CN113244521A - 一种可提高声压的换能器及利用其实现透皮导入的装置 - Google Patents
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Abstract
一种可提高声压的换能器及利用其实现透皮导入的装置，其可增大金属壳体振动位移幅度和药物等导入速度，可实现大多数分子快速渗透进入皮肤，透皮导入装置包括单个换能器或换能器阵列、电路装置、载体，载体一侧与皮肤对应，载体另一侧与换能器相对应，换能器阵列包括若干个以阵列方式布置的换能器，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，换能器包括压电陶瓷、金属壳体，压电陶瓷的形状为正方形、圆形或多边形，金属壳体为锥台复合结构，一种实现物质导入的方法，通过扫频法调节透皮导入装置的驱动频率与功率输出，使换能器阵列工作在低频模式或低频与高频结合作用模式。
Description
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及一种可提高声压的换能器及利用其实现透皮导入的装置及透皮导入方法。
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，例如将药物透过皮肤导入体内时，传统的药物分子导入主要为针管注射、口服及透皮给药等方式，其中针管注射是现有糖尿病患者的治疗瓶颈，长期针头注射会导致脂肪萎缩，局部疼痛，皮下脂肪纤维化增生等问题，口服给药的方式极易导致胃肠道破坏和肝脏首过效应及过敏等问题，而透皮导入药物分子的方式可避免上述问题的产生，传统的透皮给药系统通常为贴剂，药物透过皮肤吸收进入血液循环系统并达到有效的血药浓度，其具有以下优点：(1)没有肝脏的首次通过效应和胃肠道的破坏作用，(2)血药浓度随着时间的变化较为合理，(3)可提供预先确定且较长的治疗时间，但是传统的透皮给药方法易受皮肤屏障作用的影响，其适用范围较小，一般只适用于小分子、小剂量给药，且给药过程中存在药物导入速度慢，且大多数药物不能通过贴片法以临床有效的速度渗透进入人体皮肤，例如，可乐宁贴片，一种用于治疗高血压的药物，在没有低频声波能量的驱动下需要两天才能完成药物导入过程，严重影响疾病的及时治疗。
透皮给药可以定义为人体外的分子，如药物、疫苗或抗生素通过皮肤进入血液系统，透过皮肤导入药物的屏障主要来自角质层，它是皮肤的最外层，由紧凑有序的“keratinocites”细胞组成并由脂肪双分子层包围，一旦药物通过角质层，下面的组织很容易通过。长期以来，科学家们相信胰岛素等大分子只能通过针头注射或其他破坏性的方法透过皮肤进入人体，然而最新的科学技术已经证明胰岛素分子可以通过超声波导入皮肤进入人体，超声导入分子的机理与微米尺寸真空有关，低频声波能在水中和身体组织中产生微米级别的气泡，气泡破裂后产生的空腔会干扰脂肪双层分子并形成药物传输微通道，角质层中的微通道允许药物或分子通过，但是由于皮肤的屏障作用，传统的透皮给药方式只适合于小分子量和小剂量，并且给药速度极低。
例如R.E.Newnham,Q.C.Xu,andS.Yoshikawa"Metal-electroactive ceramiccomposite actuators,5,276,657,Jan.4,1994年等研究了铜钹换能器设计及其在透皮给药中应用，并给出了一种“铜钹”式换能器以实现透皮导药，“铜钹”式换能器是一种将压电陶瓷的伸缩运动转换为金属壳体弯曲运动的换能器，其主要结构为厚度方向极化的圆形压电陶瓷片及两个金属壳体，其工作时主要将压电陶瓷的高阻抗、小幅度伸缩运动转化为金属壳体低阻抗、大幅度弯曲运动，从而产生超声波能量，药物在超声波能量作用下沿皮肤打开的微通道进入人体，但是现有的应用“铜钹”式换能器以实现透皮导药的方式存在给药速度相对较慢的问题，其实现透皮给药的时间需要90～120分钟，原因在于，其内部压电陶瓷平面振动转化为金属壳体轴向振动的位移幅度相对较小，产生的声压较小，因此给药速度也相对较慢，易影响疾病的及时治疗。
发明内容
针对现有技术中存在的贴片透皮给药的适用范围较小、药物导入速度慢的问题，本发明提供了一种换能器及透皮导入装置，在相同输入电压与脉冲形状条件下，与铜钹式换能器相比其可增大金属壳体的振动位移幅度，提高药物等的导入速度，可通过无创方式实现大多数分子快速渗透进入皮肤。
