CN113440747A - 一种超声治疗或评价用装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗技术领域,尤其是涉及一种超声治疗或评价用装置及系统。装置包括:传播介质容纳部件、移动部件以及超声发生部件;超声发生部件设置在传播介质容纳部件上;移动部件与传播介质容纳部件可活动连接,且活动方向沿着超声发生部件所发生超声波的束射方向。解决了现有技术中,由于反射波的再次反射,故会产生相对复杂的超声声场(驻波与多次反射波),导致SDT直接治疗的效果不理想,或者用于评价时,评价结果不能准确反映实际情况的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域,尤其是涉及一种超声治疗或评价用装置及系统。
背景技术
声动力疗法(Sonodynamic Therapy,SDT)是在光动力(photodynamic therapy,PDT)基础上发展起来的一种以超声和声敏剂的协同作用为基础的治疗肿瘤的新方法。
SDT的科学基础在于通过同时联合低强度超声、氧分子和声敏剂产生活性氧(ROS)。超声波具有优于激光的组织穿透力,通过频率的调节,声波可以聚焦到几十厘米深的软组织中,且能显著提高药物对肿瘤组织的亲和力和透膜能力,最大限度降低了对正常组织的损伤。因此,SDT受到了医学界的广泛关注,成为目前最有前途的非侵入性治疗恶性肿瘤的方法之一。
在现有技术中,还有超声聚焦的治疗方式,一般而言,超声聚焦利用超声波作为能源,通过声波和热能转化,形成70℃-100℃高温治疗点,使焦点区的肿瘤组织产生凝固性坏死,失去增殖、浸润和转移能力。
与之超声聚焦不同,SDT是通过低强度超声与声敏剂的协同作用对肿瘤组织产生杀伤作用,由于声敏剂的靶向性,使SDT也具有良好的靶向性。然而,目前在SDT的研究中使用的声敏剂大多来自于光敏剂;光敏剂常常会造成皮肤毒性,故寻找新型声敏剂配合治疗装置进行治疗,以及通过体外实验来评价其声动力疗法的效果成为目前的研究热点。
然而,在超声动力治疗以及效果的评价的实践中,往往存在如下难题:
1、由于超声曝光条件不是“标准化”的,且也没有统一的体外超声装置可供选择,故而超声的体外实验难以复制。
2、一般来说,目前所采用的大部分体外超声治疗或评价装置中,其超声传播方向与水-空气边界相垂直时,水-空气边界会发生超声的全反射(反射系数R=1,透射系数T=0)。
进一步的,发生声波反射的原因是由于空气的声阻抗与水的声阻抗之间的不匹配,使反射系数远大于透射系数;反射波与正向波频率相同,传播方向相反,故而形成驻波。在反射波与正向波两者相加的点会出现波腹,在反射波与正向波两者相减的点形成波节。更为重要的是,由于装置材料与水溶液的声阻抗不匹配,又会造成反射波的再次反射,故会产生相对复杂的超声声场,包括驻波与多次反射波。
以上SDT治疗或者评价装置存在的种种现状,会造成SDT直接治疗的效果不理想,或者用于评价时,评价结果不能准确反映实际情况。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明提供了一种超声治疗或评价用装置及系统,以解决现有技术中,SDT相关装置直接用于治疗时,效果不理想,或者用于评价时,评价结果不能准确反映实际情况的技术问题。
根据本发明的第一方面,提供了一种超声治疗或评价用装置,包括:传播介质容纳部件、移动部件以及超声发生部件;超声发生部件设置在传播介质容纳部件上;移动部件与传播介质容纳部件可活动连接,且活动方向沿着超声发生部件所发生超声波的束射方向。
本发明的治疗或评价用装置中,主要包括三个核心的部件,即传播介质容纳部件、移动部件以及超声发生部件。其中,超声发生部件作为超声波的来源,为治疗和评价的过程提供超声波源;而超声波需要一定的传播介质,因此通过传播介质容纳部件中的传播介质,即可保证超声波的发出和传播;与传播介质容纳部件活动连接的移动部件作为待治疗体或者待评价样本的载体,实现与超声发生部件的距离变化,从而使得待治疗体或者待评价样本实现不同强度的超声处理。尤为关键的是,移动部件的活动方向沿着超声发生部件所发生超声波的束射方向(即移动部件的活动方向是相对或者相向于所发生超声波的束射方向);这样即可很大程度上减少或者消除驻波以及超声反射,从而保证声场的稳定性,进而使得整个装置可有效的应用于超声治疗或评价中。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进;
