CZ309794B6 - Akustický vlnovod hlavice terapeutického ultrazvukového přístroje - Google Patents

Abstract

Předmětem řešení je akustický vlnovod (19) hlavice (20) ultrazvukového terapeutického přístroje na základě Huygensova-Fresnelova principu. Ultrazvukový terapeutický přístroj obsahuje generátor (30) elektrického budicího signálu spojený s hlavicí (20) a akustickým vlnovodem (19). Akustický vlnovod (19) má tvar válce, který je na vrchním konci ukončen podstavou (1) a na spodním konci čelem (2) a který obsahuje soustředně uspořádaný a od čela (2) probíhající vnitřní válec (34), kruhový zářez (3) ve tvaru mezikruží a vnější plášť (35). Podstava (1) akustického vlnovodu (19) je připevnitelná k aktivní ploše hlavice (20), přičemž akustický vlnovod je uzpůsoben pro šíření fokusovaného ultrazvukového vlnění (5) z čela (2) směrem k povrchu (7) těla pacienta. Kruhový zářez (3) může na straně čela (2) být uzavřen těsněním (4).

Description

Akustický vlnovod hlavice terapeutického ultrazvukového přístroje

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká akustického vlnovodu (neboli ultrazvukové předsádky) hlavice terapeutického ultrazvukového přístroje na základě Huygensova-Fresnelova principu.

Dosavadní stav techniky

Energie ultrazvuku se hojně využívá ve fyzikální medicíně, v terapii zejména tehdy, kdy chceme do živých tkání přenést energii ultrazvukového vlnění s cílem dosažení účinků mechanických („vnitřní tlaková mikromasáž“, rozvolnění struktur, přeměna gel na sol, tixotropní účinky, disperzní účinky), termických (ohřev), chemických (podpora biochemických reakcí) a biologických (zvýšení semipermeability buněčných membrán, stimulace sympatiku, polymerizace a depolymerizace a další). Následkem propojení všech výše uvedených faktorů lze tvrdit, že ultrazvuk má protibolestivý účinek, zvyšuje prokrvení tkání, zmenšuje svalové napětí, zvyšuje roztažlivost pojivové tkáně (jizvy, stavy po úrazech svalů a kloubních pouzder), urychluje hojení ran apod.

Americký patent US 6315741 B1 popisuje způsob a zařízení pro lékařské procedury používající vysokou intenzitu soustředěného ultrazvuku. Tento patent řeší formu aplikace ultrazvuku pro kauterizaci tkání, což je další perspektivní oblast využití ultrazvuku v terapii. Vynález je zaměřen na teleskopický akustický vazební člen a možnost nastavitelného ohniska.

Obdobnou problematiku řeší i americký patent US 4484569 A, který popisuje ultrazvukové diagnostické a terapeutické zařízení a způsob jeho použití. Předmětný patent představuje mimo jiné fokusační hlavici tvaru komolého jehlanu s konkávním ultrazvukovým měničem umístěným v kruhové základně jehlanu, fokusovaným na malou kruhovou membránu při hrotu jehlanu, přičemž takto vzniklá dutina je vyplněna vhodnou tekutinou (např. vodou) s mírným přetlakem způsobujícím konvexní vyklenutí membrány a tím i dokonalejší přenos fokusované ultrazvukové energie do tkání, na které je hrot jehlanu přiložen. Popsané řešení je možno využívat též pro koagulaci a hemostázu. Patent se rovněž zmiňuje o řešení fokusace ultrazvuku s využitím akustických zrcadel, dielektrických zrcadel, teleskopických nástavců napojených na měniče s vydutou vyzařovací plochou, o možnosti využití fázových posunů vln několika dílčích měničů, nejčastěji anulárních tvarů, umísťovaných koncentricky.

Jiný americký patent US 7297131 B2 popisuje terapeutický ultrazvukový systém pro zavedení ultrazvuku do katétru. Jedná se o složité zařízení kombinující elastický katétr s přenosem ultrazvuku od měniče pomocí zesilujícího ultrazvukového vlnovodu, tzv. sonifikátoru, ze speciální pružné slitiny a chlazením aplikací fyziologického roztoku.