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，所述双面结构指所述金属壳体包括两个，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，所述压电陶瓷的形状为正方形、圆形或多边形。
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正方形、或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的凸起。
一种包含有上述换能器的透皮导入装置，其包括单个换能器或换能器阵列、电路装置、载体，所述换能器与电路装置电连接，所述载体一侧与皮肤对应，所述载体另一侧与所述换能器相对应，所述换能器阵列包括若干个以阵列方式布置的换能器，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。
其进一步特征在于，所述低频的频率范围为1kHz-2MHz，所述高频的频率范围为2MHz-20MHz；
所述换能器阵列的工作模式为低频与高频共同作用模式时，所述换能器阵列中工作于低频下的换能器为低频换能器，工作于高频下的换能器为高频换能器，所述低频换能器与所述高频换能器波束平行布置，或所述低频换能器与所述高频换能器为波束垂直布置；
所述载体为包覆膜，所述包覆膜覆盖于所述换能器阵列的外部，所述载体用于盛放药物或疫苗；
所述包覆膜可采用纱布；
所述电路装置包括电路装置一、电路装置二，所述电路装置一用于产生低频驱动信号，所述电路装置二用于产生高频驱动信号，所述电路装置一、电路装置二均包括驱动电路模块、控制电路模块、传感器模块、电源模块，所述控制电路模块分别连接所述驱动电路模块、传感器模块，所述驱动电路与所述压电陶瓷上的所述电极电连接，所述电极与所述金属壳体连接，所述控制电路模块包括控制器，根据传感器模块输出，用于控制所述驱动电路模块功率输出及启停操作，所述驱动电路模块用于产生所述透皮导入装置的驱动频率声波，所述传感器模块包括温度传感器，用于检测所述透皮导入装置的温度信息；
一种采用上述透皮导入装置实现物质导入的方法，所述物质由分子、离子或粒子构成，其具体包括以下步骤：S1、将物质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，启动透皮导入装置，通过电路装置驱动导入仪工作，并调节透皮导入装置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透皮导入装置的驱动频率并通过调节扫频范围调整输出功率，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；
所述物质为药物、抗生素或蛋白；
所述电路装置一还包括移频控制单元，所述移频控制单元用于产生扫频信号驱动低频换能器。
采用本发明上述结构及方法可以达到如下有益效果：金属壳体轴向位移幅度是衡量换能器性能的重要参数，换能器金属壳体轴向位移量越大，产生的声压越高，换能器产生的分子/离子/粒子驱动力越强，透皮给药速度越快，本发明通过将换能器设置成压电陶瓷为正方形、圆形或多边形，可将压电陶瓷的平面振动转化为金属壳体轴向振动并将位移幅度放大，从而使声压升高，对该换能器或包含有该换能器的阵列施加低频声波或低频与高频声波组合进行驱动时，由该换能器产生的分子/离子/粒子驱动力大大增强，从而提高了透皮给药速度；并且通过扫频法给换能器阵列施加低频声波或低频与高频声波组合，可使水中和身体组织中形成药物传输微通道，并在角质层中通过微气泡破裂扰动形成微通道允许大多数分子通过，使尺寸较大的分子也可渗透皮肤并进入机体内，从而达到了将大分子药物等快速导入皮肤的目的，本发明中新型换能器比传统”铜钹“形换能器在相同输入脉冲条件下所产生的声压及位移量均有显著提高，给药速度也有明显提升。
由本发明的换能器制成的透皮导入装置停止工作后，由其产生的低频或高频声波能量也停止，皮肤上的微通道自动关闭，因此避免了传统针头注射过程中常见的皮肤损伤和疼痛，从而通过无创方式实现了大多数药物快速渗透进入皮肤。