进一步地,超声发生部件,并非某指代某一具体器件,只要满足特定要求的超声发生即可,在一些优选的实施方案中,超声发生部件可以设置成超声换能器。
进一步地,传播介质容纳部件为一面开口的水箱;超声发生部件设置在水箱的侧壁上;移动部件包括一活动梁以及固定件;水箱的开口上设置有滑轨;活动梁的两端设置在滑轨上,固定件设置在活动梁上,且其存在延伸至水箱容腔内的部分。
在具体应用中,优选一立方体形状的箱体作为传播介质容纳部件,其中,箱体的一面完全开口,其余面相互连接且封闭,箱体内注入脱气水作为超声波传播介质,移动部件包括一活动梁以及固定件,其中,固定件与活动梁滑动连接。在传播介质容纳部件的开口边缘固定设置有沿Y方向的两根滑轨,两根滑轨平行设置,沿X方向的活动梁的两端分别固定在两根平行的滑轨上,优选的,活动梁的两端设置有直线轴承,滑轨穿过直线轴承,与活动梁之间滑动连接。需要说明的是,固定件的下部延伸至水箱内,且部分延伸至注入水箱内的传播介质内。
采用上述进一步方案的有益效果是,固定件可以沿X方向的活动梁与Y方向的滑轨自由移动,可根据需要调整固定件与超声发生之间的距离,可满足多种治疗及评价条件的要求,并且可多次重复治疗或评价。
进一步地,固定件包括一连接槽以及与连接槽的一侧固定设置的固定板;连接槽可拆卸设置在活动梁上,固定板远离连接槽的一侧延伸至水箱的容腔内。
在具体应用中,固定件呈“乙”字形,在固定件的一端设置有连接槽,连接槽是一凹槽,凹槽的大小与活动梁相匹配,固定件通过连接槽与活动梁滑动连接。固定件还包括固定板,固定板连接在连接槽的一侧,从连接槽的一侧延伸至水箱内,固定板上可以设置用于固定小动物的固定部,需要说明的是,固定件在使用过程中固定板部分插入到传播介质内。
采用上述进一步方案的有益效果是,通过可移动的固定件固定小动物,在治疗或评价过程中可根据效果及时调整小动物与超声发生部件之间的距离,以达到一个最佳的治疗或评价效果。
进一步地,固定板远离连接槽的一侧设置有一载样平台;载样平台上设置有至少一个载样孔。
在具体应用中,固定板远离连接槽的一侧,设置有与固定板相垂直的载样平台,该载样平台上设置至少一个载样孔,载样平台放置细胞培养管,用于对细胞培养情况的评价,其中,细胞培养管使用具有与水声阻抗相近的聚苯乙烯材料,可基本消除超声反射。
采用上述进一步方案的有益效果是,该载样平台可放置多个不同的细胞培养管,可同时对多种评价条件的细胞培养情况进行评价,提高了效率。另外,采用与水声阻抗相近的聚苯乙烯材料制作的培养管,解决了现有及书中培养管在超声评价过程中产生的超声反射,对超声环境带来的干扰以及影响评价结果的技术问题。
进一步地,水箱为一长方体形状;滑轨设置在其长度方向的两侧开口上;超声发生部件设置在处在处于滑轨之间的其中一个侧壁上。
在具体应用中,传播介质容纳部件为一顶部开口的长方体形状的水箱,在水箱开口处,沿其长度方向(Y方向)的两侧设置有相互平行的滑轨,其中,滑轨优选表面光滑的园柱形轨道,在水箱顶部开口的四个端点处设置有凸台,滑轨的两端分别固定设置在凸台上。固定件可以通过活动梁在滑轨上的滑动来实现固定件沿水箱长度方向(Y方向)的位置移动。
采用上述进一步方案的有益效果是,活动梁带动设置在其上的固定件可沿滑轨自由移动,可根据需要调整固定件与超声发生之间的距离,可满足多种治疗及评价条件的要求。
进一步地,水箱的侧壁两两相接触的边沿设置有凸台;滑轨的端部固定设置在凸台内。
在具体应用中,水箱的侧壁两两相接触的边沿设置有凸台,即在水箱顶部开口的四个端点处设置有凸台,需要说明的是,凸台用于固定设置在水箱侧壁上的滑轨,滑轨的两端分别与两个凸台固定连接。