Využití ultrazvukových zesilovacích vlnovodů (sono-amplifikátorů, sonifikátorů) v medicíně i průmyslu vychází z potřeby zesílení ultrazvukového vlnění produkovaného měničem a zavedení takto zesíleného ultrazvukového vlnění do místa aplikace. Pro tento účel se používají válcové nástavce pevně spojené s měničem, jejichž průměr se snižuje, takže konec vlnovodného zesilovače má menší průměr, než je průměr vlnovodu v místě jeho styku s měničem a jejichž délka je rovna vlnové délce přenášeného ultrazvukového vlnění. Podle způsobu tvarování se rozlišují exponenciální, stupňovité, kuželové a válcové sonofikátory. Zesílení je dáno poměrem počátečního a koncového průměru vlnovodu. Zvláštním typem je Fourierův sonofikátor. V angličtině se zesilovací ultrazvukové vlnovody (sonofikátory) obvykle označují jednoduše jako ultrazvuková trubka (untrasound horn).

- 1 CZ 309794 B6

Z českých patentů se touto problematikou zabývá např. patent CZ 291491 B6 popisující výkonové ultrazvukové zařízení zejména pro anorganické preparace. Tento patent navíc zavádí snímání amplitud ultrazvukových kmitů přenášených vlnovodem s možností jejich využití pro dolaďování optimální resonanční frekvence měniče.

Další americký patent US 5520188 A popisující anulární pole snímače řeší fokusaci ultrazvukového vlnění koncentrickým uspořádáním anulárních (prstencových) piezoelektrických měničů a jejich rozkmitáním stejnými frekvencemi s vhodně posunutými fázemi, čímž interferencí takto vznikajících vln se vytvoří ohnisko, do něhož se soustředí maximum energie ultrazvuku.

Řešením fokusace ultrazvuku a dosažením přenosu dostatečně vysoké energie do požadované relativně malé lokality uvnitř těla, kde je zapotřebí zajistit takové termické a mechanické účinky, které indukují trombolýzu, koagulaci nebo ablaci, se zabývá americká patentová přihláška US 2014058293 A1. Využívá akustických zrcadel, měničů s čelními konkávními plochami, koncentrického uspořádání prstencových měničů, kombinace několika frekvencí i fázového posuvu. Ultrazvuková zařízení konstruovaná s cílem fokusace velké energie do malé plochy, respektive objemu, a tím dosažení vysoké objemové hustoty výkonu, jsou určena především pro perspektivní využití na odstraňování nádorů.

Další americká patentová přihláška US 2014276055 A1 popisující reflexní ultrazvukovou technologii pro dermatologickou léčbu se zaměřuje na dermatologické a kosmetické aplikace ultrazvuku. Stanovuje potřebu jak fokusace, tak defokusace ultrazvukového svazku vlnění. Pro tento účel vysoce sofistikovaně aplikuje různě tvarované piezoelektrické měniče, konvexní i konkávní akustické čočky, parabolická a eliptická zrcadla i fázové posuvy jednotlivých zdrojů vlnění. Unikátní je řešení prostorových kombinací válcových a jiných zakřivených ploch směřujících ultrazvukové vlnění do požadovaných míst.

Americká patentová přihláška US 2010022889 A1 popisující ultrazvukovou hlavu pro přístroj na léčbu pacienta ultrazvukem, řeší umístění ultrazvukového aplikátoru na povrchu těla pacienta pomocí pružného dvoudílného nástavce, do něhož je zaveden podtlak, čímž se obě části aplikátoru zasunou do sebe a čelo převodníku ultrazvukového vlnění se přitiskne na povrch těla pacienta, přičemž aplikátor podle tohoto vynálezu zajistí i plynulé zavádění potřebného množství gelu tvořícího nezbytnou tenkou vrstvičku mezi čelem převodníku a povrchem těla pacienta. Tento patent se však nezabývá problematikou spojenou s umístěním aplikátoru ultrazvuku na jednom místě těla pacienta (statická aplikace), která souvisí s rizikem poškození těch míst tkání vystavených kmitnám vlnění, zatímco místa, kde vznikají uzly nejsou ultrazvukem léčena.

