CN111249614A - 一种新型换能器及超声波导入仪 - Google Patents
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Abstract
一种新型换能器及超声波导入仪，其可提高换能器与驱动电路阻抗匹配性，可提高药物传递均匀性，其包括单个换能器或换能器阵列、电路装置、载体，换能器阵列包括若干个以阵列方式布置的换能器，电路装置包括驱动电路、控制器，单个换能器工作在低频模式，换能器阵列工作在低频模式或低频与高频共同作用模式，换能器中压电陶瓷的形状为圆形、矩形、正方形或多边形，其还包括储液室，储液室一端通过导管与载体连通，导管一端与储液室连通，导管另一端与载体侧端对应或连通，储液室另一端腔体内设置有活塞，活塞通过驱动装置驱动，采用上述超声波导入仪实现药物导入的方法，驱动电路采用扫频方法调节换能器的驱动频率。
Description
技术领域
本发明涉及透皮贴片技术领域，尤其涉及换能器及利用其制成的超声波导入仪及药物导入方法。
背景技术
在糖尿病、关节炎的治疗、导入抗生素、以及减肥、美容、针灸、镇痛等领域，常需将药物或蛋白透过皮肤导入体内，尤其在镇痛领域，常用的给药方法包括口服、皮下注射、静脉注射、药物输送泵(如胰岛素泵、止痛泵)和贴片等，但是上述镇痛方式常存在副作用多、给药速度慢、给药不均匀、镇痛效果差等问题。
上世纪50年代研究表明超声可以增强透皮给药过程中皮肤渗透性，目前实现透皮给药的导入仪中常用的换能器为弯张换能器，弯张型换能器是一种将压电陶瓷的伸缩运动转换为金属外壳弯曲运动的换能器，无论是Moonie还是钹式换能器都使用厚度方向极化的圆形压电陶瓷片及两个金属端盖，科学家对这些钹式换能器的设计、制造和电学与声学特性进行了详细的研究，例如专利号为WO2004/073769 patent公开了一种利用钹式换能器发射与接收声波信号以测量贴剂中剩余药物量的方法，并给出了一种“铜钹”式换能器以实现透皮导药。但是“铜钹”式换能器在实际透皮导药应用中有诸多困难，如阻抗过高，与电路阻抗不匹配，给药不均匀，原因在于：首先，“钹式”换能器具有较高的电阻抗，这导致驱动电路和换能器之间阻抗不匹配，单个典型“钹式”换能器的电阻抗在1000-2000Ω范围内，由于电阻抗与驱动电路(常见50Ω)差别较大，需要在换能器与电路间设置特定阻抗匹配电路，由于空间非常有限，阻抗匹配电路的设置使得产品整体尺寸偏大，无法满足用户随身便携式携带的要求；其次，现有的”钹式”换能器驱动为单频驱动，换能器阵列中只有中间换能器起导药主要作用，因此容易造成局部过热或皮肤损伤等，并且其工作时金属外壳在第一弯曲谐振模式，其频率远低于陶瓷圆盘径向振动第一谐振频率，因此其金属壳体弯曲振动谐振频率与陶瓷谐振频率的差距较大，换能器效率较低，也不利于药物均匀导入。
发明内容
针对现有技术中存在的声波强化透皮药物传递过程中的阻抗失配、药物传递不均匀的问题，本发明提供了一种换能器及超声波导入仪，其可实现与驱动电路更好的阻抗匹配，可提高药物传递均匀性。
一种换能器，其为V类弯张换能器，其包括压电陶瓷、金属壳体，所述压电陶瓷与所述金属壳体以层状结构连接，所述压电陶瓷上布置有电极，所述电极设置于所述压电陶瓷与所述金属壳体之间，所述层状结构为单面结构或双面结构，所述单面结构指所述金属壳体布置于所述压电陶瓷一侧，所述双面结构指包括两个所述金属壳体，两个所述金属壳体分别布置所述压电陶瓷的两侧，所述电极覆盖于所述压电陶瓷的顶部或底部，所述金属壳体内设置有空腔，其特征在于，所述换能器中压电陶瓷的形状为圆形、矩形、正方形或多边形。
其进一步特征在于，所述金属壳体为锥台复合结构，所述锥台复合结构包括圆锥台复合结构、四棱锥台复合结构或多边形锥台复合结构，所述圆锥台复合结构为上部圆锥台与下部环形相结合的组合结构，所述多边形锥台复合结构为上部多边形锥台与下部多边形相结合的组合结构，所述四棱锥台复合结构为上部四棱锥与下部矩形相结合的组合结构，所述压电陶瓷边缘与所述锥台复合结构下部通过树脂或胶粘接；