附图说明
图1为输入Black-Harris的脉冲曲线图；
图2a为传统铜钹式换能器的立体结构示意图；
图2b为铜钹形换能器的金属壳体中部位置轴向位移时域曲线；
图2c为铜钹换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图；
图3a为本发明实施例一的换能器结构示意图；
图3b为本发明实施例一的换能器的金属壳体中部位置轴向位移时域曲线；
图3c为本发明实施例一的换能器的金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图；
图4a为本发明实施例二的换能器结构示意图；
图4b为本发明实施例二的换能器的金属壳体中部位置轴向位移时域曲线；
图4c为本发明实施例二的换能器的金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图；
图5a为本发明实施例三的换能器结构示意图；
图5b为本发明实施例三的换能器的金属壳体中部位置轴向位移时域曲线；
图5c为本发明实施例三的换能器的金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图；
图6a为本发明实施例四的换能器结构示意图；
图6b为本发明实施例四的换能器的金属壳体中部位置轴向位移时域曲线；
图6c为本发明实施例四的换能器的金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图；
图7a为本发明实施例五的换能器结构示意图；
图7b为本发明实施例五的换能器产生金属壳体中部位置轴向位移时域曲线；
图7c为本发明实施例五的换能器的金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图；
图8a为本发明实施例六的换能器结构示意图；
图8b为本发明实施例六的换能器的金属壳体中部位置轴向位移时域曲线；
图8c为本发明实施例六的换能器的金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图；
图9为本发明上述实施例一至实施例六中任意一种换能器工作在低频模式，并按双层阵列方式布置时，构成的透皮导入装置的结构示意图；
图10为本发明上述实施例一至实施例六中任意一种换能器工作在低频声波与高频声波组合作用模式，并按双层阵列方式布置时，构成的透皮导入装置的结构示意图；
图11为本发明上述实施例一至实施例六中任意一种换能器在低频与高频组合作用模式下的低频换能器与高频换能器的换能器阵列结构示意图；
图12为本发明低频换能器与高频换能器波束平行布置的结构示意图；
图13为本发明低频换能器与高频换能器波束垂直布置的结构示意图。
具体实施方式
见图1,输入Black-Harris脉冲时域图，图1中横轴Time表示时间，范围为0秒～9e-05秒，竖轴表示电压，范围为-1V～0.6V，曲线为脉冲曲线；给传统的铜钹式换能器及实施例一至实施例六中的换能器均施加图1所示的电压脉冲，使传统的铜钹式换能器及实施例一至实施例六中的换能器在图1所示的电压脉冲下产生金属壳体轴向振动位移和声压；
其中，金属壳体轴向位移幅度是衡量换能器性能重要参数，它对换能器在组织或液体中产生的声压幅值影响较大，换能器金属壳体轴向位移量越大，产生的声压越高，换能器产生的分子/离子/粒子驱动力越强，透皮给药速度越快，对于平面波来说给药速度与声波强度有直接关联，声波强度的计算公式如下所示：I＝P2/2ρc，其中I表示声波强度，P表示声压峰值ρ表示介质密度，c表示介质声波速度，P＝ρcv，其中P表示声压峰值，ρ表示介质密度，c表示介质声波速度，v表示粒子振动速度，v＝dξ/dt；其中v表示粒子振动速度，ξ表示振动位移量，t表示时间；
传统的铜钹式换能器的结构示意图见图2a，铜钹式换能器包括压电陶瓷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，图2b为铜钹式换能器的金属壳体2中间位置轴向位移时域曲线，横轴Time表示时间，范围为0～0～9e-05秒，竖轴表示位移幅度，范围为-3e-08mm～3e-08mm，曲线为金属壳体2的轴向位移时域曲线图，图2c给出传统铜钹式换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图，横轴表示时间Time，竖轴表示声压，从图中可以看出，随着铜钹换能器金属壳体2的轴向位移幅度逐渐增大，其产生的声压值逐渐增大，最高声压为800Pa；