Další evropský patent EP 2366430 B1 popisující ultrazvukové aplikační zařízení se naopak týká ručního aplikátoru určeného pro dynamické podávání terapeutického ultrazvuku. Zabývá se zde zejména otázkou nežádoucího ohřevu hlavice ručního aplikátoru, který nepříznivě ovlivňuje jak pacienta, tak obsluhu. Řešení se nalézá v konstrukci a uspořádání speciálního chladiče umístěného uvnitř ručního aplikátoru.

Na léčbu ran je zaměřena mezinárodní patentová přihláška WO 2008002773 A2 popisující ultrazvukové zařízení pro ošetřování ran a způsob použití tohoto zařízení. Na hlavici s ultrazvukovým měničem je pevně umístěn nástavec trychtýřovitého tvaru (polosféry) z pružného materiálu, který je hermeticky přiložen na ránu a naplněn fyziologickým roztokem nebo jinou vhodnou kapalinou s léčivými nebo alespoň inertními účinky. Ultrazvuk šířící se tímto prostředím má dostatečnou intenzitu k vyvolání hraniční kavitace a chemické (radikálové) i mechanické působení kavitace na povrch rány zajišťuje její debridement a podporuje její léčení.

Americký patent US 9345909 B2 popisující léčbu vředů na kůži zavádí pro léčbu trofických defektů spojených s narušením kožního povrchu kombinaci ultrazvuku 1 až 3 MHz a interferenčních nebo amplitudově modulovaných středofrekvenčních elektrických proudů.

- 2 CZ 309794 B6

Další americký patent US 8979775 B2 popisující kombinovaný ultrazvukový a fototerapeutický aplikátor kombinuje léčebnou aplikaci světla a ultrazvuku. Zavádí unikátní uspořádání přenosu světelného toku mezerami mezi anulárně uspořádanými měniči tvarů mezikruží.

Americký patent US 8102734 B2 popisuje ultrazvukový terapeutický přístroj na principu Fresnelovy čočky. Akustický vlnovod tohoto přístroje může mít tvar blíže nespecifikovaného válce, který je na vrchním konci ukončen podstavou a na spodním konci čelem a který obsahuje alespoň jeden zářez pro zmírnění napětí vzniklého z důvodů neshody parametrů vedení tepla v materiálu akustické čočky a v materiálu ultrazvukového měniče při vysokém tepelném zatížení vzniklém fokusací ultrazvukového vlnění (HIUS, High Intensity Ultrasound). Podstava akustického vlnovodu je připevnitelná k aktivní ploše hlavice. Akustický vlnovod je uzpůsoben pro šíření fokusovaného ultrazvukového vlnění z čela směrem k povrchu těla pacienta. Dále, akustický vlnovod je tvořen polymerním materiálem. V tomto dokumentu je dále popsán ultrazvukový terapeutický přístroj implicitně obsahující generátor elektrického budicího signálu spojený s hlavicí a výše uvedeným akustickým vlnovodem.

Americká patentová přihláška US 2014180102 A1 popisuje ultrazvukový terapeutický přístroj na principu Fresnelovy čočky. Akustický vlnovod tohoto přístroje má tvar plochého válce, který je na vrchním konci ukončen podstavou a na spodním konci čelem. Podstava akustického vlnovodu je připevnitelná k aktivní ploše hlavice. Akustický vlnovod je uzpůsoben pro šíření fokusovaného ultrazvukového vlnění z čela směrem k povrchu těla pacienta, zejména pak uvnitř těla pacienta. Dále, akustický vlnovod je tvořen keramickým materiálem a/nebo polymerem, zejména PVDF. V tomto dokumentu je dále popsán ultrazvukový terapeutický přístroj implicitně obsahující generátor elektrického budicího signálu spojený s hlavicí a výše uvedeným akustickým vlnovodem.