采用上述进一步方案的有益效果是,分别将滑轨的端部固定设置在凸台内,形成互相平行的轨道,使活动梁可在此轨道上沿Y方向自由滑动,活动梁与超声发生部件的距离可根据实际需要及时调整。
进一步地,水箱的内部设置有超声吸声材料层;和/或水箱的材质为高密度聚乙烯材料水箱。
在具体应用中,传播介质容纳部件的材质为高密度聚乙烯材料(HDPE),具有良好的耐热性和耐寒性,化学稳定性好,还具有较高的刚性和韧性,机械强度好。介电性能,耐环境应力开裂性亦较好。硬度、拉伸强度和蠕变性优于低密度聚乙烯;耐磨性、电绝缘性、韧性及耐寒性均较好。另外,在传播介质容纳部件的内部还设置有超声吸声材料,能有效的屏蔽传播介质容纳部件外的超声波干扰,提高传播介质容纳部件内声场的稳定性。
采用上述进一步方案的有益效果是,采用化学稳定性、介电性好的高密度聚乙烯材料制作传播介质容纳部件,并在其内设置超声吸声材料,可有效的屏蔽传播介质容纳部件外的超声波干扰,提高传播介质容纳部件内声场的稳定性。
进一步地,水箱内的传播介质包括但不限定于脱气水,且水箱内设置有水位检测线。
在具体应用中,传播介质容纳部件内的传播介质优选的是脱气水,脱气水可有效的克服超声波在传播介质内传播时,其超声传播方向与水-空气边界相垂直时,水-空气边界会发生超声的全反射,进一步的,由于空气的声阻抗与水的声阻抗之间的不匹配,使反射系数远大于透射系数;反射波与正向波频率相同,传播方向相反,故而形成驻波。在反射波与正向波两者相加的点会出现波腹,在反射波与正向波两者相减的点形成波节。更为重要的是,由于装置材料与水溶液的声阻抗不匹配,又会造成反射波的再次反射,故会产生相对复杂的超声声场,包括驻波与多次反射波。因此,使用脱气水作为超声传播介质能够使超声声场更加稳定,有利于超声治疗或评价。
需要说明的是,在水箱内设置有水位检测线,当脱气水的水位低于水位检测线时,停止超声发生,进而保证被治疗的动物(小鼠)或细胞培养管中的细胞在超声传播介质内通过超声治疗或评价,对治疗或评价的有效性起到关键的作用。
采用上述进一步方案的有益效果是,采用了脱气水作为超声波传播介质,克服超声波在的反射带来的不良影响,消除了驻波对细胞膜及组织的损伤,并且保证了声场稳定性,另外,在水箱内设置有水位检测线,保证了治疗或评价的有效性。
根据本发明的第二方面,一种超声治疗或评价用系统,包括前文所述的超声治疗或评价用装置以及与其连接的控制模块;控制模块用于但不限于控制超声发生部件的工作模式;和/或移动部件的运动轨迹。
在具体应用中,超声治疗或评价用装置与控制模块连接,控制模块用于接收和发送控制指令,例如,控制模块接收到传播介质的水位低于标准水位的信息时,发送停止超声波发生命令给超声发生部件。控制模块接收到可编程控制器(PLC)发送的移动指令,生成移动控制指令控制固定件或活动梁进行移动。
采用本方案的有益效果是,通过控制模块控制超声治疗或评价用装置进行位置移动或超声波的发生,保证了治疗或评价的准确性,提高了装置的自动化水平。
进一步地,控制模块包括:人机交互模块和可编程控制器(PLC),人机交互模块与可编程控制器连接,可编程控制器与超声治疗或评价用装置连接。
人机交互模块可优选采用10.4英寸触摸屏,更为优选的是,采用英汉双语人机交互界面,控制系统软件程序设计考虑到安全、可靠、抗干扰性好和输出输入信息量大等因素,选用易实现机电一体化的可编程序控制器(PLC)来执行逻辑运算控制、顺序控制、定时控制、计数控制等操作的指定,并通过数字的、模拟的输入和输出数据和信息处理控制动物超声试验机的自动转运过程。具有超声换能头输出声强连续可调、超声波4种工作模式输出。并设有通讯接口可与用户信息管理系统联网,便于提取试验记录信息。
采用上述进一步方案的有益效果是,使用可触摸控制的人机交互界面输入控制指令,并通过可编程序控制器(PLC)来执行逻辑运算控制、顺序控制、定时控制、计数控制等操作,可持续输入大量信息,系统安全、可靠、抗干扰性强。