见图3a-3c，实施例一，一种换能器，见图3a，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)，层状结构为单面结构，单面结构指金属壳体1-2布置于压电陶瓷1-1的一侧，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上，金属壳体1-2内设置有空腔，压电陶瓷1-1为单片、圆形结构，金属壳体1-2为上部圆锥台1-2-1与下部环形1-2-2结合的组合结构，金属壳体1-2端部与压电陶瓷1-1结合的部位为环形，金属壳体1-2的材质为不锈钢，压电陶瓷1-1与金属壳体1-2之间采用粘合剂粘合，并在一侧形成封闭式空腔，图3b为本发明实施例一的换能器产生金属壳体中间位置轴向位移时域曲线，横轴表示时间Time，竖轴表示金属壳体1-2中间位置的位移幅度，最高位移幅度为1.2x10-7毫米，是传统铜钹换能器相同位置位移量50倍，图3c给出本发明实施例一的换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图，横轴表示时间Time，竖轴表示声压，最高声压为50,000Pa，是传统铜钹换能器声压62倍。
见图4a-4c，实施例二，一种换能器，见图4a，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，层状结构为单面结构，单面结构指金属壳体2-2布置于压电陶瓷2-1的一侧，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上，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的下部与压电陶瓷2-1结合的部位为正方形2-2-2，金属壳体2-2的材质为不锈钢或铜片，压电陶瓷2-1与金属壳体2-2之间采用粘合剂粘合，并在一侧形成封闭式空腔，图4-b给出本发明实施例二的换能器产生金属壳体中间位置轴向位移时域曲线，横轴表示时间Time，竖轴表示金属壳体2-2中间位置的位移幅度，最高位移幅度为4.2x10-8毫米，为铜钹式换能器最高位移幅度1.75倍，图4c给出本发明实施例二的换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图，横轴表示时间Time，竖轴表示声压，最高声压为26,000Pa，为相同尺寸铜钹式换能器最高声压32.5倍。
见图5a-5c，实施例三，一种换能器，见图5a，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，层状结构为双面结构，双面结构指金属壳体3-2分布于压电陶瓷3-1的两侧，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的顶部和底部，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的端部与压电陶瓷3-1结合的部位为正方形3-2-2，金属壳体3-2的材质为不锈钢或铜片，压电陶瓷3-1与金属壳体3-2之间采用粘合剂粘合，并在两侧形成封闭式空腔，图5b给出本发明实施例三的换能器产生金属壳体3-2轴向位移时域曲线，最高位移幅度为3x10-8毫米，为铜钹式换能器最高位移量1.25倍，图5c给出本发明实施例三的换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图，横轴表示时间Time，竖轴表示声压，最高声压为900Pa，为铜钹式换能器声压1.12倍。
