。让超声发射装置2预热工作3分钟左右，然后关闭超声发射装置2。
实验进行中：因为毛发会阻碍超声波的传播，把已经预先麻醉好的小鼠局部剃毛；然后把超声耦合剂涂在柔性塑料薄膜129上；把小鼠放入超声麻醉室11内，并用透明胶带固定小鼠；关上超声麻醉室11的上盖，打开气体麻醉装置4，向超声麻醉室11内通入异氟烷麻醉气体；控制异氟烷气体浓度在2-3％之间，气体流速在2.5L/min；打开超声发射装置2，开始计时。
实验结束后：首先关闭超声发射装置2；然后向超声麻醉室11内通入3分钟新鲜空气，然后关闭气体麻醉装置4；打开超声麻醉室11的上盖，取出小鼠，并把里面擦洗干净；关闭温度控制装置3。
实施例2：超声神经调控方案
实施例2与实施例1一样，具体有以下几点不同之处，其余均一样。一、使用平面换能器125，中心频率1MHz，直径50mm；二、使用脉冲超声波，重复频率在100-1000Hz之间，等效连续超声波0.5W/cm2，工作时间在20min左右。三、所使用的的超声发射孔128数目为4，一次性可以对四只小动物实施实验，方便研究在同一实验变量下的对照。
实施例3：促进药物释放和吸收
研究表明，低强度超声可以促进药物的扩散和吸收。实施例3与实施例1一样，具体有以下几点不同之处，其余均一样：一、使用平面换能器125，中心频率1MHz，直径50mm；二、仍然使用连续超声波，超声发射频率1MHz，但是超声强度较低，一般在0.5～1W/cm2之间，工作时间在20min左右。
首先把药物涂抹在小动物皮肤表面，并涂抹均匀。准备好实验工作之后，启动小动物超声装置，进行超声促进药物的释放和吸收。
Claims (10)
1.一种小动物超声装置，其特征在于：包括超声腔(1)，所述超声腔(1)分别与超声发射装置(2)、温度控制装置(3)和气体麻醉装置(4)相连；所述超声腔(1)包括超声麻醉室(11)和超声耦合室(12)；所述超声麻醉室(11)和超声耦合室(12)相连；所述超声麻醉室(11)上设置进气孔(111)、出气孔(112)、上翻盖(113)和与超声耦合室连接的接口(114)；所述超声耦合室(12)的侧面设置注水口(121)、循环水进口(122)、循环水出口(123)，底部为换能器安装底座(124)；所述换能器安装底座(124)上安装有换能器(125)，所述换能器安装底座(124)通过底座接口(126)与水耦合池(127)的内侧面固定连接，所述超声耦合室(12)的上表面设置超声发射孔(128)，超声发射孔(128)由一层柔性塑料薄膜(129)密封。
2.根据权利要求1所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述超声发射装置(2)包括超声驱动装置(21)和阻抗匹配装置(22)，所述超声驱动装置(21)发出的电信号通过阻抗匹配装置(22)输出到换能器(125)上转换为超声波。
3.根据权利要求2所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述超声驱动装置(21)包括功率调节旋钮(211)、显示屏(212)、输出接口(213)和参数输入面板(214)，所述输出接口(213)与阻抗匹配装置(22)相连。
4.根据权利要求2所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述阻抗匹配装置(22)使用串联电感、并联电容进行调谐匹配，使用高频变压器进行电阻匹配。
5.根据权利要求1所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述温度控制装置(3)包括循环水、内置PTC加热和风冷散热装置；所述循环水温度低于设定温度时，通过PTC加热；所述循环水温度高于设定温度时，通过风冷散热。
6.根据权利要求1所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述气体麻醉装置(4)包括废气收集罐(41)和气体挥发罐(42)。
7.根据权利要求6所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述废气收集罐(41)与出气孔(112)相连，所述气体挥发罐(42)与进气孔(111)相连。
8.根据权利要求1所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述超声耦合室(12)的数量与超声发射孔(128)相同。
9.根据权利要求1所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述柔性塑料薄膜(129)为聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚丙烯薄膜。
10.根据权利要求1所述的一种小动物超声装置，其特征在于：所述换能器(125)为聚焦超声换能器或圆形平面换能器。
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