所述金属壳体两侧分别设置有凸出于所述金属壳体外表面的凸起；
所述换能器中压电陶瓷为环形时且层状结构为双面结构时，所述金属壳体为圆锥台复合结构，所述压电陶瓷两侧的所述金属壳体为同向布置。
一种基于上述换能器制成的超声波导入仪，其包括单个换能器或换能器阵列、电路装置、载体，所述载体一端与所述单个换能器或换能器阵列对应，所述载体另一端与肌体外表面对应，所述换能器阵列包括若干个以阵列方式布置的换能器，所述换能器与电路装置电连接，所述电路装置包括驱动电路与控制器，其特征在于，所述单个换能器工作在低频模式，所述换能器阵列工作在低频模式或低频与高频共同作用模式，其还包括储液室，所述储液室一端通过导管与所述载体对应或连通，所述储液室另一端腔体内设置有活塞，所述活塞通过驱动装置驱动沿所述储液室内腔移动。
其进一步特征在于，所述驱动装置为压缩弹簧或马达；
所述载体可采用纱布；
所述活塞通过所述压缩弹簧驱动时，所述压缩弹簧的一端与储液室内壁固定，所述压缩弹簧另一端与所述活塞固定，在不同液体截面处设置不同活塞并以此调节给药速度；
所述活塞通过所述马达驱动时，所述活塞通过齿轮螺杆机构与所述马达连接，所述齿轮螺杆机构包括相啮合的齿轮组和螺杆，所述齿轮组一侧与所述马达的齿轮啮合，所述齿轮组另一侧与所述螺杆一端啮合，所述活塞一侧端与所述螺杆固定连接，所述活塞另一侧端与所述储液室的内腔对应；
其还包括监测系统、反馈电路、药物输送系统，所述药物输送系统包括所述控制器、驱动电路、换能器阵列，所述监测系统通过所述反馈电路与所述控制器连接，所述控制器与所述驱动电路、马达电连接，所述监测系统包括生物传感器，所述生物传感器用于检测肌体的血糖等信息，所述反馈电路用于将所述生物传感器检测的信息传递给控制器，所述控制器根据检测信息控制所述驱动电路、马达。
一种采用上述超声波导入仪实现药物导入的方法，其具体包括以下步骤：S1、将药物涂覆于所述载体上或肌体表面，将载体布置于换能器阵列的外部；S2、使载体与肌体表面接触；S3，启动超声波导入仪，通过电路装置驱动导入仪工作，并调节超声波导入仪中的换能器阵列的工作频率范围，其特征在于，在步骤S3中，通过扫频法调节所述超声波导入仪的驱动频率，使单个换能器工作在低频驱动模式，或使换能器阵列工作在低频驱动模式或低频驱动与高频驱动结合作用模式下，扫频可使单个换能器或换能器阵列中每个元素工作在相应谐振频率上。
其进一步特征在于，所述药物可用抗生素或蛋白代替。
采用本发明的上述结构可以达到如下有益效果：将换能器中压电陶瓷形状设计为圆形、矩形、正方形或多边形，可大大降低换能器阻抗，使换能器阻抗与驱动电路阻抗更为接近，可以实现与电路更好的阻抗匹配，阻抗匹配性越好，换能器的机电转换效率越高。此外对矩形换能器来说换能器工作在金属壳体弯曲振动的第一或第三谐波模态中，其壳体弯曲模态与陶瓷伸缩振动谐振频率差异比传统的“钹式”换能器要小，这保证了矩形弯张换能器具有较高的传输功率和效率，从而可降低能源消耗和投入成本。此外长方形换能器的封装密度最大，同样尺寸阵列矩形换能器比传统“钹式”换能器的辐射面积高，因此具有较高的药物输送速度与给药均匀性。采用本发明的换能器制成的超声波导入仪，并通过扫频法调节换能器的驱动频率，使超声波导入仪中的换能器阵列的工作频率控制在一定范围内，由于换能器阵列元素之间总是有细微频率差异，通过扫频法可使每个换能器工作在谐振频率，进而确保了药物导入的均匀性，避免了单频作用下而产生的不均匀给药以及与此相关的局部过热或皮肤损伤。
附图说明
图1为传统铜钹式换能器的立体结构示意图；
图2为本发明换能器实例一的立体结构示意图；
图3为本发明换能器实施例二的立体结构示意图；