本发明提供的一种超声治疗或评价用装置及系统,通过超声发生部件生成超生波束、采用脱气水为传播介质,避免了超声波在传播介质中传播时因超声传播方向与水-空气边界相垂直时发生全反射,保证了声场的稳定性。另外,设置移动部件,使待治疗体或者待评价样本可沿X、Y方向进行位置移动,到达合适的治疗或评价位置,以便于实现多次重复治疗或评价。解决了现有技术中,由于反射波的再次反射,故会产生相对复杂的超声声场(驻波与多次反射波),导致SDT直接治疗的效果不理想,或者用于评价时,评价结果不能准确反映实际情况,以及声场难以预测无法实现重复治疗或评价的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种超声治疗或评价用装置结构示意图;
图2为本发明提供的一种超声治疗或评价用装置另一结构示意图;
图3为本发明提供的一种超声治疗或评价系统示意图;
图4为本发明提供的固定板固定小鼠及小鼠肿瘤部位示意图;
图5为本发明描述声场中声压最大值与平均值随时间-空间平均超声强度ISATA的变化示意图;
图6为本发明描述声敏剂在本发明声场中对肿瘤细胞产生的声动力损伤情况示意图;
图7为本发明4T1移植瘤的生长曲线示意图;
图8为本发明剥离的肿瘤照片示意图;
图9为本发明对移植瘤的瘤重比较示意图;
图10为本发明对小鼠固定后肺部及其放大照片示意图;以及
图11为本发明对肺结节的数量统计情况示意图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、传播介质容纳部件,2、超声发生部件,3、移动部件,4、滑轨,5、凸台,6、超声吸声材料层,7、连接槽,8、固定板,9、活动梁,10、直线轴承,11、细胞培养管,12、载样平台,31、超声治疗或评价用装置,32、控制模块,321、人机交互模块,322、可编程控制器。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
根据本发明的第一方面,提供了一种超声治疗或评价用装置,请参考图1和图2,包括:传播介质容纳部件1、移动部件3以及超声发生部件2;超声发生部件2设置在传播介质容纳部件1上;移动部件3与传播介质容纳部件1可活动连接,且活动方向沿着超声发生部件2所发生超声波的束射方向。
具体的,在本方案中,包括三个核心的部件,即传播介质容纳部件1、超声发生部件2以及移动部件3。其中,超声发生部件2作为超声波的来源,为治疗和评价的过程提供超声波源;而超声波需要一定的传播介质,因此通过传播介质容纳部件1中的传播介质,即可保证超声波的发出和传播;与传播介质容纳部件1活动连接的移动部件3作为待治疗体或者待评价样本的载体,实现与超声发生部件的距离变化,从而使得待治疗体或者待评价样本实现不同强度的超声处理。尤为关键的是,移动部件3的活动方向沿着超声发生部件2所发生超声波的束射方向(即移动部件的活动方向是相对或者相向于所发生超声波的束射方向);这样即可很大程度上减少或者消除驻波以及超声反射,从而保证声场的稳定性,进而使得整个装置可有效的应用于超声治疗或评价中。需要说明的是,本申请提供的超声发生部件2优选的是超生换能器。
本方案与现有技术相比,解决了现有技术中由于反射波的再次反射,故会产生相对复杂的超声声场(驻波与多次反射波),导致SDT直接治疗的效果不理想,或者用于评价时,评价结果不能准确反映实际情况的技术问题。
在进一步可选的实施例中,传播介质容纳部件1为一面开口的水箱;超声发生部件2设置在水箱的侧壁上;移动部件3包括一活动梁9以及固定件;水箱的开口上设置有滑轨4;活动梁9的两端设置在滑轨4上,固定件设置在活动梁9上,且其存在延伸至水箱容腔内的部分。
具体的,在本方案中,优选一立方体形状的箱体作为传播介质容纳部件1,其中,箱体的一面完全开口,其余面相互连接且封闭,箱体内注入脱气水作为超声波传播介质,移动部件3包括一活动梁9以及固定件,其中,固定件与活动梁9滑动连接。在传播介质容纳部件1的开口边缘固定设置有沿Y方向的两根滑轨4,两根滑轨4平行设置,沿X方向的活动梁9的两端分别固定在两根平行的滑轨4上,优选的,活动梁9的两端设置有直线轴承10,滑轨4穿过直线轴承10,与活动梁9之间滑动连接。需要说明的是,固定件的下部延伸至水箱内,且部分延伸至注入水箱内的传播介质内。优选的,传播介质容纳部件1采用高密度聚乙烯材料(HDPE)制作。