实施例四，见图6a-6c，一种换能器，见图6a，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，层状结构为单面结构，单面结构指金属壳体4-2布置于压电陶瓷4-1的一侧，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上，金属壳体4-2内设置有空腔，压电陶瓷4-1为单片、正方形结构，金属壳体4-2上部为圆锥台结构4-2-1，金属壳体4-2的下端部与压电陶瓷4-1结合的部位为圆环形4-2-2，金属壳体4-2边缘设置有凸出于金属壳体4-2外表面的凸起4-3，两个凸起4-3以金属壳体4-2竖向中心线为轴对称布置，金属壳体4-2的材质为不锈钢或铜片，压电陶瓷4-1与金属壳体4-2之间采用粘合剂粘合，并在一侧形成封闭式空腔。图6b给出本发明实施例四的换能器产生金属壳体4-2中间位置轴向位移时域曲线，最高位移幅度为7x10-8毫米，为铜钹式换能器最高位移幅度2.91倍。图6c给出本发明实施例四的换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图，横轴表示时间Time，竖轴表示声压，最高声压为2400Pa，为相同尺寸铜钹式换能器最高声压3倍。
见图7a-7c，实施例五，一种换能器，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，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，并完全覆盖于压电陶瓷5-1上，金属壳体5-2内设置有空腔，压电陶瓷5-1为单片、多边形结构，金属壳体5-2上部为圆形锥台结构5-2-1，金属壳体5-2的端部与压电陶瓷5-1结合的部位为环形5-2-2，金属壳体5-2的材质为不锈钢，压电陶瓷5-1与金属壳体5-2之间采用粘合剂粘合，并在单侧形成封闭式空腔，图7b给出本发明实施例五的换能器产生金属壳体中间位置轴向位移时域曲线，最高位移幅度为4x10-8毫米，为铜钹式换能器最高位移量1.67倍，图7c给出本发明实施例四的换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图，最高声压为900Pa，为相同尺寸铜钹式换能器最高声压1.125倍。
见图8a-8c，实施例六，一种换能器，其包括压电陶瓷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上布电极，层状结构为双面结构，双面结构指金属壳体6-2对称布置于压电陶瓷6-1的一侧，电极设置于压电陶瓷6-1与金属壳体6-2之间，并完全覆盖于压电陶瓷6-1的顶部和底部，金属壳体6-2内设置有空腔，压电陶瓷6-1为单片、多边形结构，金属壳体6-2上部为圆形锥台结构6-2-1，金属壳体6-2的端部与压电陶瓷6-1结合的部位为环形6-2-2，金属壳体6-2的材质为不锈钢，压电陶瓷6-1与金属壳体6-2之间采用粘合剂粘合，并在两侧形成封闭式空腔，图8b给出本发明实施例六的换能器产生金属壳体轴向位移时域曲线，最高位移幅度为2.4x10-8毫米，与铜钹式换能器位移量相当，图8c给出本发明实施例六的换能器在金属壳体中部位置产生的声压幅度时域图，最高声压为500Pa，比铜钹式换能器声压略低。
由于各种换能器设计谐振频率略有不同，并且声压与粒子振动速度成正比，所以可以看到声压增长与最大位移量有相同变化趋势。此外实验范围内可以看到单面换能器比双面换能器声压与最大位移量均有显著提高。
用实施例一至实施例六中的换能器分别制成低频透皮导入装置，当透皮导入装置中的换能器为单个低频换能器或低频换能器阵列91或低频与高频换能器组合阵列92时，每个超声导入仪分别包括：单个换能器或低频换能器阵列91或低频与高频换能器组合阵列92、电路装置7、载体8，单个换能器为低频换能器，分子/离子/粒子可直接涂抹于皮肤或置于载体8，分子/离子/粒子置于换能器与肌体皮肤之间。本实施例中物质为由分子/离子/粒子组成的药物，载体8用于盛放药物，载体8覆盖于单个低频换能器或换能器阵列9的外部，电路装置7包括驱动电路模块、控制电路模块、传感器模块、电源模块，控制电路模块分别连接驱动电路模块、传感器模块，驱动电路通过导线与压电陶瓷上的电极或金属壳体连接，电极边缘与金属壳体连接，控制电路模块包括控制器，用于控制驱动电路模块的功率输出与启停操作，驱动电路模块用于产生透皮导入装置的驱动电压与波形，即图1所示的脉冲波形，传感器模块包括温度传感器，用于检测透皮导入装置的温度。