CN115999037A - 一种超声给药系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物医疗实验器械技术领域，公开了一种超声给药系统，包括：声表面波组件、注射器及移动组件，声表面波组件包括基底和多个叉指换能器，基底具有沿其延伸方向开设的流道，基底的上端固定有多个叉指换能器，多个叉指换能器沿基底的延伸方向间隔分布，相邻的两个叉指换能器之间通过流道连接，注射器包括依次连接的推杆、针管以及针头，针头与针管之间连接有软管，针头活动连接于流道内，移动组件包括驱动件以及连接于驱动件的移动座，驱动件驱动移动座沿注射器的延伸方向移动，移动座与推杆连接，以将推杆向针管的内部推进，从而使针管内的注射药物进入流道内。本发明的给药系统以漏声波的形式将超声能量传递至液体中，从而做到无创给药。
Description
技术领域
本发明涉及生物医疗实验器械技术领域，特别涉及一种超声给药系统。
背景技术
随着科学技术的发展，健康医疗问题越来越被重视。药剂治疗目前是最常用的治疗手段之一，药剂治疗的原理是通过某种方式将药剂输送到体内产生作用，可分为口服式、注射式以及特殊物理化学方式。其中，特殊物理化学方式中的超声给药方式因超声易产生易控制等得到了广泛的应用。
超声给药装置是利用压电陶瓷等压电材料产生振动，将超声能量传递出去，药物分子在声场中受到声辐射力影响，从而通过控制声场以驱动药物分子达到透皮或者透黏膜给药的效果。在这个过程中，超声能量一部分给了药物分子，促进了药物分子的流动，另一部分能量作用于细胞组织，会在细胞表面产生一些空化、声孔等生物物理化学效应，促进细胞的通透性。
现有的超声给药装置采用的多为体声波，体声波是空间中传递的声波，辐射范围较大，难以精确的控制超声能量的释放，从而在超声给药的过程中易于对细胞组织造成损伤。
发明内容
本发明提供一种超声给药系统，提出一种基于声表面波的超声给药系统，声表面波只在压电材料表面振动，超声能量会以漏声波的形式传递到液体中，进而传递到细胞组织表面，这样有利于精确控制给药的强弱，从而做到按需无创给药。
本发明提供了一种超声给药系统，包括：
声表面波组件，包括基底和多个叉指换能器，基底具有沿其延伸方向开设的流道，基底的上端固定有多个叉指换能器，多个叉指换能器沿基底的延伸方向间隔分布，相邻的两个叉指换能器之间通过流道连接；
注射器，包括依次连接的推杆、针管以及针头，针头与针管之间连接有软管，针头活动连接于流道内；
移动组件，包括驱动件以及连接于驱动件的移动座，驱动件驱动移动座沿注射器的延伸方向移动，移动座与推杆连接，以将推杆向针管的内部推进，从而使针管内的注射药物进入流道内。
可选的，基底由柔性材料制成。
可选的，还包括底座，底座上固定有滑轨，滑轨沿注射器的延伸方向设置，驱动件连接于底座上，移动座与滑轨滑动配合，以使移动座沿滑轨滑动。
可选的，还包括固定于底座上的支撑座，针管贯穿支撑座，针管与支撑座可拆卸连接，推杆的自由端与移动座抵接。
可选的，驱动件包括：
步进电机，固定于底座上，步进电机的输出轴沿注射器的延伸方向设置；
丝杠，沿注射器的延伸方向设置，丝杠与步进电机的输出轴固连，移动座螺接于丝杠上。
可选的，还包括电源组件，电源组件包括：
电机控制开关，通过步进电机线缆与驱动件连接；
声表面波控制开关，通声表面波信号线缆与叉指换能器连接；
控制电路，分别与驱动件及叉指换能器连接。
可选的，电源组件还包括函数发生器以及与函数发生器连接的功率放大器，函数发生器将电压信号发送给功率放大器，功率放大器将电压信号的幅值进行放大，并将放大后的电压信号加载到叉指换能器两端，实现叉指换能器表面的振动。
可选的，叉指换能器在与注射药物接触时，会将自身的振动传递到注射药物内，叉指换能器的底边振动速度方程为：
