CN1724093A - 一种超声波骨折治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超声波骨折治疗仪，涉及医疗器械领域。本发明所要解决的问题是在治疗过程中超声波的频率及辐射强度固定不可调的，无法适应更多的治疗需要。本发明包括电源、超声波发生器、与超声波发生器相连的换能器，其特征是它有一控制该治疗仪的处理器，该处理器与所述的超声波发生器相连，超声波发生器带有增益可编程放大电路。通过增益可编程放大电路来进行补偿超声波经过软组织时的衰减，适应了不同部位和不同人群(胖瘦、种族等)，确保了疗效，提高了各种骨不连接的治愈率；该仪器体积小，方便使用。

Description

一种超声波骨折治疗仪

【技术领域】

本发明涉及医疗器械领域，特别是一种用于骨折愈合的超声波治疗仪。

【背景技术】

超声波本身是一个有相当长历史的技术，在工业上有着广泛的应用，在医疗上已有近五十年历史。中国专利申请号为93107355.3的“超声波骨折愈合仪”公开了一种用超声波技术治疗骨折的仪器，该仪器的超声波工作频率为60KHZ至0.8MHZ，其空间辐射强度设置在4W/cm²至10W/cm²。但在治疗过程中超声波的频率及辐射强度是固定不可调的，无法适应更多的治疗需要。近年来，基础研究文献表明：脉冲低能量超声波能影响骨骼恢复，使愈合组织显著生长。动物实验表明脉冲低能量超声波使得愈合组织的数量、机械强度和硬度显著提高。运用低能量超声波且超声辐射功率、频率、脉冲宽度、治疗时间可自动调节的以及兼有理疗作用的超声波骨折治疗仪还未见报道。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种输出相对低能量超声波用以治疗的超声波骨折治疗仪，超声辐射功率、频率、脉冲宽度、治疗时间可通过程序控制自动调节，以适应不同的治疗或理疗需要；针对不同病例选择不同的频率、不同的调制脉冲及不同的能量、不同的治疗时间，以取得更好的疗效；通过向骨折部位传递相应低能量超声能量，促进骨组织生长，缩短骨折的痊愈时间，提高各种骨不连的治愈率。

针对超声波输出功率在脂肪，肌肉，血管等软组织中有衰减的情况，本发明通过软组织厚度检测电路进行检测，测出其各种组织厚度，再由处理器据它计算出衰减功率，于是采用带有增益可编程的放大电路进行补偿，从而使得治疗仪可适应不同部位和不同人群(胖瘦、种族等)，这是本发明的一个重要目的。

换能器耦合检测电路能测试换能器与人体耦合情况，当耦合不佳时，报警器发出报警声，以确保换能器耦合状况最佳，达到稳定正确的治疗效果，这是本发明的又一目的。

本发明的再一目的是提供一种体积小、结构紧凑的便携式仪器，使病人无论在医院、家中、工作中或在学习中都能方便使用。

本发明通过以下方式实现：一种超声波骨折治疗仪，包括电源、超声波发生器、与超声波发生器相连的换能器，其特征是它有一控制该治疗仪的处理器，所述的处理器与超声波发生器相连，超声波发生器带有增益可编程放大电路。增益可编程放大电路实现输出功率可调，它是对超声波信号产生模块所产生的较弱超声正弦波信号进行可变倍数的信号放大，该放大过的信号再经功率放大得到不同功率，这样超声波的频率及功率均可通过程序控制自动调节。

超声波骨折治疗仪的处理器上接有换能器耦合检测电路和软组织厚度检测电路。

软组织厚度检测电路包括依次串联的探测超声发生电路、发射/接收切换电路、回波接收电路和回波鉴相测量电路，探测超声发生电路由超声产生电路及放大驱动电路组成，回波接收电路由回波信号放大电路及信号整形电路组成，探测超声发生电路的输入与处理器相接，回波鉴相测量电路的输出与处理器相接，发射/接收切换电路与治疗探头相连。

换能器耦合检测电路由电感、二极管检波及滤波电路、报警电路组成。换能器耦合检测电路能测试换能器与人体耦合情况，当耦合不佳时，报警器发出声光报警，以确保换能器耦合状况最佳。