图9为用实施例一至实施例六任意一种换能器制成的低频透皮导入装置结构图实例1，低频换能器形成双层阵列9并固定在板件10上，无储液槽，载体8一侧覆盖在低频换能器阵列91外部，载体8另一侧并与皮肤接触，绑带11固定于板件10两侧，换能器固定于板件10一侧，电路装置7固定于板件10另一侧，板件10为绝缘板，板件10另一侧可通过设置壳体将电路装置7封装于壳体中。图10为用实施例一至实施例六任意一种换能器制成的透皮导入装置，换能器阵列9中的换能器工作在低频与高频声波组合作用下，见图10中的实例2，换能器形成双层阵列92并与储液槽12连接后固定在板件10一侧，储液槽12中的液体通过泵体15抽吸作用沿管道14流到载体8上，载体8一侧覆盖在低频换能器阵列92外部，载体8另一侧与皮肤接触；电路装置一71、电路装置二72固定在板件10另一侧，板件10为绝缘板，板件10另一侧可通过设置壳体将电路装置一71、电路装置二72封装于壳体中，电路装置一71可采用现有的用于产生低频的电路装置，并可采用现有的移频控制单元进行低频扫频，电路装置二72可采用现有的用于产生高频的电路装置，扫频可使单个低频换能器或换能器阵列9中每个元素工作在相应谐振频率上，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。图11给出低频换能器921与高频换能器922组合阵列平面图，其中方形框表示低频换能器921，圆形框表示高频换能器922，图12为低频换能器921与高频换能器922波束平行布置示意图，图13为低频换能器921与高频换能器922波束垂直布置示意图，相比于现有单频驱动方式，扫频的方式可使换能器阵列9中的所有低频换能器921工作在谐振频率下，避免传统单频驱动导致的局部过热或皮肤灼伤的问题出现，并且如果阵列中部分换能器工作在高频驱动模式，低频换能器与高频换能器组合驱动可进一步提高导药速度。
一种采用包含上述低频换能器的透皮导入装置实现分子导入的方法，其包括以下具体步骤：S1，将分子/离子/粒子涂覆于所述载体上或直接涂敷于肌体上，S2，使载体与皮肤表面接触；S3，启动透皮导入装置，调节透皮导入装置的驱动频率范围，通过扫频法调节换能器的驱动频率，使单个低频换能器或换能器阵列9工作在相应频率范围，通过调整扫频范围与扫描速度或加入电子开关可以调节所述超声导入仪输出功率，透皮导入装置可使用单独低频换能器阵列或低频换能器与高频换能器阵列组合，低频换能器的频率范围为1kHz～2MHz，高频换能器的频率范围为2MHz～20MHz；S4，控制透皮导入装置的工作时间，从而控制透皮导入装置的施加能量时间，S5，分子/离子/粒子导入效果检测，其中扫频法可采用现有常规技术。
将上述包含有低频换能器阵列91或低频与高频换能器组合阵列92的透皮导入装置用于小鼠以导入胰岛素，当选择肌体为小鼠时，采用包含低频换能器的透皮导入装置导入胰岛素的方法包括以下具体步骤：S1，将胰岛素药物涂覆于载体上，通过绑带将导入仪绑至小鼠身体上，并使涂覆有胰岛素的载体与肌体表面接触，在涂覆胰岛素药物前，进行以下操作：
S01，选择肌体样本，肌体样本为6只年龄介于10-11周的II型糖尿病小鼠(KK/Upj-Ay/J小鼠)；
S02，对肌体样本进行预处理，对所述II型糖尿病小鼠施加麻醉，然后将所述II型糖尿病小鼠腹部的毛发剔除，采用罗氏血糖仪检测小鼠的血糖，在使用透皮导入装置前六只小鼠的血糖读数范围约为11.7mmol/l～13.2mmol/l。
S2，使涂覆有胰岛素药物的分子载体与经步骤S01-S02处理后的小鼠的腹部接触；
S3，启动透皮导入装置，通过扫频法调节驱动电路的驱动频率，使驱动频率控制在20kHz-100KHz的低频，对小鼠肌体施加声波能量；
透皮导入装置内的换能器发射出低频超声波，在其作用下，小鼠皮肤组织中形成药物传输微通道，该微通道允许胰岛素分子通过，从而使分子载体上的大多数胰岛素药物快速渗透通过皮肤进入小鼠肌体内。胰岛素为尺寸较大的分子，利用本专利设计换能器制作的低频超声导入仪实现了推动尺寸较大的分子渗透通过皮肤并进入机体内，实现了将胰岛素大分子药物快速导入皮肤的具有临床意义的导药目的，并通过调整扫频范围与扫描速度或加入电子开关可以调节所述超声导入仪输出功率。