Americká patentová přihláška US 2021029393 A1 popisuje ultrazvukový terapeutický přístroj na principu vyměnitelné Fresnelovy čočky. Akustický vlnovod tohoto přístroje má tvar ploché Fresnelovy čočky, která je na vrchním konci ukončena podstavou a na spodním konci čelem. Podstava akustického vlnovodu je připevnitelná k aktivní ploše hlavice. Akustický vlnovod je uzpůsoben pro šíření fokusovaného ultrazvukového vlnění z čela směrem k povrchu těl a pacienta. Dále, akustický vlnovod je tvořen polymerním a/nebo flexibilním materiálem. V tomto dokumentu je dále popsán ultrazvukový terapeutický přístroj implicitně obsahující generátor elektrického budicího signálu.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za cíl, vytvořit novou konstrukci, která umožní soustředit ultrazvukovou energii z hlavice ultrazvukového přístroje určeného pro fyzikální terapii do místa aplikace tak, aby bylo fokusací dosaženo terapeuticky požadované objemové hustoty ultrazvukové energie. Pro tento účel byl vyvinutý akustický vlnovod v podobě ultrazvukové předsádky, zajišťující požadovanou fokusaci a optimální zavedení energie ultrazvuku do léčených tkání.

Akustický vlnovod je řešen způsobem, že po jeho umístění na aktivní (čelní) plochu hlavice ultrazvukového terapeutického přístroje umožní fokusované zavedení energie ultrazvuku do požadovaného místa léčených tkání, kde je tímto způsobem vytvořena léčebně požadovaná objemová hustota ultrazvukové energie.

Výše uvedený cíl je dosažen pomocí akustického vlnovodu hlavice ultrazvukového terapeutického přístroje na základě Huygensova-Fresnelova principu. Akustický vlnovod má tvar válce, který je na vrchním konci ukončen podstavou a na spodním konci čelem a který obsahuje soustředně uspořádaný a od čela probíhající vnitřní válec, kruhový zářez ve tvaru mezikruží a vnější plášť, přičemž tyto prvky nedosáhnou podstavy akustického vlnovodu. Podstava akustického vlnovodu je připevnitelná k aktivní ploše hlavice, přičemž tato aktivní plocha hlavice

- 3 CZ 309794 B6 obsahuje piezoelektrický měnič, a akustický vlnovod je uzpůsoben pro šíření fokusovaného ultrazvukového vlnění z čela směrem k povrchu těla pacienta.

S výhodou je kruhový zářez na straně čela uzavřen těsněním a akustický vlnovod je s výhodou tvořen ocelí, s výhodou nerezovou ocelí, nebo slitinou hliníku, s výhodou slitinou aluminium 2024 nebo superdural.

Předmětem tohoto vynálezu je dále ultrazvukový terapeutický přístroj obsahující generátor elektrického budicího signálu spojený s hlavicí a akustickým vlnovodem podle popisu výše. Hlavice přitom obsahuje plášť (např. vnější plášť a vnitřní plášť) a aktivní plochu, přičemž vnitřkem hlavice je vedeno vnitřní vedení elektrického budicího signálu k piezoelektrickému měniči pro generování ultrazvukového vlnění. K aktivní ploše hlavice kryjící piezoelektrický měnič je dále připevněna podstava akustického vlnovodu a nad piezoelektrickým měničem je uspořádán materiál s akustickým útlumem (např. první blok akustické impedance a druhý blok akustického útlumu).

S výhodou obsahuje aktivní plocha hlavice piezoelektrický měnič, a případně přizpůsobovací krycí vrstvu, která je uspořádána pod piezoelektrickým měničem, slouží jako jeho ochrana a zároveň zajišťuje impedanční přizpůsobení při přenosu ultrazvuku do těla, přičemž mezi podstavou a aktivní plochou hlavice může být nanesena imerzní viskózní kapalina.

S výhodou je čelo akustického vlnovodu uzpůsobeno pro ponoření do aplikační kapaliny vymezené povrchem těla pacienta a aplikačním zvonem obsahujícím aplikační válec. Aplikační válec může být na spodním konci opatřen mezikružím nebo na vrchním konci krytem s otvorem pro akustický vlnovod, přičemž tento otvor je opatřen pružným těsnicím prstencem. Aplikační zvon je dále s výhodou spojen se zdrojem aplikační kapaliny a/nebo se sběrnou nádobou.

Alternativně, čelo akustického vlnovodu může být uspořádáno na aplikační podložce, která je uložena na povrchu těla pacienta a je naplněna aplikační kapalinou nebo obsahuje akusticky dobře vodivý gel.