在治疗前，超声发生电路发出超声波信号，经放大驱动至发射/接收切换电路(此时切换电路在发射档)，再经治疗探头发射至所需治疗部位，然后切换电路到接收档，接收从治疗探头处检测到的探测声波穿过软组织后经由骨头反射来的回波信号，经放大整形至鉴相测量电路，再经处理器处理后确定该弥补的功率衰减，由处理器向增益可编程放大电路发出控制信号，确定放大的倍数，使实际到达骨患处的功率为恒定值，从而保证疗效。

本发明的一种超声波骨折治疗仪，其超声波发生器与处理器相连，超声波发生器由超声波信号发生电路、调制模块及功率放大电路串接而成，超声波信号发生电路及调制模块与处理器相连，超声波功率放大电路的输出接换能器。超声波信号的产生由直接数字频率合成电路实现，所述的数字频率合成电路它由N位相位累加器、正弦波数据ROM和D/A以及低通滤波电路构成，也可采用现有的市售集成DDS芯片。直接数字频率合成电路可以合成出各种频率出来，在程序控制下该电路可以产生从0HZ-10MHZ(甚至更宽)的所有超声信号，这样在治疗过程中可以根据病情需要采用不同频率做治疗，可以很方便变频，达到超声频率可调的目的。

超声波功率放大电路带有增益可编程放大电路，实现对经过软组织时功率衰减的弥补。

调制模块由来自处理器的可编程脉宽调制信号(即PWM)控制高速低阻抗的调制模拟开关实现，即由处理器控制输出PWM信号，高速低阻抗的调制模拟开关采用市售芯片。

PWM脉宽调制脉冲完全由处理器在程序协调下产生，可输出0％到100％占空比，调制频率在0HZ-100KHZ(甚至更宽)的调制脉冲信号(此处调制波形也可是包括方波在内的各种波形)，调制脉冲频率及脉宽，以及上述的直接数字频率合成电路可合成出各种治疗用超声，两者结合可以针对不同病例取得更有效的疗效。

功率调节有两层含意，一层含意是针对不同病情情况，比如旧伤或新伤的差异：需要到达骨患处的功率要调节，比如某部位的旧伤需要治疗功率为40mW/cm²而该部位的新伤需要为30mW/cm²。另外一层意思是人体差异调节：可以保证弥补软组织厚度的差异，从而保证到达骨患处的功率是所需值，如同一部位同一类伤情，正常需要30mW/cm²的功率，但对某些人可能该部位软组织过厚，衰减了10mW/cm²，那么设备输出的原始功率就应该是40mW/cm²。

本发明采用的换能器呈圆盘形，该换能器通过螺纹置于一固定附件内的底部，所述的固定附件包括底座、与底座盖合的圆盖和连接在圆盖上的引线，底座的外壁设有螺纹，使用十分方便，只要将固定附件旋入治疗窗口的螺纹处即可。

换能器的又一结构，换能器与一绷带连为一体，形状为带式或套式，依照治疗部位的形状，将治疗探头更好地安装到患处，且不需要另加绷带。

换能器的另一结构，换能器底部有粘性胶，可以直接将换能器固定在治疗部位并耦合超声波到治疗部位。

本发明的一种超声波骨折治疗仪，其处理器不仅对超声波发生器的输出频率、信号强度进行控制，对波形进行调制，还接有控制超声波发生时间的实时时钟电路，存贮参数、记录工作数据的内存及显示器。

作为本发明的进一步优化，处理器的输入端接有通讯口，可通过所配备通信线与计算机相连，有通信口RS-232(或者并口，USB等都行)的好处是方便下载方案及管理监督治疗效果。针对不同病例或者针对不同人在实践积累过程中会发现有更适合的治疗方案，这时我们可以下载相应的治疗方案(主要是功率，频率，调制脉冲，治疗时间等参数，甚至组合方案，还有相应患者信息，治疗指导信息等)从而使得患者得到更专业恰当的治疗。另外也方便对患者治疗状况进行监护，备份其信息也方便统一管理。还可将治疗仪记录下载的治疗信息上传，以便分析跟踪治疗状况。