其中，ux为x方向的底边振动速度，uy为y方向的底边振动速度，ζ为x方向与y方向振动位移比，d0为y方向振幅，ω为振动的角频率，Cd为衰减系数，k为波数，W为液体宽度，i为虚数单位，t为时间；
叉指换能器底边在周期振动，会在流场空间中形成声场，一阶声场声速u1的计算方程如下：
u1＝ut-ub
上式中，ut可分解为：
utx＝ux(x,t)
uty＝uy(x,t)
其中，u1为一阶声场声速，ub为二阶声场微小量，声场对流体的流动会产生影响，即u1会在u2中形成雷诺应力F。
可选的，雷诺应力F可由流体NS方程给出：
其中，ρ0为液体密度，u2为流场流速，p2为静水压力，μ为动力粘度。
可选的，细胞表面的剪切应力可由下式计算得到：
其中，μ为动力粘度，u2x为u2在x方向的运动速度分量、u2y为u2在y方向的运动速度分量，当细胞表面的剪切应力达到可修复声孔的剪切应力阈值12Pa时，会在细胞表面形成几十纳米到几微米的小孔，从而促进药物渗透，通过上述公式计算出达到可修复声孔的剪切应力阈值所需的底边振动速度，振动速度与角频率与振幅有关，可通过控制叉指换能器的角频率以及电压来控制振动速度，从而定量的控制声孔效应。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的一种超声给药系统采用声表面波给药，相较于传统的体声波超声给药系统，声表面波只在压电材料表面振动，超声能量会以漏声波的方式传递到液体中，进而传递到细胞组织表面，故可以通过控制压电材料振动的频率以及振幅从而精确控制剪切力的大小，即给药强度，从而做到无创给药，同时可以通过流道设计，做到多药物的同时输送。本发明提出的一种超声给药系统采用了分布式结构组件，由于对不同药物可以选择不同频率的声表面波组件，这样只需要更换声表面波组件的方式大大降低了声表面波给药系统的成本，具有广阔的应用场景和市场空间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超声给药系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的声表面波组件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的声表面波组件的剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的移动组件与注射器的连接结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电源组件结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电源组件控制逻辑示意图；
图7为本发明实施例提供的超声给药系统的流场分布示意图；
图8为本发明实施例提供的超声给药系统的细胞表面的剪切应力分布图；
图9为本发明实施例提供的超声给药系统的组织给药效果图；
图10发明基于声表面波的超声给药系统的组织给药效果图。
附图标记说明：
1-声表面波组件，2-注射器，3-电源组件，4-叉指换能器，5-基底，6-流道，7-推管，8-步进电机，9-丝杠，10-移动座，11-支撑座，12-上压板，13-针管，14-软管，15-针头，16-电机控制开关，17-声表面波控制开关，18-步进电机线缆，19-声表面波信号线缆，20-底座，21-滑轨。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
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”、“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的技术方案和简化描述，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。
