CN111658999A - 一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统 - Google Patents

一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，包括有：超声波经皮给药系统和超声波可视化监控系统、超声电子控制系统，所述超声波经皮给药系统包括：信号发生器、超声换能器、超声波微泡经皮给药装置；所述超声波可视化监控系统包括：时间增益补偿电路、滤波器序列及功率放大阵列、高效噪声放大器和超声成像监控探头。本发明通过超声换能器双频设计克服了频率单一；通过超声电子控制系统对换能器的精准驱动实现双频超声输出，通过超声波可视化监控系统和超声波微泡经皮给药装置，实现实时导航和监测下的超声波治疗和经皮给药，提高了给药的效率和准确性。

Description

一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波 可视化监控系统
技术领域
本发明涉及超声波治疗领域，更具体地，涉及一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统。
背景技术
超声波作为机械波已在康复医学中应用了数十年，目前仍在治疗软组织损伤、促进神经再生、松解瘢痕等方面发挥着重要作用。因超声波辐射并不会破坏药物的活性，对包括生物大分子的脂溶性、水溶性药物都有很明显的促渗效果，可以到达皮肤的深部组织，因此，利用超声波的经皮促渗建立经皮药物传递系统的相关研究正如火如荼开展。
过去的数十年里，超声波治疗多采用800kHz的连续波，近年来也开展了1～3MHz高频超声波和20～50kHz的低频超声波或者脉冲超声波的应用。但是，因超声波在介质传播过程中，强度随传播距离而剧减，且超声波频率越高，在生物组织中传播时超声衰减越多、穿透力能力越小，反之亦然，意味着采用单一频率超声波对不同深度的病损进行治疗，其效果存在盲目性。而且，在临床治疗疾病过程中，超声波治疗部位的选择多根据临床经验，治疗部位的准确位置缺乏必要地客观依据。目前使用的超声波治疗仪远远未达到精确化治疗的目的。此外，临床实践中，单纯超声波治疗效果局限，联合药物治疗效果更明显。目前超声波促渗经皮给药已在临床使用，但超声波给药效率仍有很大的提高空间，特别是联合其他促渗经皮给药方式时，需要考虑其他促渗给药方式对超声波经皮给药效率的影响。
当前超声波治疗频率单一，治疗效果存在盲目性，超声波给药效率不高的问题亟需解决。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中超声波治疗频率单一，治疗效果存在盲目性，超声波给药效率不高的缺陷，提供一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，包括：超声波经皮给药系统和超声波可视化监控系统、超声电子控制系统。
所述超声波经皮给药系统包括：信号发生器、超声换能器、超声波微泡经皮给药装置；
所述超声可视化监控系统包括：时间增益补偿电路、滤波器序列及功率放大阵列、高效噪声放大器和超声成像监控探头；
所述超声成像监控探头的输出端连接至高效噪声放大器的输入端，所述高效噪声放大器的输出端依次通过功率放大阵列、滤波器序列连接至时间增益补偿电路，所述时间增益补偿电路的输出端通过AD转换器连接至超声电子控制系统的输入端；
所述超声电子控制系统的输出端依次通过主时钟、延时器连接至信号发生器的输入端，信号发生器的输出端连接至超声换能器；
所述超声电子控制系统用于产生控制电信号，对超声换能器产生的声辐射力脉冲序列和敏锐成像脉冲序列进行控制，并实现对低频外周环形阵元阵列和高频中心阵元的精准驱动；
所述超声换能器用于产生低频外周环形阵元阵列和高频中心阵元超声波；
所述超声波微泡经皮给药装置用于将超声换能器浸入充满载药超声波微泡的液体并直接接触和固定在皮肤实现经皮给药；
所述超声波可视化监控系统对治疗部位和给药部位及深度进行定位，通过调节超声波输出模式、频率和强度，调节超声波微泡经皮给药装置的载药超声波微泡透入方向、深度、透入数量以及击破微泡的时机，实现精准给药和高效给药。
本发明通过超声电子控制系统对换能器的产生的大功率声辐射力脉冲序列和敏锐成像脉冲序列的控制，从而实现对超声换能器低频环阵列和高频阵元的精准驱动，实现双频超声同时或交替实时对病变感兴趣区域进行动态输出；通过超声波微泡经皮给药装置的超声波微泡作用，实现实时导航和监测下的超声波治疗和经皮给药。超声波可视化监控系统对治疗部位和给药部位进行定位，将治疗部位和给药部位环境进行可视化显示在系统上，起到监视和调整治疗方案的效果，所述超声波可视化监控系统与超声波微泡经皮装置结合，达到治疗的精确化和超声促渗定向给药。