本发明可接有多个治疗探头，便于同时对多个人进行治疗。

本发明的有益效果是：1)治疗仪的超声辐射功率，频率，调制脉冲宽度，治疗时间的长度的自动调节，可以根据病情需要采用不同频率及辐射能量做治疗，通过向骨折部位传递相应低能量超声能量，可以减少病人的痊愈时间，缩短骨折的治疗时间，加速康复，提高骨折或骨不连的治愈率；2)带有软组织厚度检测电路，及增益可编程放大电路来进行补偿超声波经过软组织时的衰减，适应不同部位和不同人群(胖瘦、种族等)，确保疗效；3)本发明是一种便携式设备，是非侵入式治疗仪器，不需要对病人进行特殊处理。病人无论在医院、家中、工作中、或者是在学习中都能通过该进行治疗，使用方便；4)兼具理疗作用。

以下结合附图对本发明作进一步详细描述，并给出具体实施方式。

【附图说明】

图1为本发明的电路框图。

图2为软组织厚度检测电路框图。

图3为换能器耦合检测电路图。

图4为发射/接收切换电路图。

图5为换能器的一种结构示意图。

图6为超声波功率放大电路框图。

图7为实施例1中治疗仪壳体的正侧视图。

图8为实施例1中治疗仪壳体的后侧视图。

【具体实施方式】

实施例1：本发明的治疗仪它有一壳体，见图7-8，壳体的前侧面有显示器，显示器由显示屏、键盘、及指示灯等组成，键盘采用轻触开关，轻触开关接A/D芯片实现对键的识别。显示屏为320×240点阵图文液晶屏，用来显示治疗参数、方案、状态及相应故障提示。LCD大屏显示模块与处理器(即单片机，简称MCU)相连，实时时钟采用市售实时时钟芯片，参数存储采用串行EEPROM，用来存储治疗参数、方案及治疗状态，并保存治疗结果。其壳体的后背有电源连接端、探头连接器及对比度旋钮。本发明采用220V市电，通过变压器及全桥整流及稳压，产生功放部分的24V电源，从24V电源处通过开关电源电路产生5V电源，并提供给各单元。控制该治疗仪的处理器由一通用芯片构成，提供多通道A/D、PWM调制信号，同时给超声波信号发生单元、LCD、时钟、存贮、RS-232串行通信口等模块提供数据总线及控制信号，处理器采用3MHz晶振。处理器接有换能器耦合检测电路、软组织厚度检测电路，见图1。

软组织厚度检测电路的结构见图2，发射/接收切换电路图见图4。

本发明超声波发生器与处理器相连，超声波发生器由超声波信号发生电路、调制模块及功率放大电路串接而成，超声波信号发生电路及调制模块与处理器相连，超声波功率放大电路的输出接换能器。超声波信号的产生由直接数字频率合成电路实现，它由28位相位累加器至正弦波数据ROM再至10位以上D/A数模转换。此时超声波信号的频率可根据使用情况适当调节，该信号的调制由调制模块控制，由可编程的PWM脉宽调制信号控制高速低阻抗的调制模拟开关实现。由处理器控制输出PWM信号，而调制模拟开关采用市售芯片。

超声波功率放大电路由信号调理、缓冲放大、推挽功率放大输出模块依次组成，见图6，功率放大的输出直接去驱动换能器，其输入信号源来自超声波信号产生电路，其输入控制信号来自处理器，信号调理是在软件控制下完成的，使得超声信号可由软件控制实现可变增益的放大，具体使用ADI公司的一款VGA可变增益放大器芯片加上数字电位器实现，VGA芯片可由电压控制增益，而数字电位器在MCU控制下可输出不同电压从而控制VGA的增益(即放大倍数)。缓冲放大部分实现阻抗变换及超声信号的进一步放大，推挽部分实现信号的功率放大。

超声波频率范围是0.9-3.0MHZ，辐射强度是20mW/cm²-100mW/cm²。

为了达到最佳的治疗效果本发明设有换能器耦合检测电路，通过电感线圈感应功放输出信号来实现见图3，在功放输出支路里串入一小电感，再在电路板上其平行位置布置感应线圈感应功放驱动信号，该信号通过二极管检波与相应滤波电路、信号调理后进入A/D转换，最后数据由单片机处理。换能器耦合检测电路还带有报警电路，报警器包括蜂鸣器和LED指示灯，即同时声光报警，当换能器耦合不佳时，以一种频率的响声及闪烁提醒用户，正常治疗时它又以另一种频率的声响及闪光提示用户。