本方案与现有技术相比,固定件可以沿X方向的活动梁9与Y方向的滑轨4自由移动,可根据需要调整固定件与超声发生之间的距离,可满足多种治疗及评价条件的要求,并且可多次重复治疗或评价。
在进一步可选的实施例中,固定件包括一连接槽7以及与连接槽7的一侧固定设置的固定板8;连接槽7可拆卸设置在活动梁9上,固定板8远离连接槽7的一侧延伸至水箱的容腔内。
具体的,在本方案中,固定件呈“乙”字形,在固定件的一端设置有连接槽7,连接槽7是一凹槽,凹槽的大小与活动梁9相匹配,固定件通过连接槽7与活动梁9滑动连接。固定件还包括固定板8,固定板8连接在连接槽7的一侧,从连接槽7的一侧延伸至水箱内,固定板8上可以设置用于固定小动物的固定部,需要说明的是,固定件在使用过程中固定板8部分插入到传播介质内。
本方案与现有技术相比,通过可移动的固定件固定小动物,在治疗或评价过程中可根据效果及时调整小动物与超声发生部件2之间的距离,以达到最佳的治疗或评价效果。
在进一步可选的实施例中,固定板8远离连接槽7的一侧设置有一载样平台12;载样平台12上设置有至少一个载样孔。
具体的,在本方案中,固定板8远离连接槽7的一侧,设置有与固定板8相垂直的载样平台12,该载样平台12上设置至少一个载样孔,载样平台12放置细胞培养管11,用于对细胞培养情况的评价,其中,细胞培养管11内可以注入待评价细胞、声敏剂以及无血清培养液,需要说明的是,细胞培养管11使用具有与水声阻抗相近的聚苯乙烯材料,可基本消除超声反射。
本方案与现有技术相比,该载样平台12可放置多个不同的细胞培养管11,可同时对多种评价条件的细胞培养情况进行评价,提高了效率。另外,采用与水声阻抗相近的聚苯乙烯材料制作的培养管,解决了现有及书中培养管在超声评价过程中产生的超声反射,对超声环境带来的干扰以及影响评价结果的技术问题。
在进一步可选的实施例中,水箱为一长方体形状;滑轨4设置在其长度方向的两侧开口上;超声发生部件2设置在处在处于滑轨4之间的其中一个侧壁上。
具体的,在本方案中,传播介质容纳部件1为一顶部开口的长方体形状的水箱,在水箱开口处,沿其长度方向(Y方向)的两侧设置有相互平行的滑轨4,其中,滑轨4优选表面光滑的圆柱形轨道,在水箱顶部开口的四个端点处设置有凸台5,滑轨4的两端分别固定设置在凸台5上。需要说明的是,在活动梁9的两端设置有直线轴承10,滑轨4穿过直线轴承10与活动梁9之间滑动连接,固定件可以通过活动梁9在滑轨4上的滑动来实现固定件沿水箱长度方向(Y方向)的位置移动。
本方案与现有技术相比,活动梁9带动设置在其上的固定件可沿滑轨4自由移动,可根据需要调整固定件与超声发生之间的距离,可满足多种治疗及评价条件的要求。
在进一步可选的实施例中,水箱的侧壁两两相接触的边沿设置有凸台5;滑轨4的端部固定设置在凸台5内。
具体的,在本方案中,水箱的侧壁两两相接触的边沿设置有凸台5,即在水箱顶部开口的四个端点处设置有凸台5,其中,优选的是,凸台5的厚度与水箱的侧壁厚度相同,且四个凸台5的高度相同。需要说明的是,凸台5用于固定设置在水箱侧壁上的滑轨4,滑轨4的两端分别与两个凸台5固定连接。
本方案与现有技术相比,分别将滑轨4的端部固定设置在凸台5内,形成互相平行的轨道,使活动梁9可在此轨道上沿Y方向自由滑动,活动梁9与超声发生部件2的距离可根据实际需要及时调整。
在进一步可选的实施例中,水箱的内部设置有超声吸声材料层6;和/或水箱的材质为高密度聚乙烯材料水箱。
具体的,在本方案中,传播介质容纳部件1的材质为高密度聚乙烯材料(HDPE),具有良好的耐热性和耐寒性,化学稳定性好,还具有较高的刚性和韧性,机械强度好。介电性能,耐环境应力开裂性亦较好。硬度、拉伸强度和蠕变性优于低密度聚乙烯;耐磨性、电绝缘性、韧性及耐寒性均较好。另外,在传播介质容纳部件1的内部还设置有超声吸声材料层6,能有效的屏蔽传播介质容纳部件1外的超声波干扰,提高传播介质容纳部件1内声场的稳定性。