进一步地，所述超声换能器为双频多阵元2环阵超声换能器，所述双频阵元2环阵超声换能器的中间阵元的中心工作频率为1-3MHz，外围环阵阵元的工作频率设置为大于20KHz，所述中间阵元和外围环阵阵元能够同步或交替。本发明实现了中心阵元高频和环阵阵元的低频双频模式。
进一步地，所述双频多阵元2环阵超声换能器外围环阵阵元同时工作并发射在同一位置的超声波a和b，其中超声波a的频率为>20KHz，超声波b的频率为1-3MHz。
进一步地，所述不同阵元之间超声波的功率一定范围内可调，并可设定脉冲或连续性超声。
进一步地，超声电子控制系统的发射电路能够控制各个发射通道的选通或关闭，同时能够配置控制参数，所述参数包括：配置发射脉冲频率、发射脉冲幅度、发射模式，发射模式包括：脉冲发射或连续发射。通过配置控制参数以达到优化的经皮给药效果。本发明中，超声电子控制系统电路采用集成芯片设计方式，降低了分离式元器件产生的干扰，提高了控制的灵敏度和准确性。本发明的超声电子控制系统中，电路板设计按照高频电路的设计规范布线，进一步减少了模拟电路部分和数字电路部分受到的干扰。
进一步地，所述超声波微泡经皮给药装置用于与超声换能器的探头协作经皮给药；所述超声波微泡经皮给药装置包括有：圆形塑料外壳，所述圆形塑料外壳内部为载药腔；所述载药腔的上部设有第一圆形孔、第二圆形孔，所述第一圆形孔的直径大于第二圆形孔直径，所述第一圆形孔与所述超声换能器连接，第二圆形孔作为注药液用；所述超声波微泡经皮给药装置的超声波微泡置于载药腔内；载药腔下方圆形开口直接粘附在皮肤上，外壳下方围有防水皮肤贴片用于将超声波微泡经皮给药装置粘贴在皮肤上；通过载药腔第二圆形孔向载药腔中注射水或药物溶液，水或药物溶液与超声波微泡充分混合，可用作超声换能器探头与皮肤之间的耦合剂，同时作为待导入药物的载体。本发明当载药腔与换能器的超声探头连接契合后，水或药物溶液需要盖过超声探头一定深度，保证探头与载药液体之间不会出现空气空隙，减少超声波反射和散射，防止衰减超声波作用强度，浸入式耦合是优选的耦合方式。
进一步地，所述超声波微泡经皮给药装置包括有超声波微泡，所述超声波微泡的壳体包括蛋白类、脂质类、糖类或多聚化合物类的一种或多种。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过设计带有低频环阵列和高频中心阵元超声换能器克服了频率单一治疗存在盲目性的缺陷；通过超声电子控制系统对超声换能器低频环阵列和高频阵元的精准驱动实现了对病变区域不同深度的动态发射，通过超声和超声波微泡经皮给药装置的微泡作用，实现实时导航和监测下的超声波治疗和经皮给药，提高了超声给药的效率和准确性。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
图2为超声波微泡经皮给药装置结构示意图。
图3为超声波微泡经皮给药装置用于与超声换能器的探头协作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，包括：超声波经皮给药系统和超声波可视化监控系统、超声电子控制系统，超声波经皮给药系统包括：信号发生器、超声换能器、超声波微泡经皮给药装置；所述超声波可视化监控系统包括：时间增益补偿电路、滤波器序列及功率放大阵列、高效噪声放大器(即高效LNA)和超声成像监控探头；
所述超声成像监控探头的输出端连接至高效噪声放大器的输入端，所述高效噪声放大器的输出端依次通过功率放大阵列、滤波器序列连接至时间增益补偿电路，所述时间增益补偿电路的输出端通过AD转换器连接至超声电子控制系统的输入端；
所述超声电子控制系统的输出端依次通过主时钟、延时器连接至信号发生器的输入端，信号发生器的输出端连接至超声换能器；
所述超声换能器为双频多阵元2环阵超声换能器，所述双频多阵元2环阵超声换能器中间阵元的中心工作频率为1-3MHz，外围环阵阵元的工作频率设置为大于20KHz，所述中间阵元和外围环阵阵元能够同步或交替输出。本发明实现了中心阵元高频和环阵阵元的低频双频模式。所述双频多阵元2环阵超声换能器外围环阵阵元同时工作并发射聚焦在同一位置的超声波a和b，其中超声波a的频率为>20KHz，超声波b的频率为1-3MHz。
所述外围环阵阵元不同阵元之间能够调整超声输出模式和强度。从而保证了对超声波的功率一定范围(0.5W/cm2-3W/cm2)内可调，并可设定脉冲或连续性超声。