本发明的主制单元及有关模块电路板位于壳体中。

本实施例中换能器呈圆盘形，见图5，该换能器2通过螺纹置于一固定附件内的底部，所述的固定附件包括底座3、与底座3盖合的圆盖1和连接在圆盖1上的引线4，底座3的外壁设有螺纹。换能器与治疗仪壳体的连接可通过铜轴电缆屏蔽线，线的两端各有一个连接器，一头是带螺纹的SMA连接器，另一端是带自锁的CC4连接器(连接器为市售品)。SMA连接器同骨折治疗仪后背的探头连接器紧密相连，同时固定好螺纹。铜轴电缆屏蔽线的另一端是带自锁功能的CC4连接器，与换能器上的CC4连接器相连。如要拔出带自锁功能的CC4，只需把接在换能器一端的CC4连接器的外自锁套向后(插入端相反的方向)轻推插出即可，十分方便。

使用的换能器可以是接收及发射性超声换能器，或是多块相同或者不同性能的换能器组成，通过接收并分析回波信号的幅度，频率或其它参量的变化以计算分析骨折部位深度及位置，协助治疗换能器的定位，深度用于补偿超声波在软组织里的衰减以保证供给骨折部位的超声波强度的一致性。骨折部位的定位可以在治疗前测量从骨和软组织界面处的发射波的传输时间及比较回波信号的强度变化以确定骨折处，或以其它类似的方法确定骨折部位相对治疗头的位置并作输出功率补偿或定位提示。

使用时，将换能器与治疗仪壳体连接好，壳体后背的电源连接端接通电源，将换能器拧入治疗窗口，按显示器的电源开关，治疗仪启动，系统进行自检，显示开机画面。输入治疗参数，调节对比度旋钮，使显示最清晰，按开始键，换能器耦合探测电路进行检测，如不是最佳位置，报警器提示，检测正常，治疗开始，治疗时间到达设定值，过程结束。治疗时间一般在20分钟。本实施例中，超声波发生器和换能器的超声波频率是0.9-3.0MHZ，辐射强度设置在20至100mW/cm²的范围，可根据治疗需要选择，另外治疗仪可同时带有多个治疗头，如每个探头均频率为1.5MHZ，强度为40mW/cm²，这样可同时对多位患者进行治疗。

在使用过程中，换能器通过超声波耦合胶将超声波导入骨折处。现有的耦合胶主要成分为水，因而可以将促进骨折愈合或缓解相关症状的包括中药在内的药物混入，既作为超声耦合剂，也可散发药力配合治疗。一定波段的超声波(比如低于100KHZ)可以促进软组织对药物的吸收。在使用加药耦合剂过程中，通过包括低频超声波能在内的各种刺激，进一步在超声骨折治疗的基础上加速相关症状的缓解。水是一个非常好的耦合剂，对于适合于将患处置于水中或者嵌入盛水容器内。换能器前端可由柔软水囊(比如气球状乳胶套)和患处接触以适应难以用平面换能器接触的情况。另外，为便于清洁，也可使用袋装耦合胶或类似电理疗所用电极的一次性可粘贴剥落的耦合方式。

临床研究中通过骨密度测量证实低能量超声能加速骨骼愈合。脉冲低能量超声波能明显增加骨痂内软骨基因，前胶原mRNA也有增加。体外研究中发现：脉冲低能量超声波影响在骨细胞培养中的第二信使活动，在分化软骨和骨细胞培养中可促进游离的间叶细胞中钙的吸收，而且同时增加腺苷酸环化酶和转移生长因子β的水平。实验表明对上述特定脉宽和频率的超声波可以刺激骨骼生长。对十七天大老鼠的跖骨研究结果：低能量超声治疗侧和对照侧相比较，治疗侧钙化区增加了300％。