本方案与现有技术相比,采用化学稳定性、介电性好的高密度聚乙烯材料制作传播介质容纳部件1,并在其内设置超声吸声材料层6,可有效的屏蔽传播介质容纳部件1外的超声波干扰,提高传播介质容纳部件1内声场的稳定性。
在进一步可选的实施例中,水箱内的传播介质包括但不限定于脱气水,且水箱内设置有水位检测线。
具体的,在本方案中,传播介质容纳部件1内的传播介质优选的是脱气水,脱气水可有效的克服超声波在传播介质内传播时,其超声传播方向与水-空气边界相垂直时,水-空气边界会发生超声的全反射,进一步的,由于空气的声阻抗与水的声阻抗之间的不匹配,使反射系数远大于透射系数;反射波与正向波频率相同,传播方向相反,故而形成驻波。在反射波与正向波两者相加的点会出现波腹,在反射波与正向波两者相减的点形成波节。更为重要的是,由于装置材料与水溶液的声阻抗不匹配,又会造成反射波的再次反射,故会产生相对复杂的超声声场,包括驻波与多次反射波。因此,使用脱气水作为超声传播介质能够使超声声场更加稳定,有利于超声治疗或评价。
需要说明的是,在水箱内设置有水位检测线,当脱气水的水位低于水位检测线时,停止超声发生,进而保证被治疗的动物(小鼠)或细胞培养管11中的细胞在超声传播介质内通过超声治疗或评价,对治疗或评价的有效性起到关键的作用。
本方案与现有技术相比,采用了脱气水作为超声波传播介质,克服超声波在的反射带来的不良影响,消除了驻波对细胞膜及组织的损伤,并且保证了声场稳定性,另外,在水箱内设置有水位检测线,保证了治疗或评价的有效性。
根据本发明的第二方面,还提供了一种超声治疗或评价用系统,如图3所示,包括前文所述的超声治疗或评价用装置31以及与其连接的控制模块32;控制模块32用于但不限于控制超声发生部件的工作模式;和/或移动部件的运动轨迹。
具体的,在本方案中,超声治疗或评价用装置31与控制模块32连接,控制模块32用于接收和发送控制指令,例如,控制模块32接收到传播介质的水位低于标准水位的信息时,发送停止超声波发生命令给超声发生部件。当控制模块32接收到可编程控制器(PLC)322发送的移动指令,生成移动控制指令控制固定件或活动梁进行移动。
本方案与现有技术相比,通过控制模块32控制超声治疗或评价用装置31进行位置移动或超声波的发生,保证了治疗或评价的准确性,提高了装置的自动化水平。
在进一步可选的实施例中,控制模块32包括:人机交互模块321和可编程控制器(PLC)322,人机交互模块321与可编程控制器连接,可编程控制器与超声治疗或评价用装置31连接。
具体的,在本方案中,人机交互模块321采用10.4英寸触摸屏,优选的是,采用英汉双语人机交互界面,控制系统软件程序设计考虑到安全、可靠、抗干扰性好和输出输入信息量大等因素,选用易实现机电一体化的可编程序控制器(PLC)来执行逻辑运算控制、顺序控制、定时控制、计数控制等操作的指定,并通过数字的、模拟的输入和输出数据和信息处理控制动物超声试验机的自动转运过程。具有超声换能头输出声强连续可调、超声波4种工作模式输出。并设有通讯接口可与用户信息管理系统联网,便于提取试验记录信息。
本方案与现有技术相比,使用可触摸控制的人机交互界面输入控制指令,并通过可编程序控制器(PLC)来执行逻辑运算控制、顺序控制、定时控制、计数控制等操作,可持续输入大量信息,系统安全、可靠、抗干扰性强。
在进一步可选的实施例中,还可以包括声敏剂加入部件。具体的,声敏剂加入部件可以设置在固定件上,用于治疗或评价时,向待治疗体(小鼠)或细胞培养管中注入声敏剂,当向待治疗体(小鼠)注入声敏剂时,可采用静脉注射的方式,当向细胞培养管中注入声敏剂时,可采用直接滴定的方式。
为了验证本申请上述优选实施例的装置通过超声发生装置设定不同强度的超声波时,实际获得的声强与设定值之间的误差,特进行了如下实验:
使用超声功率计(UPM)UPM-DT100N(Ohmic Instruments,USA)测量超声发生部件产生的总声功率。根据公式计算时间-空间平均超声强度ISATA:
PA是由UPM测量的总声功率,S是换能器的有效孔径,对于本发明使用的换能器有效孔径为3.3cm2。
表1.由声功率计测量得到实际的超声强度ISATA
从表1可以测得超声发生部件发出的不同声功率,由公式得到实际发出的超声强度ISATA。可以看出实际声强与设定值基本相符,相差不大,在误差允许范围之内。
为了验证本申请上述优选实施例的装置超声声场的稳定性与均一性,特进行了如下实验:
将PVDF型水听器(HNR-0500,校准范围:250kHz-10MHz)测定本发明产生超声场的均匀性。将水听器定位在与探头表面相距10mm的距离处,以记录超声波信号。水听器连接到数字示波器,用于观察,测量和处理光谱。为了考虑声波持续时间内的压力幅度变化,计算均方根压力值pRMS:
其中VRMS是水听器输出端电压的均方根值,M为水听器灵敏度(V/Pa)。
我们分别计算一定周期内声场压力变化的最大值与平均值,通过比较二者的差别,可以说明超声场内压力变化情况,即声场均一性。
pRMS(max)=max(pRMS(n))
pRMS(n)-第n次测量得出的均方根压力值,N-总测量次数,本实验N=180。
如图5所示,描绘的声压最大值pRMS(max)与平均值pRMS(mean)随时间-空间平均超声强度ISATA的变化可以得出结论:
1.超声强度越大,产生的声压越大;
2.在同一位置,同一声强下,检测得到的pRMS(max)与pRMS(mean)差异很小。说明在本发明产生的声场中,固定超声强度,空间任意一点的声压不随超声时间而改变,是均一并且稳定的声场。
为了验证本申请上述优选实施例的装置使用声敏剂的实际效果,特进行了如下实验:
以云南程海湖螺旋藻中提取并制备的Chlorin e6为声敏剂,研究声敏剂在本发明声场中对肿瘤细胞所产生的声动力效果。
将细胞样本随机分为4组:(1)对照组(Control),(2)加药组(Ce6),(3)超声组(US),(4)加药超声组(SDT)。将超声组和与声敏剂共培养一段时间的加药超声组肿瘤细胞重悬于新鲜的无血清培养液中,装有肿瘤细胞培养液的聚苯乙烯超声培养管插入载样孔固定,水箱中加注脱气水。超声发生部件定位在细胞培养管上以使超声的生物学焦域可以作用在肿瘤细胞上。采用3.21W/cm2强度超声辐照10min过后的肿瘤细胞立即使用台盼蓝染色,观察超声对细胞膜的损伤,以及再经过24小时培养后使用MTT法检测细胞存活率。
实验结果如图6所示,示出了各组样本中肿瘤细胞的存活情况,其中,viability(%)表示细胞存活率,Instant viability为即时存活率,Long-term viability为长期存活率,可以得出如下结论:
1.本发明声场对细胞没有明显的即时性损伤,即细胞膜在声场中保持完整,无论是否加入声敏剂;
2.声敏剂基本无细胞毒性;
3.细胞继续培养24h,超声细胞发生凋亡,声敏剂在本声场中进一步促进了细胞的死亡。
为了验证本申请上述优选实施例的装置使用新组合声敏剂(DYSP-C34)的实际效果,特进行了如下实验:
以申请人合成的二氢卟吩衍生物DYSP-C34为声敏剂,研究声敏剂在本发明声场中对荷瘤小鼠所产生的声动力治疗效果。
将4T1小鼠乳腺癌细胞接种于Balb/c(雌性,18~22g)小鼠左侧第二对乳头正下方,构建小鼠乳腺癌肺转移模型,接种第7天开始记录肿瘤体积以及小鼠体重,隔天测量一次。将荷瘤小鼠随机分为4组:(1)对照组(Control),(2)给药组(Drug),(3)超声组(US),(4)给药超声组(SDT),其中,给药组也可用DYSP-C34表示。分别在肿瘤接种的第12,14,18,20,24,26天进行给药超声治疗。小鼠尾静脉注射16mg/kg的声敏剂,2h以及隔天24h采用1.88W/cm2强度的超声辐照30min。治疗结束后,解剖肿瘤组织拍照并记录重量。肺组织使用Bouin’s固定液进行染色,乙醇脱色后,记录肺结节数量并统计数据。