Akustický vlnovod je založen na základě Huygensova-Fresnelova principu a je realizován ovšem nikoliv pro vlnové délky světla, nýbrž pro vlnové délky ultrazvuku. Z fyzikálního hlediska je využito Huygensova-Fresnelova principu. Podle tohoto principu je pro šíření každého vlnění charakteristická jeho schopnost pronikat za zastínění, tj. za překážky, difrakcí (ohybem). Uvedený fyzikální princip umožňuje sestrojit novou plochu čela vlny prostřednictvím sestrojení obálky elementárních vln, vzniklých kolem každého bodu čela vlny v předcházejícím okamžiku. Takto lze vysvětlit ohyb vln za překážkou. Takto popsaný fyzikální princip je samotným Huygensovým principem, který však neumožňuje najít amplitudy kmitání šířícího se v různých směrech. Tento nedostatek odstraňuje početní Fresnelova metoda zakládající se na podrobné představě o šíření vlny s ohledem na amplitudu a fázi kmitání.

Pro účely tohoto vynálezu lze předpokládat, že vlnění bude přicházet nejméně ze dvou koncentrických pásem vzájemně oddělených kruhovým zářezem: prvního, centrálního pásma kruhového průřezu (vnitřní válec), obklopeného druhým pásmem zastínění (kruhový zářez), jenž má podobu mezikruží a na jehož vnější okraj dosedá další, koncentrické pásmo opět tvaru mezikruží, které přestavuje další, třetí pásmo (vnější plášť), z něhož se rovněž bude šířit vlnění. V konstrukci koncentrických pásem by bylo možno dále pokračovat. Všechna takto vytýčená pásma, tj. centrální pásmo, pásmo zastínění a koncentrické pásmo, která jsou spojena ve společné základně - podstavě, na kterou bude dopadat rovinná vlna ultrazvukového vlnění, šířícího se podélně ve směru osy kruhového piezoelektrického měniče. V souladu s fyzikální teorií pro poloměr obecně k-tého pásma platí vztah:

- 4 CZ 309794 B6 kde:

pk je poloměr k-tého pásma, ro je vzdálenost od čela akustického vlnovodu k ohnisku, do kterého bude vlnění fokusováno,

R je poloměr vlny dopadající na podstavu akustického vlnovodu, k je počet pásem, λ je vlnová délka ultrazvuku.

Při uvážení analogie se světlem je poloměr pk je roven poloměru kruhového otvoru ve stínítku. Pak bude pro k platit:

k=^~

Na podstavu akustického vlnovodu se bude ultrazvukové vlnění přenášet z piezoelektrického měniče hlavice jako rovinná vlna, tedy R—>co, takže platí:

k = lim — — lim ^řb

Při poloměru účinné plochy ultrazvukového piezoelektrického měniče 25 mm je p = 12,5 mm, počet pásem např. k = 3. Vlnová délka ultrazvuku o typické terapeutické frekvenci 1 MHz v akustickém vlnovodu vyrobeném např. z hliníku bude:

6320m / 5 f 100000077;

= 6,32mm

Ohnisko se bude nacházet ve vzdálenosti:

— -8,24 mm

Pro poloměry jednotlivých pásem lze podle výše odvozeného vzorce vypočítat:

- 5 CZ 309794 B6

Pt s výsledkem:

pi = 7,2 mm p2 = 10,2 mm pi = p= 12,5 mm

Síla základny akustického vlnovodu, skrze kterou se šíří rovinná ultrazvuková vlna z piezoelektrického měniče, by měla odpovídat čtvrtině vlnové délky (pro hliník 1,58 mm) nebo jejímu lichému celočíselnému násobku, aby se vlnění odražené od rozhraní kov-vzduch odráželo s opačnou fází, než se odráží vlnění na rozhraní hlavice a akustického vlnovodu, a tak se tato parazitní odražená vlnění s opačnou fází vzájemně rušila. Celý akustický vlnovod (nepočítaje v to sílu podstavy) by měl mít délku zhruba desetinásobku vlnové délky (63,2 mm). Pro akustický vlnovod uvažujeme podélné šíření ultrazvukových vln.