除换能器外的治疗仪的其它部分也可进一步集成迷你型，适合吊挂在一个架子(如点滴架)上或穿戴佩挂在患者身上。

实施例2：本实施例与实施例1不同之处在于本发明的处理器接有RS-232串行通信模块，此模块直接与异步串行口相连，外部使用电平转换芯片如MAX232实现TTL到232的电平转换器到PC，此过程中使用独立双电源完全隔离。

通讯口RS232可连接PC和治疗仪之间的数据通信。可以从PC上下载治疗方案，包括补偿的数值，如目测软组织厚度后直接传入数据等等，可选择不同的方案再选择不同种类的换能器(接口一样)可以实现不同的功能，比如理疗，软骨损伤，疤痕治疗，皮肤美容等。又可上载治疗结果，并可纳入医院的管理系统，分析跟踪治疗状况。超声波发生器和换能器的超声波频率是0.9-3.0MHZ，辐射强度设置在20至100mW/cm²。

实施例3：本实施例为家用便携型，其体积较医用门诊型更小，与实施例1所不同之处在于显示器采用16×2的字符式LCD，电源由随机的锂电池供给。超声波信号功率，频率，调制频率，治疗时间等参数为预先设定值。

换能器与治疗仪的连接为固定连接，而不用电缆的连接器，换能器位于壳体上。该项仪器体积更小，只要将换能器旋入治疗窗口，然后用皮带固定在骨折处即可进行使用。

采用上述结构，使整体造价更低、体积更小，重量更轻，便于携带，适合家庭使用。

实施例4：与实施例1所不同之处在于换能器与一绷带(或类似石膏骨折固定材料)连为一体，形状为带式或套式，依照治疗部位的形状，将治疗探头更好地安装到患处，且不需要另加绷带。换能器预留空间以结合其它物理或者化学治疗。换能器中心可以是空的，可以让低频率(如50KHz)的超声波理疗或光能或微波能由该处导入。

实施例5：与实施例1所不同之处在于换能器，其特征是所述的换能器底部有粘性胶，可以直接将换能器固定在治疗部位并耦合超声波到治疗部位。

实施例6：与实施例1所不同之处在于将换能器、与其相配的固定附件及治疗仪的电路进一步集成化，变成了一个轻便小巧的可戴式治疗器具，更适合病人携带佩挂。

Claims (10)

1、一种超声波骨折治疗仪，包括电源、超声波发生器、与超声波发生器相连的换能器，其特征是它有一控制该治疗仪的处理器，该处理器与所述的超声波发生器相连，超声波发生器带有增益可编程放大电路。

2、根据权利要求1所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的处理器接有换能器耦合检测电路和软组织厚度检测电路。

3、根据权利要求2所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的软组织厚度检测电路包括依次串联的探测超声发生电路、发射/接收切换电路、回波接收电路和回波鉴相测量电路，探测超声波发生电路的输入与处理器相接，回波鉴相测量电路的输出与处理器相接，发射/接收切换电路与治疗探头相连。

4、根据权利要求2所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的换能器耦合检测电路包括滤波电路、二极管检波、电感及报警电路，所述的报警电路为声光报警电路，由蜂鸣器和指示灯组成。

5、根据权利要求1所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的超声波发生器包括超声波信号发生电路、调制模块和功率放大电路，超声波信号发生电路及调制模块与处理器相连，超声波功率放大电路的输出接换能器，超声波信号的产生由直接数字频率合成电路实现，所述的数字频率合成电路由N位相位累加器、正弦波数据ROM和D/A构成。

6、根据权利要求5所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的调制模块由来自处理器的脉宽调制信号控制调制模拟开关实现。

7、根据权利要求1所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的换能器(2)呈圆盘形，该换能器(2)通过螺纹置于一固定附件内的底部，所述的固定附件包括底座(3)、与底座盖合的圆盖(1)和连接在圆盖(1)上的引线(4)。

8、根据权利要求1所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的换能器与一绷带连为一体，形状为带式或套式。

9、根据权利要求1所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的换能器底部有粘性胶。

10、根据权利要求1所述的一种超声波骨折治疗仪，其特征是所述的处理器接有控制超声波发生时间的实时时钟电路，存贮参数、记录工作数据的内存及显示器和连接计算机的通信口。

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