随着科学技术的发展，健康医疗问题越来越被重视。药剂治疗目前是最常用的治疗手段之一，药剂治疗的原理是通过某种方式将药剂输送到体内产生作用，可分为口服式、注射式以及特殊物理化学方式。其中，特殊物理化学方式中的超声给药方式因超声易产生易控制等得到了广泛的应用。
超声给药装置是利用压电陶瓷等压电材料产生振动，将超声能量传递出去，药物分子在声场中受到声辐射力影响，从而通过控制声场以驱动药物分子达到透皮或者透黏膜给药的效果。在这个过程中，超声能量一部分给了药物分子，促进了药物分子的流动，另一部分能量作用于细胞组织，会在细胞表面产生一些空化、声孔等生物物理化学效应，促进细胞的通透性。
现有的超声给药装置采用的多为体声波，体声波是空间中传递的声波，辐射范围较大，难以精确的控制超声能量的释放，从而在超声给药的过程中易于对细胞组织造成损伤。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种超声给药系统，提出一种基于声表面波的超声给药系统，声表面波只在压电材料表面振动，超声能量会以漏声波的形式传递到液体中，进而传递到细胞组织表面，这样有利于精确控制给药的强弱，从而做到按需无创给药，以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，其中，图1为本发明实施例提供的一种超声给药系统的整体结构示意图，图2为本发明实施例提供的声表面波组件的结构示意图，图3为本发明实施例提供的声表面波组件的剖面示意图，图4为本发明实施例提供的移动组件与注射器的连接结构示意图，图5为本发明实施例提供的电源组件结构示意图，图6为本发明实施例提供的电源组件控制逻辑示意图，图7为本发明实施例提供的超声给药系统的流场分布示意图，图8为本发明实施例提供的超声给药系统的细胞表面的剪切应力分布图，图9为本发明实施例提供的超声给药系统的组织给药效果图，图10发明基于声表面波的超声给药系统的组织给药效果图。
如图1-4所示，本发明实施例提供的一种超声给药系统，包括：声表面波组件1、注射器2和移动组件，声表面波组件1包括基底5和多个叉指换能器4，基底5具有沿其延伸方向开设的流道6，基底5的上端固定有多个叉指换能器4，多个叉指换能器4沿基底5的延伸方向间隔分布，相邻的两个叉指换能器4之间通过流道6连接，注射器2包括依次连接的推杆7、针管13以及针头15，针头15与针管13之间连接有软管14，针头15活动连接于流道6内，移动组件包括驱动件以及连接于驱动件的移动座10，驱动件驱动移动座10沿注射器2的延伸方向移动，移动座10与推杆7连接，以将推杆7向针管13的内部推进，从而使针管13内的注射药物进入流道6内。
在本实施例中，叉指换能器加工是在铌酸锂等压电基底上沉积金属层，并在表面沉积一层SiO2或者ZnO作为绝缘层，相邻的叉指换能器可在PDMS上沉积Au或者其他金属连接，可以采用铜线连接，利用PDMS将导线包裹，针头是圆柱形，流道也是圆柱形，针头加工会偏大，通过过盈配合实现针头与流道可插拔连接。
本发明提出的一种超声给药系统采用声表面波给药，相较于传统的体声波超声给药系统，声表面波只在压电材料表面振动，超声能量会以漏声波的方式传递到液体中，进而传递到细胞组织表面，故可以通过控制压电材料振动的频率以及振幅从而精确控制剪切力的大小，即给药强度，从而做到无创给药，同时可以通过流道设计，做到多药物的同时输送。本发明提出的一种超声给药系统采用了分布式结构组件，由于对不同药物可以选择不同频率的声表面波组件，这样只需要更换声表面波组件的方式大大降低了声表面波给药系统的成本，具有广阔的应用场景和市场空间。