图4为本发明换能器实施例三的立体结构示意图；
图5为本发明换能器实施例四的立体结构示意图；
图6为本发明换能器实施例五的立体结构示意图；
图7为本发明换能器实施例六的立体结构示意图；
图8为本发明导入仪的主视结构示意图；
图9为本发明导入仪中驱动装置实例一的立体结构示意图；
图10为本发明导入仪中驱动装置实例二的立体结构示意图；
图11为使用本发明导入仪对猪皮进行红色颜料导入前的结构示意图；
图12为使用本发明导入仪对猪皮进行红色颜料导入后的结构示意图，导入仪中包含有换能器实施例一、驱动装置实施例二；
图13为使用本发明导入仪实现胰岛素导入的系统结构框图。
具体实施方式
见图1，传统铜钹式换能器，其包括压电陶瓷1、金属壳体2，压电陶瓷1为圆形的单片式结构，金属壳体2为双面结构，金属壳体2分布于压电陶瓷1两侧，因其形状像乐器故称为铜钹换能器，压电陶瓷1与金属壳体2之间采用粘合剂粘接；
见图2，换能器实施例一，其包括压电陶瓷1-1、金属壳体1-2，压电陶瓷1-1与金属壳体1-2以层状结构粘接，压电陶瓷1-1上布置有电极(图中未示出)，层状结构为双面结构，双面结构指金属壳体1-2分布于压电陶瓷1-1的两侧，电极设置于压电陶瓷1-1与金属壳体1-2之间，并完全覆盖于压电陶瓷1-1的顶部和底部，金属壳体1-2内设置有空腔，压电陶瓷1-1为单片、正方形结构，金属壳体1-2上部为圆锥台结构1-2-1，金属壳体1-2下部为环形结构1-2-2，压电陶瓷1-1通过环氧树脂固定在金属壳体1-2边缘，金属壳体1-2的上部、下部通过冲压金属片一体成型，随机选取十个该方形换能器与铜钹式换能器进行对比，如表1中所示，该换能器谐振频率电阻抗范围：900欧姆-1150欧姆，导纳实部电导G范围为0.7mS-0.9mS，现有铜钹式换能器电阻抗为1200欧姆-1900欧姆，铜钹换能器导纳实部G为0.4mS-0.8mS，可见，该换能器的电阻抗比铜钹式换能器电阻抗有显著降低，驱动电路采用现有技术，现有常用驱动电路的电阻抗约为50Ω，可见本申请换能器电阻抗与驱动电路电阻抗更为接近，阻抗匹配性有显著提高，并且该换能器导纳实部G的值远远高于铜钹换能器导纳实部G的值，因此，该换能器的机电转换效率比铜钹换能器提高；
见图3，换能器实施例二，其包括压电陶瓷2-1、金属壳体2-2，压电陶瓷2-1与金属壳体2-2以层状结构粘接，压电陶瓷2-1上布置有电极(图中未示出)，层状结构为双面结构，双面结构指金属壳体2-2分布于压电陶瓷2-1的两侧，电极设置于压电陶瓷2-1与金属壳体2-2之间，并完全覆盖于压电陶瓷2-1的顶部和底部，金属壳体2-2内设置有空腔，压电陶瓷2-1为单片、正方形结构，金属壳体2-2上部为圆锥台结构2-2-1，金属壳体2-2下部为环形结构2-2-2，压电陶瓷2-1通过环氧树脂与金属壳体2-2边缘固定，金属壳体2-2的上部、下部通过冲压金属片一体成型，两个金属壳体2-2两侧分别设置有凸出于金属壳体2-2外表面的凸起2-3，两侧凸起2-3以金属壳体2-2的竖向中心线为轴对称布置，随机选取十个该方形换能器与铜钹式换能器进行对比，如表1中所示，该换能器谐振频率电阻抗范围：580欧姆-760欧姆，导纳实部电导G范围为1.2mS-1.7mS，现有铜钹式换能器电阻抗为1200欧姆-1900欧姆，铜钹换能器导纳实部G为0.4mS-0.8mS，可见，该换能器的电阻抗比铜钹式换能器电阻抗有显著降低，驱动电路采用现有技术，现有常用驱动电路的电阻抗约为50Ω，可见本申请换能器电阻抗与驱动电路电阻抗更为接近，阻抗匹配性有显著提高，并且该换能器导纳实部G的值远远高于铜钹换能器导纳实部G的值，因此，该换能器的机电转换效率比铜钹换能器提高；
表1：实施例一换能器、实施例二换能器与“铜钹”换能器电阻抗值与导纳实部电导在谐振点峰值的实验对比