步骤S3具体包括：透皮导入装置的电路装置中均包含有定时开关控制单元，定时开关控制单元为现有技术，通过定时开关控制单元控制透皮导入装置的工作时间，本实施中采用透皮导入装置对小鼠肌体施加能量，六只小鼠分为三组，每组施加能量时间分布为20分钟、40分钟、60分钟，然后停止透皮导入装置。
步骤S5，药物导入效果检测。采用罗氏血糖仪对经步骤S1～S3处理后的小鼠的血糖进行检测，检测结果显示在施加超声能量20分钟～60分钟后，六只小鼠血糖读数迅速下降到5毫摩尔/升～5.4毫摩尔/升，且小鼠皮肤上没有任何损伤。透皮导入装置停止工作后，由其产生的低频或高频声波能量也停止，皮肤上的微通道自动关闭，因此避免了传统针头注射过程中常见的皮肤损伤和疼痛，从而通过无创方式实现了胰岛素药物以临床有效的速度渗透进入皮肤。
基于仅在小鼠皮肤上涂抹胰岛素，药物是不会渗透通过皮肤进入血液循环系统的事实，由此可见低频声波能量明显改善了小鼠皮肤的药物通透性，进而加速胰岛素透皮传递过程。
采用上述步骤S1～S4，另选六只II型糖尿病小鼠进行胰岛素透皮导药，获得的结果与上述结果相似，可见通过本发明的换能器及包含本换能器的透皮导入装置，以及本发明的超声波导入方法，可以实现快速临床有效的透皮给药。
利用传统铜钹式换能器也可实现透皮导药，但导药速度是主要技术瓶颈，现有技术中大约需要90-120分钟血糖浓度可以显著降低，本专利发明的新型换能器由于在同样大小与驱动脉冲下条件下产生的声压与振动位移比铜钹式换能器均有显著提高，再加上新型换能器组合方式，导药速度比铜钹式换能器有显著提高，以此为基础的新型低频超声透皮导药仪具有真正的临床实用价值。
本专利实验研究范围内所有换能器工作频率相近，金属壳体锥台尺寸一致，金属壳体位移分布及声压分布相近，且与现有铜钹式换能器工作频率相近。
综上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为同等变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
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，所述压电陶瓷的形状为正方形、圆形或多边形。
2.根据权利要求1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或多边形锥台复合结构。
3.根据权利要求2所述的一种换能器，其特征在于，所述圆锥台复合结构为上部圆锥台与下部正方形、或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2或3任一项所述的一种换能器，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的凸起。
5.一种包含有上述权利要求1所述换能器的透皮给药装置，其包括单个换能器或换能器阵列、电路装置、载体，所述换能器与电路装置电连接，所述载体一侧与皮肤对应，所述载体另一侧与所述换能器相对应，所述换能器阵列包括若干个以阵列方式布置的换能器，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。
6.根据权利要求5所述的透皮给药装置，其特征在于，所述低频的频率范围1kHz-2MHz，所述高频的频率范围为2MHz-20MHz。
7.根据权利要求5或6任一项所述的透皮给药装置，其特征在于，所述换能器阵列的工作模式为低频与高频共同作用模式时，所述换能器阵列中工作于低频下的换能器为低频换能器，工作于高频下的换能器为高频换能器，所述低频换能器与所述高频换能器波束平行布置，或所述低频换能器与所述高频换能器为波束垂直布置。
8.根据权利要求7所述的透皮给药装置，其特征在于，所述载体为包覆膜，所述包覆膜覆盖于所述换能器阵列的外部。
9.一种采用上述权利要求8所述的透皮给药装置实现物质导入的方法，其特征在于，通过扫频法调节所述透皮导入装置的驱动频率与功率输出，使单个换能器工作在低频模式，或使换能器阵列工作在低频模式或低频与高频结合作用模式下。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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