可选的，基底5由柔性材料制成，若干个叉指换能器4胶合在柔性材料制成的基底5上。如图3所示，基底5中间为流道6，流道6通向每两对叉指换能器4之间以及基底5的前端，流道6可以定向的输送药物；柔性基底5可采用PDMS材质，亦可采用其他柔性材质如蚕丝、PVA、PI等，用于实现人体自然腔道内的弯曲、扭转等复杂运动，具有更好的生物相容性，在本实施例中，采用PDMS材质，采用了PDMS柔性基底材料以及若干块叉指换能器，能很好的实现弯曲扭转运动，更好的符合人体腔道的复杂环境，做到定点给药，直接将药物送到病灶，促进药物的吸收。
可选的，还包括底座20，底座20上固定有滑轨21，滑轨21沿注射器2的延伸方向设置，驱动件连接于底座20上，移动座10与滑轨21滑动配合，以使移动座10沿滑轨21滑动。
可选的，还包括固定于底座20上的支撑座11，针管13贯穿支撑座11，针管13与支撑座11可拆卸连接，推杆7的自由端与移动座10抵接，支撑座顶部为V字形，将针管放入到V形槽中，顶部用上压板12压住并用螺栓固定实现两者的可拆卸连接。
可选的，驱动件包括：步进电机8和丝杠9，步进电机8固定于底座20上，步进电机8的输出轴沿注射器2的延伸方向设置，丝杠9沿注射器2的延伸方向设置，丝杠9与步进电机8的输出轴固连，移动座10螺接于丝杠9上，支撑座与丝杠是通过轴承连接，具体的，丝杠前段为光轴，通过过盈配合与支撑座内部轴承连接，轴承内圈与丝杠配合连接，外圈与支撑座配合连接，使用滚珠丝杠与注射器组件，可以实现对药物的定量定时的输送，同时可以通过流道设计，做到多药物的同时输送。
参考图5，本发明实施例提供的一种超声给药系统还包括电源组件3，电源组件3包括：电机控制开关16、声表面波控制开关17以及控制电路，电机控制开关16通过步进电机线缆18与驱动件连接，声表面波控制开关17通声表面波信号线缆19与叉指换能器4连接，控制电路分别与驱动件及叉指换能器4连接，顺时针或者逆时针旋转电机控制开关16可以调节步进电机的旋转速率以控制给药的速率；声表面波控制开关17可以实现对声表面波组件1电信号的控制，并由声表面波信号线缆19进行连接，单点声表面波控制开关17可以实现频率或者电压两种工作模式的切换，顺时针或者逆时针旋转声表面波控制开关17可以实现对声表面波电信号的频率值或者电压值的调节。
作为优选的实施方式，控制电路生成控制信号，传递给驱动器，采用两相四线的控制方法，对步进电机进行控制，可以实现步进电机的匀速、变速旋转控制等，从而实现不同药液速率的给药。
如图6所示，电源组件3还包括函数发生器11以及与函数发生器连接的功率放大器12，函数发生器11将电压信号发送给功率放大器12，功率放大器12将电压信号的幅值进行放大，并将放大后的电压信号加载到叉指换能器4两端，实现叉指换能器4表面的振动。电源组件3内部还包含匹配电路、反馈电路以及驱动器，控制电路主要包括对步进电机的控制以及对叉指换能器的控制。由于叉指换能器本身工作过程中显电容性，故需要匹配电路进行阻抗匹配，最终通过声表面波信号线缆给叉指换能器进行激励，最终实现叉指表面的高频振动。
作为优选的实施方式，叉指换能器4在电源组件3的激励下，根据压电效应将产生高频的机械振动，在与液体接触时会将自身振动传递到液体内，在液体内形成声流场，当声流场中的细胞达到声孔效应剪切应力阈值时，会在表面形成声孔，从而促进药物的吸收，声表面波组件1上的叉指换能器4可以根据不同的需求设计出不同的共振频率，用于不同药物的超声给药以达到最佳的递送效果；叉指换能器4可设计成普通的叉指换能器，也可根据送药部位的不同设计成聚焦型叉指换能器等。
可选的，叉指换能器4在与注射药物接触时，会将自身的振动传递到注射药物内，叉指换能器4的底边振动速度方程为：
其中，ux为x方向的底边振动速度，uy为y方向的底边振动速度，ζ为x方向与y方向振动位移比，d0为y方向振幅，ω为振动的角频率，Cd为衰减系数，k为波数，W为液体宽度，i为虚数单位，t为时间；