见图4，换能器实施例三，其包括压电陶瓷3-1、金属壳体3-2，压电陶瓷3-1与金属壳体3-2以层状结构粘接，压电陶瓷3-1上布置有电极(图中未示出)，层状结构为单面结构，单面结构指金属壳体3-2布置于压电陶瓷3-1的一侧，电极设置于压电陶瓷3-1与金属壳体3-2之间，并完全覆盖于压电陶瓷3-1上，金属壳体3-2内设置有空腔，压电陶瓷3-1为单片、正方形结构，金属壳体3-2上部为圆锥台结构3-2-1，金属壳体3-2下部为环形结构3-2-2，压电陶瓷3-1通过环氧树脂与金属壳体3-2边缘固定，金属壳体3-2的上部、下部通过冲压金属片一体成型，该换能器谐振频率电阻抗范围：950欧姆-1250欧姆，导纳实部电导G范围为0.6mS-0.8mS，现有铜钹式换能器电阻抗为1200欧姆-1900欧姆，铜钹换能器导纳实部G为0.4mS-0.8mS，可见，该换能器的电阻抗比铜钹式换能器电阻抗有显著降低，而导纳实部G也稍高于传统“铜钹”换能器电导，因此可实现与驱动电路更好的阻抗匹配，驱动电路采用现有技术，现有常用驱动电路的电阻抗约为50Ω，可见本申请换能器电阻抗与驱动电路电阻抗更为接近，阻抗匹配性有显著提高，因此，该换能器的机电转换效率比铜钹换能器提高；
通过将上述实施例一、实施例二、实施例三中的方形换能器与传统铜钹式换能器进行对比可知，本专利新设计的方形换能器电阻抗比相同尺寸“钹式”换能器降低，平均导纳有显著提升，尤其是实施例二方形换能器，其谐振频率下电阻抗约为传统“铜钹”换能器电阻抗50％，而导纳实部电导G约为传统“铜钹”换能器电导2-3倍，因此可以实现与电路更好的阻抗匹配(驱动电路阻抗50欧姆)及更高的换能器机电转换效率，缩小了换能器与驱动电路间阻抗差异，本专利公开的新型换能器效率比“钹式”换能器有显著提高。
当上述实施例一、实施例二、实施例三中形换能器的方形压电陶瓷3-1收缩时，迫使金属壳体3-2向外凸出，由于两个金属壳体3-2可以同相运动，因此换能器可以非常有效地传输能量，值得注意的是，此种换能器可为单面结构，也可以为双面结构，即可以具有单个金属壳体或一对金属壳体，它们的频谱可能略有不同，但带有单个金属壳体的换能器依然能够发射与接收低频声波。
现有的铜钹换能器的驱动为单频驱动，谐振频率附近由于每个阵列元素发出的声波相互作用导致中心元素的位移量大约为边缘换能器位移量的两倍，由于中心元素位移量过大，可导致中心过热与导药仪器损坏,并且由于“钹式”换能器阵列中心元素的位移量与边缘换能器位移量差别较大，应用于胰岛素透皮给药过程时导药并不是很均匀。将上述三种方形换能器置于猪皮上进行导入均匀性实验，选择肌体为猪皮，采用超声波导入仪导入食用红的方法包括以下具体步骤：在采用导入仪导入前对肌体进行预处理：
S01、选择肌体为猪皮去脂肪；
S02、将去脂肪的猪皮浸泡在水中30分钟；
S03、将食用红与水以1克：500ml的比例混合成混合液；
S1、将混合液涂覆于超声波导入仪的载体上；
S2，使涂覆有混合液的载体与经步骤S12处理后的猪皮接触；
S3，启动超声波导入仪，通过电路装置驱动导入仪工作，通过扫频法调节所述超声波导入仪的驱动频率，使换能器阵列中的各个换能器驱动频率控制在20kHz-100KHz，低频范围内扫频可使单个换能器或换能器阵列中每个元素工作在相应谐振频率上；电路装置一还包括移频控制单元，移频控制单元可采用现有常规技术，移频控制单元用于产生扫频信号驱动低频换能器。
超声波导入仪内的换能器可发射低频超声波，在其作用下，猪皮皮肤组织中形成药物传输微通道，该微通道允许食用红与水的混合液通过，从而使分子载体上的大多数混合液快速渗透通过猪皮，通过扫频法可使超声波导入仪内的不同换能器均工作在谐振频率，因此可确保超声波导入仪分子导入的均匀性，通过调整扫频范围与扫描速度或加入电子开关可以调节超声导入仪输出功率；
其还包括步骤S4，采用超声波导入仪对猪皮施加能量的时间为30分钟，然后停止超声波导入仪。