所述超声电子控制系统用于产生控制电信号对超声换能器产生的大功率声辐射力脉冲序列和敏锐成像脉冲序列控制并实现对低频环阵列和高频中心阵元的精准驱动；
所述超声换能器用于产生低频外周环形阵元阵列和高频中心阵元超声波；
超声电子控制系统的射频发射电路采用HV732芯片直接输出高压信号；所述超声电子控制系统的超声信号预放大电路、带通电路、数据采集电路采用集成芯片AD9272实现。超声电子控制系统的发射电路能够控制各个发射通道的选通或关闭，同时能够配置控制参数，所述参数包括有：配置发射脉冲频率、发射脉冲幅度、发射模式，所述发射模式包括：脉冲发射或连续发射等。
本发明中，超声电子控制系统的电路采用集成芯片的设计方式，降低了分离式元器件产生的干扰，提高了控制的灵敏度和准确性。本发明的超声电子控制系统中，控制电路电路板设计按照高频电路的设计规范布线，进一步减少了模拟电路部分和数字电路部分受到的干扰。所述超声电子控制系统的电源为带有降低纹波干扰功能的电源。
所述超声波微泡经皮给药装置用于将超声换能器浸入充满载药超声波微泡的液体并直接接触和固定在皮肤实现经皮给药，通过超声波微泡经皮给药装置与超声换能的器耦合，减少超声能量衰减，使声场充分驱动载药超声波微泡进入人体，提高经皮给药效率。可以应用超声换能器产生不同频率的超声波调节透入药物不同深度，如仅作皮肤表面药物透入，可选用高频(1-3MHz)，如需深度透入可用低频(20KHz),或高、低频同步及交替透入。而且在透药不同阶段可选用不同强度的超声波，先选用低强度超声(例如<1W/cm2)用于驱动微泡透入人体，当可视化显示系统提示微泡多数已达治疗部位，可选用高强度超声(>1W/cm2)击破微泡促进药物吸收。
所述超声波可视化监控系统对治疗部位和给药部位及深度进行定位，通过调节超声波输出模式、频率和强度，调节超声波微泡经皮给药装置的载药超声波微泡透入方向、深度、透入数量以及击破微泡的时机，实现精准给药和高效给药。
图2示出了一种超声波微泡经皮给药装置结构示意图。
图3示出了一种超声波微泡经皮给药装置用于与超声换能器的探头协作示意图，图3中，6表示超声换能器、601表示超声换能器把手、602表示超声换能器探头。
在本发明中，所述超声波微泡经皮给药装置用于与超声换能器的探头协作经皮给药；所述超声波微泡经皮给药装置包括有：圆形塑料外壳1，所述圆形塑料外壳1内部为载药腔2；所述载药腔2的上部设有第一圆形孔3、第二圆形孔4，所述第一圆形孔3的直径大于第二圆形孔4直径，所述第一圆形孔3与所述超声换能器连接，第二圆形孔4作为注药液用；所述超声波微泡经皮给药装置的超声波微泡置于载药腔内2；载药腔2下方圆形开口直接粘附在皮肤上，外壳下方围有防水皮肤贴片5用于将超声波微泡经皮给药装置粘贴在皮肤上；通过载药腔2第二圆形孔4向载药腔2中注射水或药物溶液，水或药物溶液与超声波微泡充分混合，可用作超声换能器探头与皮肤之间的耦合剂，同时作为待导入药物的载体。本发明当载药腔与环能器的超声探头连接契合后，水或药物溶液需要盖过超声探头一定深度，保证探头与载药液体之间不会出现空气空隙，减少超声波反射和散射，防止衰减超声波作用强度，浸入式耦合是优选的耦合方式。
在本发明中所述超声波微泡经皮给药装置包括有超声波微泡，所述超声波微泡的壳体包括蛋白类、脂质类、糖类或多聚化合物类的一种或多种。
所述超声微泡的选择和应用为：
所述超声波微泡可以选购或根据临床应用需求自行制备。常用微泡壳体主要由蛋白类、脂质类、糖类或多聚化合物类构成。在一个具体的实施例中，所述所述超声波微泡可以采用靶向纳米级脂质微泡，靶向纳米级脂质微泡有安全、有效、持续时间长，并可携带基因、药物、靶向物质、荧光蛋白等靶向识别特定器官、甚至特定分子。微泡携带的荧光物质同时有助于超声波可视化显示系统对给药部位和深度进行显示定位，微泡在超声照射下破坏后,能在病变部位释放大量的药物,从而提高局部的药效,而不产生全身副作用。超声波本身的治疗作用与药物作用联合可以提高疗效。已开发的用于透皮使用的纳米制剂包括聚合物纳米颗粒、纳米凝胶、纳米乳液、脂基纳米颗粒、树状分子、纳米胶囊和纳米凝胶。现有的可以含气微泡种类多。许多药物已经使用于超声透入，包括氢化可的松、倍他米松、二丙酸、低脱氧核苷酸、凝乳蛋白酶、地塞米松、氟辛奈德、肝素、透明质酸酶、布洛芬、吲哚美辛、胰岛素、碘、酮洛芬、利多卡因，甲氧基、萘普生、吡罗昔康、水杨酸钠、胰蛋白酶、锌等，还有一些抗癌药物和溶栓药物，上述药物可以通过本发明进行超声波经皮给药。