叉指换能器4底边在周期振动，会在流场空间中形成声场，一阶声场声速u1的计算方程如下：
u1＝ut-ub
上式中，ut可分解为：
utx＝ux(x,t)
uty＝uy(x,t)
其中，u1为一阶声场声速，ub为二阶声场微小量，声场对流体的流动会产生影响，即u1会在u2中形成雷诺应力F。
可选的，雷诺应力F可由流体NS方程给出：
其中，ρ0为液体密度，u2为流场流速，p2为静水压力，μ为动力粘度。
如图7所示，流场中的速度场分布示意图，振动传到液体中，会在液体中形成若干涡旋，在细胞表面形成近边界流，速度梯度将产生剪切应力。
作为一种优选的实施方式，如图8所示，细胞表面的剪切应力可由下式计算得到：，细胞表面的剪切应力可由下式计算得到：
其中，μ为动力粘度，u2x为u2在x方向的运动速度分量、u2y为u2在y方向的运动速度分量，当细胞表面的剪切应力达到可修复声孔的剪切应力阈值12Pa时，会在细胞表面形成几十纳米到几微米的小孔，从而促进药物渗透，通过上述公式计算出达到可修复声孔的剪切应力阈值所需的底边振动速度，振动速度与角频率与振幅有关，可通过控制叉指换能器4的角频率以及电压来控制振动速度，从而定量的控制声孔效应。
具体地，操作者先将药液充满注射器，并用上压板及螺钉将注射器固定在支撑座上，注射器后端顶在丝杠螺母座上，后将针头以及带针头的软管进行连接，并将带针头的软管插入到声表面波组件的流道入口。后将声表面波组件柔性可弯曲地深入到人体或者动物的自然腔道的病灶处，通过电机控制开关以及声表面波控制开关分别对药液的流动速率以及声表面波频率和电压进行控制，同时，输出反馈电路会对叉指换能器两端电压进行反馈微调，根据药液的量以及组织厚度微调后得到最佳的工作频率以实现最佳的效能。
如图9所示，离体大鼠结肠组织被用于检测声表面波对于大分子荧光模式药物穿透黏膜屏障的影响。A组为空白组，B组为单药对照组，C组为药物+声表面波处理组，图片中的绿色为药物渗透量；如图10所示，分析统计9图中大分子荧光模式药物在肠组织内的平均荧光强度，声表面波组是单药对照组的9倍左右。
综上，本发明提出的一种超声给药系统采用声表面波给药，相较于传统的体声波超声给药系统，声表面波只在压电材料表面振动，超声能量会以漏声波的方式传递到液体中，进而传递到细胞组织表面，故可以通过控制压电材料振动的频率以及振幅从而精确控制剪切力的大小，即给药强度，从而做到无创给药；另外，该系统采用了PDMS柔性基底材料以及若干块叉指换能器，能很好的实现弯曲扭转运动，更好的符合人体腔道的复杂环境，做到定点给药，直接将药物送到病灶，促进药物的吸收；同时，使用滚珠丝杠与注射器组件，可以实现对药物的定量定时的输送，同时可以通过流道设计，做到多药物的同时输送，基于声表面波的给药系统采用了分布式结构组件，由于对不同药物可以选择不同频率的声表面波组件，这样只更换声表面波组件的方式大大降低了声表面波给药系统的成本，提高了电源组件以及滚珠丝杠与注射器组件的利用率，具有广阔的应用场景和市场空间。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声给药系统，其特征在于，包括：
声表面波组件(1)，包括基底(5)和多个叉指换能器(4)，所述基底(5)具有沿其延伸方向开设的流道(6)，所述基底(5)的上端固定有多个所述叉指换能器(4)，多个所述叉指换能器(4)沿所述基底(5)的延伸方向间隔分布，相邻的两个所述叉指换能器(4)之间通过所述流道(6)连接；
注射器(2)，包括依次连接的推杆(7)、针管(13)以及针头(15)，所述针头(15)与所述针管(13)之间连接有软管(14)，所述针头(15)活动连接于所述流道(6)内；