S5，导入仪导入效果检测，肉眼观测经步骤S4处理后的猪皮上的混合液的导入状况，在采用超声波导入仪对猪皮施加能量前，混合液的红色颜料停留在猪皮表面，没有穿透过角质层，如图11所示，在经步骤S4处理后，在猪皮与超声波导入仪的分子载体接触部位混合液的红色颜料穿过角质层并进入皮下组织，如图12所示，这进一步表明包含本发明的换能器的超声波导入仪可发射低频超声能量并增强皮肤渗透性，图12中，M表示猪皮，A1表示使用包含有实施例一换能器的导入仪实现食用红液体导入的结果，A2表示使用包含有实施例二换能器的导入仪实现食用红液体导入的结果，A3表示使用包含有实施例三换能器的导入仪实现食用红液体导入的结果，从图12中可以看出，使用上述三种导入仪均可实现食用红液体的均匀导入，且使用包含有实施例二换能器的导入仪实现食用红液体导入更为均匀，透皮效果更好。此外由实验结果可知食用红颜料均匀通过猪皮角质层，实验使用三个换能器相应位置均看到均匀红色透过角质层，这有别于传统透皮导药结果。早期利用铜钹结构换能器并用单频驱动以实现透皮导药的实验结果表明导药不均匀，只有中心换能器处可实现有效导药，其他换能器处没有观察到有效导药(例如现有的“Modeling andunderwater characterization of cymbal transducers and arrays”，J.Zhang；A.-C.Hladky-Hennion；W.J.Hughes；R.E.Newnham，IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control，Volume:48,Issue:2,March 2001)，这会导致换能器局部过热及局部能量过高对皮肤有潜在的破坏作用。本专利发明的换能器组合阵列采用独特的扫频模式驱动换能器，并且所发明换能器的效率与阻抗匹配比传统铜钹换能器有较大提高，这些措施保证了所发明透皮给药仪比传统铜钹阵列透皮给药更均匀，更安全及更有效，本申请中导入仪可用不设置载体，将药物或待涂覆物质直接涂覆于肌体皮肤上，然后使导入仪中的换能器接触皮肤以实现透皮导入。
见图5，换能器实施例四，其包括压电陶瓷4-1、金属壳体4-2，压电陶瓷4-1与金属壳体4-2以层状结构粘接，压电陶瓷4-1上布置有电极(图中未示出)，层状结构为双面结构，双面结构指金属壳体4-2布置于压电陶瓷4-1的两侧，两侧金属壳体4-2以压电陶瓷4-1的横向中心线为轴对称布置，电极设置于压电陶瓷4-1与金属壳体4-2之间，并完全覆盖于压电陶瓷4-1的顶部和底部，金属壳体4-2内设置有空腔，压电陶瓷4-1为单片、长方形结构，金属壳体4-2上部为四棱锥台结构4-2-1，金属壳体4-2下部为四边形结构4-2-2，金属壳体4-2下部的结构与压电陶瓷4-1结构一致，压电陶瓷4-1通过环氧树脂与金属壳体4-2边缘固定，金属壳体4-2的上部、下部通过冲压金属片一体成型；
见图6，换能器实施例五，其包括压电陶瓷5-1、金属壳体5-2，压电陶瓷5-1与金属壳体5-2以层状结构粘接，压电陶瓷5-1上布置有电极(图中未示出)，层状结构为单面结构，单面结构指金属壳体5-2布置于压电陶瓷5-1的一侧，电极设置于压电陶瓷5-1与金属壳体5-2之间，并覆盖于压电陶瓷5-1与金属壳体5-2之间的端面上，金属壳体5-2内设置有空腔，压电陶瓷5-1为单片、长方形结构，金属壳体5-2上部为四棱锥台结构5-2-1，金属壳体5-2下部为四边形结构5-2-2，金属壳体5-2下部的结构与压电陶瓷5-1结构一致，压电陶瓷5-1通过环氧树脂与金属壳体5-2边缘固定，金属壳体5-2的上部、下部通过冲压金属片一体成型；