如图7所示,示出了肿瘤体积随接种天数的变化情况,其中,Tumor Volume/mm3表示肿瘤体积,Days post-inoculation表示接种后的天数,对照组和超声组小鼠肿瘤的平均体积增长速度较快;而单纯声敏剂DYSP-C34给药组对肿瘤的生长起到了轻微的抑制作用,超声联合声敏剂的治疗组对肿瘤的抑制作用最为明显,肿瘤生长也最为缓慢(与其余各组比较,P<0.01)。图9示出了各组肿瘤在实验结束后的重量,其中,Tumor Weight(g)表示肿瘤的重量,实验结束后,对剥离出来的肿瘤组织进行称重计量的结果表明,DYSP-C34联合超声处理后肿瘤组织重量较轻,且具有显著性差异。相应的,从照片记录亦可观察到声动力治疗组中,肿瘤明显缩小(如图8所示)。由图10和图11看出,各实验组中的荷瘤小鼠均发生了不同程度的肿瘤肺转移,对照组小鼠肺转移的程度较为严重,肺部肿瘤结节数量较多,其中,Number of tumor nodules为肿瘤结节数。经不同处理后小鼠肺部肿瘤结节的数目有所减少,其中声敏剂联合超声处理组中,肿瘤肺转移的程度明显减轻,说明声敏剂联合自由场超声可以抑制乳腺肿瘤的肺转移。
综上,本发明提供的一种超声治疗或评价用装置及系统,将细胞培养管和小鼠固定在经特殊设计的水箱中,利用本专利装置产生的均一并且稳定的自由场超声,联合声敏剂发挥了对肿瘤细胞以及肿瘤组织显著的抑制作用,并且可以抑制小鼠乳腺肿瘤的肺转移,效果更佳,是良好的声敏剂体外、体内声动力效应评价体系。
以上描述的各技术特征可以任意地组合。尽管未对这些技术特征的所有可能组合进行描述,但这些技术特征的任何组合都应当被认为由本说明书涵盖,只要这样的组合不存在矛盾。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种超声治疗或评价用装置,其特征在于,包括:传播介质容纳部件、移动部件以及超声发生部件;
所述超声发生部件设置在所述传播介质容纳部件上;
所述移动部件与所述传播介质容纳部件可活动连接,且活动方向沿着所述超声发生部件所发生超声波的束射方向。
2.根据权利要求1所述的超声治疗或评价用装置,其特征在于,所述传播介质容纳部件为一面开口的水箱;所述超声发生部件设置在所述水箱的侧壁上;
所述移动部件包括一活动梁以及固定件;所述水箱的开口上设置有滑轨;
所述活动梁的两端设置在所述滑轨上,所述固定件设置在所述活动梁上,且其存在延伸至所述水箱容腔内的部分。
3.根据权利要求2所述的超声治疗或评价用装置,其特征在于,所述固定件包括一连接槽以及与所述连接槽的一侧固定设置的固定板;
所述连接槽可拆卸设置在所述活动梁上,所述固定板远离所述连接槽的一侧延伸至所述水箱的容腔内。
4.根据权利要求3所述的超声治疗或评价用装置,其特征在于,所述固定板远离所述连接槽的一侧设置有一载样平台;所述载样平台上设置有至少一个载样孔。
5.根据权利要求2-4任一项所述的超声治疗或评价用装置,其特征在于,所述水箱为一长方体形状;所述滑轨设置在其长度方向的两侧开口上;所述超声发生部件设置在处在处于所述滑轨之间的其中一个侧壁上。
6.根据权利要求5所述的超声治疗或评价用装置,其特征在于,所述水箱的侧壁两两相接触的边沿设置有凸台;所述滑轨的端部固定设置在所述凸台内。
7.根据权利要求6所述的超声治疗或评价用装置,其特征在于,所述水箱的内部设置有超声吸声材料层;和/或所述水箱的为高密度聚乙烯材料水箱。
8.根据权利要求7所述的超声治疗或评价用装置,其特征在于,所述水箱内的传播介质包括但不限定于脱气水,且所述水箱内设置有水位检测线。
9.一种超声治疗或评价用系统,其特征在于,包括权利要求1-8任一项所述的超声治疗或评价用装置以及与其连接的控制模块;
所述控制模块用于但不限于控制所述超声发生部件的工作模式;和/或
所述移动部件的运动轨迹。
10.根据权利要求9所述的超声治疗或评价用系统,其特征在于,控制模块包括:人机交互模块和可编程控制器,所述人机交互模块与所述可编程控制器连接,所述可编程控制器与所述超声治疗或评价用装置连接。
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