移动组件，包括驱动件以及连接于所述驱动件的移动座(10)，所述驱动件驱动所述移动座(10)沿所述注射器(2)的延伸方向移动，所述移动座(10)与所述推杆(7)连接，以将所述推杆(7)向所述针管(13)的内部推进，从而使所述针管(13)内的注射药物进入所述流道(6)内。
2.如权利要求1所述的超声给药系统，其特征在于，所述基底(5)由柔性材料制成。
3.如权利要求1所述的超声给药系统，其特征在于，还包括底座(20)，所述底座(20)上固定有滑轨(21)，所述滑轨(21)沿所述注射器(2)的延伸方向设置，所述驱动件连接于所述底座(20)上，所述移动座(10)与所述滑轨(21)滑动配合，以使所述移动座(10)沿所述滑轨(21)滑动。
4.如权利要求3所述的超声给药系统，其特征在于，还包括固定于所述底座(20)上的支撑座(11)，所述针管(13)贯穿所述支撑座(11)，所述针管(13)与所述支撑座(11)可拆卸连接，所述推杆(7)的自由端与所述移动座(10)抵接。
5.如权利要求4所述的超声给药系统，其特征在于，所述驱动件包括：
步进电机(8)，固定于所述底座(20)上，所述步进电机(8)的输出轴沿所述注射器(2)的延伸方向设置；
丝杠(9)，沿所述注射器(2)的延伸方向设置，所述丝杠(9)与所述步进电机(8)的输出轴固连，所述移动座(10)螺接于所述丝杠(9)上。
6.如权利要求1所述的超声给药系统，其特征在于，还包括电源组件(3)，所述电源组件(3)包括：
电机控制开关(16)，通过步进电机线缆(18)与所述驱动件连接；
声表面波控制开关(17)，通声表面波信号线缆(19)与所述叉指换能器(4)连接；
控制电路，分别与所述驱动件及叉指换能器(4)连接。
7.如权利要求6所述的超声给药系统，其特征在于，所述电源组件(3)还包括函数发生器(11)以及与所述函数发生器连接的功率放大器(12)，所述函数发生器(11)将电压信号发送给所述功率放大器(12)，所述功率放大器(12)将所述电压信号的幅值进行放大，并将放大后的所述电压信号加载到所述叉指换能器(4)两端，实现所述叉指换能器(4)表面的振动。
8.如权利要求1所述的超声给药系统，其特征在于，所述叉指换能器(4)在与所述注射药物接触时，会将自身的振动传递到所述注射药物内，所述叉指换能器(4)的底边振动速度方程为：
其中，ux为x方向的底边振动速度，uy为y方向的底边振动速度，ζ为x方向与y方向振动位移比，d0为y方向振幅，ω为振动的角频率，Cd为衰减系数，k为波数，W为液体宽度，i为虚数单位，t为时间；
所述叉指换能器(4)底边在周期振动，会在流场空间中形成声场，一阶声场声速u1的计算方程如下：
u1＝ut-ub
上式中，ut可分解为：
utx＝ux(x,t)
uty＝uy(x,t)
其中，u1为一阶声场声速，ub为二阶声场微小量，声场对流体的流动会产生影响，即u1会在u2中形成雷诺应力F。
9.如权利要求8所述的超声给药系统，其特征在于，所述雷诺应力F可由流体NS方程给出：
F＝ρ0<(u1·▽)u1+u1▽·u1>
μ▽2u2＝▽p2-F
▽·u2＝0
其中，ρ0为液体密度，u2为流场流速，p2为静水压力，μ为动力粘度。
10.如权利要求9所述的超声给药系统，其特征在于，细胞表面的剪切应力可由下式计算得到：
其中，μ为动力粘度，u2x为u2在x方向的运动速度分量、u2y为u2在y方向的运动速度分量，当所述细胞表面的剪切应力达到可修复声孔的剪切应力阈值12Pa时，会在细胞表面形成几十纳米到几微米的小孔，从而促进药物渗透，通过上述公式计算出达到可修复声孔的剪切应力阈值所需的底边振动速度，振动速度与角频率与振幅有关，可通过控制所述叉指换能器(4)的角频率以及电压来控制振动速度，从而定量的控制声孔效应。
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