上述实施例四、实施例五中的换能器均可以工作在第一阶谐振模式或第三阶谐振模式，使得金属壳体的弯曲模态与压电陶瓷伸缩振动谐振频率差异比传统的铜钹换能器要小，这保证了矩形弯张换能器具有较高的传输功率和效率，对于低频超声强化透皮给药，现有技术中实验已证明声波辐射面占总表面积的比例越高，药物传输则越均匀，矩形弯张式换能器以上述形状及结构布置时，分别可以获得最大的封装密度，即同样尺寸探头矩形换能器比传统“钹式”换能器的辐射面积提高60％～70％，因此药物传输均匀性也可大大提高，例如采用包含有上述实施例四、实施例五矩形换能器的导入仪分别进行小鼠胰岛素导入实验，实验表明在相同条件下，即在采用的电路装置相同，驱动频率相同等条件下，长方形换能器可以获得均匀给药，在施加超声60分钟后，采用长方形换能器小鼠血糖浓度降低量为采用传统“铜钹”换能器血糖浓度降低量115％～125％，其原因在于，长方形换能器金属壳体内空腔的存在将压电陶瓷的收缩运动转换为金属壳体的外凸运动，由于金属壳体内空腔的存在壳体弯曲振动的幅度比压电陶瓷振动振幅显著放大，在同等给药面积情况下长方形状的弯张换能器由于排列密度较大且有效辐射面积比例较大，因此可提供比”钹式”换能器更为均匀且更为有效的透皮给药，
此外，目前的钹式换能器发射全方位声波波束，在定向应用中如低频声波强化透皮给药过程中产生了问题，因为只有一半的输出能量可以用于透皮导药，造成辐射能量的浪费，而本发明中同样尺寸探头矩形换能器比传统“钹式”换能器的辐射面积提高60％～70％，因此药物传输均匀性也可大大提高。
见图7，实施例六，一种定向式圆盘形换能器的结构示意图，换能器包括圆环形压电陶瓷6-1、金属壳体6-2，压电陶瓷6-1与金属壳体6-2以层状结构粘接，压电陶瓷6-1上布置有电极(图中未示出)，层状结构为双面结构，双面结构指金属壳体6-2布置于压电陶瓷6-1的两侧，金属壳体6-2为同向布置，电极设置于压电陶瓷6-1与金属壳体6-2之间，并覆盖于压电陶瓷6-1与金属壳体6-2之间的压电陶瓷6-1端面上，金属壳体6-2内设置有空腔，压电陶瓷6-1为单片、圆环形结构，金属壳体6-2上部为圆锥台结构6-2-1，金属壳体6-2下部为环形结构6-2-2，金属壳体6-2下部的结构与压电陶瓷6-1结构一致，压电陶瓷6-1通过环氧树脂与金属壳体6-2边缘固定，金属壳体6-2的上部、下部通过冲压金属片一体成型，金属壳体6-2同向布置，即其中一个金属壳体的向外运动，另一个金属壳体做同向运动并向内进入压电陶瓷中部圆环空腔内；当压电陶瓷圆环伸张收缩时，两个金属壳体做同向运动，从而产生方向声波，本申请公开的此种新型换能器结合了“钹式”换能器和“Moonie”换能器的特性，在液体介质中应用时为实现声波传递要求换能器内部需要充液，由于两金属壳体以同相位运动因此发射效率较高，由于传统“铜钹”换能器尺寸远小于谐振频率下声波波长，为实现定向发射，此种换能器尺寸需大于谐振频率下声波波长，结合扫频技术，实施例六换能器组成低频换能器阵列或低频与高频换能器组合阵列，可以实现定向式均匀给药。并且上述实施例一至实施例六中的几种换能器制成超声波导入仪时，在扫频法作用下产生低频声波，均可实现均匀给药；实施例四、实施例五、实施例六中的换能器的谐振频率电阻抗范围在500欧姆～1100欧姆范围内，导纳实部电导G在0.6ms～1.2ms范围内，可见，相比于现有的铜钵式换能器，本发明中的换能器与驱动电路的阻抗匹配性更好。
采用上述图2至图6中的任意一种换能器制成超声波导入仪，见图8，其包括双层换能器阵列7、电路装置一8、载体9，电路装置一中的驱动电路用于产生低频驱动信号，载体9一侧与皮肤对应，载体9另一侧与换能器7相对应，换能器阵列7包括若干个以阵列方式布置的换能器71，换能器阵列7、电路装置8均固定于绝缘板件15上，电路装置8固定于板件一侧，换能器阵列7固定于板件15另一侧，换能器阵列7、电路装置一8、储液室10均通过绝缘壳体14封装，换能器71与电路装置8电连接，电路装置一8包括驱动电路等，换能器71为V类弯张换能器，换能器阵列工作在低频模式，换能器中压电陶瓷的形状为圆形、矩形、正方形或多边形，其还包括储液室10，储液室10一端通过导管11与载体9连通，导管11的一端与储液室10连通，导管11的另一端与载体9侧端对应或接触连接，储液室10另一端腔体内设置有活塞12，活塞12通过驱动装置的驱动作用沿储液室10的内腔移动；