本发明通过超声电子控制系统对换能器的产生的大功率声辐射力脉冲序列和敏锐成像脉冲序列的控制，从而实现对超声换能器低频环阵列和高频阵元的精准驱动，实现双频超声同时或交替实时对病变感兴趣区域进行动态输出；通过超声波微泡经皮给药装置的超声波微泡作用，实现实时导航和监测下的超声波治疗和经皮给药。超声波可视化监控系统对治疗部位和给药部位进行定位，将治疗部位和给药部位环境进行可视化显示在系统上，起到监视和调整治疗方案的效果，所述超声波可视化监控系统与超声波微泡经皮装置结合，达到治疗的精确化和超声促渗定向给药。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，其特征在于，包括有：超声波经皮给药系统和超声波可视化监控系统、超声电子控制系统，所述超声波经皮给药系统包括：信号发生器、超声换能器、超声波微泡经皮给药装置；所述超声波可视化监控系统包括：时间增益补偿电路、滤波器序列及功率放大阵列、高效噪声放大器和超声成像监控探头；
所述超声成像监控探头的输出端连接至高效噪声放大器的输入端，所述高效噪声放大器的输出端依次通过功率放大阵列、滤波器序列连接至时间增益补偿电路，所述时间增益补偿电路的输出端通过AD转换器连接至超声电子控制系统的输入端；
所述超声电子控制系统的输出端依次通过主时钟、延时器连接至信号发生器的输入端，信号发生器的输出端连接至超声换能器；
所述超声电子控制系统用于产生控制电信号，对超声换能器产生的声辐射力脉冲序列和敏锐成像脉冲序列进行控制，并实现对超声换能器的低频外周环形阵元阵列和高频中心阵元的驱动；
所述超声换能器用于产生低频外周环形阵元阵列和高频中心阵元超声波；
所述超声波微泡经皮给药装置用于将超声换能器浸入充满载药超声波微泡的液体并直接接触和固定在皮肤实现经皮给药；
所述超声波可视化监控系统对治疗部位和给药部位及深度进行显示定位，通过调节超声波输出模式、频率和强度，调节超声波微泡经皮给药装置的载药超声波微泡透入方向、深度、透入数量以及击破微泡的时机，实现精准给药。
2.根据权利要求1所述的一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，其特征在于，所述超声换能器为双频多阵元2环阵超声换能器，所述双频多阵元2环阵超声换能器的中间阵元的中心工作频率为1-3MHz，外围环阵阵元的工作频率设置为大于20KHz，所述中间阵元和外围环阵阵元能够同步或交替输出。
3.根据权利要求2所述的一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，其特征在于，所述双频多阵元2环阵超声换能器外围环阵阵元同时工作并发射聚焦在同一位置的超声波a和b，其中超声波a的频率为>20KHz，超声波b的频率为1-3MHz。
4.根据权利要求2所述的一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，其特征在于，不同阵元之间超声波的功率在设定范围内可调，并能够设定脉冲或连续性超声。
5.根据权利要求1所述的一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，其特征在于，超声电子控制系统的发射电路能够控制各个发射通道的选通或关闭，同时能够配置控制参数，所述参数包括有：配置发射脉冲频率、发射脉冲幅度、发射模式。
6.根据权利要求1所述的一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，其特征在于，所述超声波微泡经皮给药装置用于与超声换能器的探头协作经皮给药；所述超声波微泡经皮给药装置包括有：圆形塑料外壳，所述圆形塑料外壳内部为载药腔；所述载药腔的上部设有第一圆形孔、第二圆形孔，所述第一圆形孔的直径大于第二圆形孔直径，所述第一圆形孔与所述超声换能器连接，第二圆形孔作为注药液用；所述超声波微泡经皮给药装置的微泡置于载药腔内；载药腔下方圆形开口直接粘附在皮肤上，外壳下方围有防水皮肤贴片用于将超声波微泡经皮给药装置粘贴在皮肤上；通过载药腔第二圆形孔向载药腔中注射水或药物溶液，水或药物溶液与超声波微泡充分混合，可用作超声换能器探头与皮肤之间的耦合剂，同时作为待导入药物的载体。
7.根据权利要求1所述的一种多频多功率超声波微泡无创经皮给药治疗和实时超声波可视化监控系统，其特征在于，所述超声波微泡经皮给药装置包括有超声波微泡，所述超声波微泡的壳体包括蛋白类、脂质类、糖类或多聚化合物类的一种或多种。
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