见图9为当驱动装置为马达16时的结构示意图，活塞12通过齿轮螺杆机构17与马达16连接，齿轮螺杆机构17包括相啮合的齿轮组和螺杆，齿轮组一侧与马达16的齿轮啮合，齿轮组另一侧与螺杆一端啮合，活塞12一侧端与螺杆一端固定连接，活塞12另一侧端与储液室10的内腔对应。
其还包括监测系统、反馈电路、药物输送系统，其中药物输送系统包括控制器、驱动电路、换能器阵列等，监测系统通过反馈电路与控制器电连接，控制器与电路装置8、马达16电连接，监测系统包括生物传感器、电位仪，生物传感器用于检测肌体的血糖等信息，反馈电路用于将生物传感器检测的信息传递给控制器，控制器根据检测信息控制电路装置8、马达16；齿轮螺杆机构17以及马达的设置使导入仪的智能化程度大大提高，可实现自动持续给药。
见图10为当驱动装置为压缩弹簧的结构示意图，压缩弹簧13的一端与储液室10底端固定，压缩弹簧13另一端与活塞12一侧端固定，活塞12另一侧端与储液室10的内腔对应，采用该压缩弹簧调整储液室10中的活塞位置，从而可以控制药液导入速度，本申请还可利用真空或虹吸原理实现药液持续供应，利用本专利所设计新型低频换能器的透皮给药装置的最有前景应用是治疗糖尿病，癌症止痛，减肥等；
电路装置一8包括温度传感器、电源模块、驱动电路、控制器等，电路装置一8的驱动电路与压电陶瓷上的电极电连接，电源模块用于给电路装置一供电，电极与金属壳体连接，温度传感器用于检测超声波导入仪的温度信息；
见图13，反馈电路、监测系统中的生物传感器以及电路装置一均可采用现有技术实现，监测系统为血糖监测系统，血糖监测系统包括生物传感器、电位仪，生物传感器、电位仪均可采用现有常规技术，导入仪为胰岛素输送系统，其中的驱动电路可以采用现有电源模块供电，生物传感器将测得的血糖信息传递给反馈电路，反馈电路单元内设置有比较器，通过比较器对血糖信息与预先设定的阈值(参考值)范围进行比较，当血糖值仍大于阈值(参考值)时，反馈电路单元发送相应的电信号给控制器，控制器控制驱动电路装置、马达继续工作，当检测的血糖值达到预先设定的阈值并处于合理范围内时，反馈电路单元发送相应的电信号给控制器，控制器控制电路装置和马达停止工作，从而实现导入仪的智能控制，控制器对驱动电路、马达的控制均可采用现有常规技术。
低频换能器阵列输送药物的同时可用于无创萃取人体间质液，血药水平被读取后然后通过反馈电路单元回馈到驱动电路，并根据基于从提取的间质液获取的实时血药读数控制发射功率水平。间质液体通过与药物相同透皮微通道，因此本专利所设计换能器阵列提供了一种用无创方式来获取实时的血药读数并避免每天针头注射造成的疼痛与感染的新型智能化给药方法，血药浓度可从酶与血药之间的校准曲线来读取，这种“智能”给药装置的优点在于它是无创的，可以根据实时血药浓度调整药物输送，这比市场上现有通过多次针头扎破皮肤然后读取血药浓度，然后注射药物的给药方式有极大的突破，给药量更为准确并且长期使用不会造成脂肪纤维化等皮肤损伤问题。
以胰岛素应用为例，无创式血糖读取系统包括丝网印刷电极(DuPont ElectronicTechnologies)与电位仪(EG&G Instruments，model 283)，工作电极上沉集Pt,葡萄糖氧化酶以凝胶的形式覆盖电极，电位仪测量工作电极(working electrode)与反电极(counterelectrode)之间电流。通过测量已知浓度的葡萄糖的与工作电极/反电极之间电流的关系可以获得校准曲线。由校准曲线与测量电流可以计算出间质体液中血糖浓度。
反馈电路单元为PID反馈电路，目的是使无创血药监测系统与药物输入系统通过一定逻辑相关联并因此将血药浓度(可通过生物传感器进行检测)维持在一定范围内。反馈电路单元通过比较参考值与系统参数实际值来控制药物输入系统，PID(比例积分微分算法)回馈电路用于本专利中智能给药仪设计，当血糖浓度高于某参考值时，通过控制器分别控制驱动电路、马达启动，开启超声给药，当血糖浓度低于某参考值时，通过控制器分别控制驱动电路、马达启动，停止超声给药，从而实现可导入仪的智能控制，且导入均匀，导入效果更好。
Claims (10)
1.一种换能器，包括压电陶瓷、金属壳体，所述压电陶瓷与所述金属壳体以层状结构连接，所述压电陶瓷上布置有电极，所述电极设置于所述压电陶瓷与所述金属壳体之间，所述层状结构为单面结构或双面结构，所述单面结构指所述金属壳体布置于所述压电陶瓷一侧，所述双面结构指包括两个所述金属壳体，两个所述金属壳体分别布置所述压电陶瓷的两侧，所述电极覆盖于所述压电陶瓷的顶部或底部，所述金属壳体内设置有空腔，其特征在于，所述换能器中压电陶瓷的形状为矩形。
2.根据权利要求1所述的一种换能器，其特征在于，所述压电陶瓷的形状为环形、正方形或多边形。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种换能器，其特征在于，所述金属壳体为锥台复合结构，所述锥台复合结构包括圆锥台复合结构、四棱锥台复合结构或多边形锥台复合结构，所述圆锥台复合结构为上部圆锥台与下部环形相结合的组合结构，所述多边形锥台复合结构为上部多边形锥台与下部多边形相结合的组合结构，所述四棱锥台复合结构为上部四棱锥与下部矩形相结合的组合结构，所述压电陶瓷边缘与所述锥台复合结构下部通过树脂或胶粘接。
4.根据权利要求3所述的一种换能器，其特征在于，所述金属壳体两侧分别设置有凸出于所述金属壳体外表面的凸起。
5.根据权利要求3所述的一种换能器，其特征在于，所述换能器中压电陶瓷为环形时且层状结构为双面结构时，所述金属壳体为圆锥台复合结构，所述压电陶瓷两侧的所述金属壳体为同向布置。
6.一种基于上述权利要求4或5任一项换能器制成的超声波导入仪，其包括单个换能器或换能器阵列、电路装置、载体，所述载体一端与所述单个换能器或换能器阵列对应，所述载体另一端与肌体外表面对应，所述换能器阵列包括若干个以阵列方式布置的换能器，所述换能器与电路装置电连接，所述电路装置包括驱动电路与控制器，其特征在于，所述单个换能器工作在低频模式，所述换能器阵列工作在低频模式或低频与高频共同作用模式，其还包括储液室，所述储液室一端通过导管与所述载体对应或连通，所述储液室另一端腔体内设置有活塞，所述活塞通过驱动装置驱动沿所述储液室内腔移动,s所述低频模式的频率范围为1KHZ~2MHZ，所述高频模式的频率范围为2MHZ~20MHZ。
7.根据权利要求6所述的一种可提高导入均匀性的超声波导入仪，其特征在于，所述驱动装置为压缩弹簧或马达。
8.根据权利要求7所述的超声波导入仪，其特征在于，所述活塞通过所述压缩弹簧驱动时，所述压缩弹簧的一端与储液室内壁固定，所述压缩弹簧另一端与所述活塞固定。
9.根据权利要求7所述的超声波导入仪，其特征在于，所述活塞通过所述马达驱动时，所述活塞通过齿轮螺杆机构与所述马达连接，所述齿轮螺杆机构包括相啮合的齿轮组和螺杆，所述齿轮组一侧与所述马达的齿轮啮合，所述齿轮组另一侧与所述螺杆一端啮合，所述活塞一侧端与所述螺杆固定连接，所述活塞另一侧端与所述储液室的内腔对应。
10.一种采用权利要求8或9任一项所述的超声波导入仪实现药物导入的方法，其特征在于，所述驱动电路采用扫频方法调节驱动频率以保证每个低频换能器工作在其谐振频率处。
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