Hlavice fyzikálně-terapeutických ultrazvukových přístrojů produkují plošnou hustotu výkonu maximálně 2 W/cm² při ploše aktivní části hlavice kolem 5 cm². Tento výkon není postačující k dosažení účinků debridementu a léčebně požadované šetrné kavitace na povrchu léčených ran. Navíc není možno ultrazvukové záření, jakkoliv fokusovat. Akustický vlnovod podle tohoto vynálezu je schopen fokusovat výkon 10 W na plochu několika mm² a tím dosáhnout požadované hustoty výkonu v místě působení řádu až několika set W. Rovněž je možno sestrojit samostatnou hlavici, která již bude konstrukčně akustický vlnovod podle tohoto vynálezu obsahovat jako její integrální součást.

Výhodou je, že akustický vlnovod podle tohoto vynálezu je snadno vyrobitelný a lze jej aplikovat v zásadě na jakékoliv hlavici lékařského přístroje pro ultrazvukovou fyzikální terapii s rovinnou aktivní plochou hlavice - terapeutické sondy nebo aplikátoru, kde v důsledku použití tohoto akustického vlnovodu je možno fokusovat ultrazvukové vlnění do požadovaných lokalit ovlivňovaných tkání a dosahovat podstatně vyšší intenzity vlnění a akustického tlaku.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde:

obr. 1 znázorňuje základní provedení akustického vlnovodu (A, B) a provedení akustického vlnovodu s těsněním (C, D) v půdorysném (A, C) a bočním řezu (B, D);

obr. 2 znázorňuje provedení terapeutického přístroje pro ultrazvukovou fyzikální terapii s otevřeným aplikačním válcem;

obr. 3 znázorňuje detail aplikačního válce;

obr. 4 znázorňuje provedení terapeutického přístroje pro ultrazvukovou fyzikální terapii s uzavřeným aplikačním zvonem; a obr. 5 znázorňuje provedení terapeutického přístroje pro ultrazvukovou fyzikální terapii s aplikační podložkou.

-6CZ 309794 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Uvedená uskutečnění znázorňují příkladné varianty provedení vynálezu, která však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv. Vynález bude blíže vysvětlen na příkladech jeho provedení s odkazem na příslušné výkresy.

Základní provedení akustického vlnovodu 19 na základě Huygensova-Fresnelova principu je znázorněno na obr. 1A a 1B. Akustický vlnovod 19 v tomto provedení je realizován jako ultrazvuková předsádka, která má tvar válce, v němž je vytvořen kruhový zářez 3 ve tvaru mezikruží probíhající téměř v celé délce válce od spodního konce, jak je patrné z obr. 1A. Tento válec je na vrchním konci ukončen podstavou 1 a na spodním konci čelem 2. V půdorysném řezu vykazuje válec vnitřní válec 34 uprostřed a vnější plášť 35 ve tvaru mezikruží na okraji, mezi kterými se nachází kruhový zářez 3. Podstava 1 válce musí vykazovat dokonalou rovinu a její povrch je vyleštěn. Stejně je vyleštěn i povrch čela 2 válce, což znamená, že spodní konec vnitřního válce 34 a vnějšího pláště 35 tvaru mezikruží jsou upraveny leštěním. Z vyleštěných ploch válce akustického vlnovodu 19 se budou šířit elementární vlny, které se budou sčítat, a tak se fokusovat do ohniska na ose ultrazvukové předsádky ve vzdálenosti cca 8 mm od čela 2.

Výhodné provedení akustického vlnovodu 19 na základě Huygensova-Fresnelova principu je znázorněno na obr. 1C a 1D. Akustický vlnovod 19, jak je popsán výše a na obr. 1A a 1B, obsahuje kruhový zářez 3 ze strany čela 2 dále uzavřený těsněním 4 ve tvaru kruhového zářezu 3.

Terapeutický přístroj pro ultrazvukovou fyzikální terapii je ve dvou provedeních znázorněn na obr. 2 a obr. 3. Terapeutický přístroj pro ultrazvukovou fyzikální terapii v tomto provedení obsahuje generátor 30 elektrického budicího signálu, jenž je propojen prostřednictvím stíněného přívodu 29 elektrického budicího signálu s konektorem 28, který je uspořádán na hlavici 20 přístroje a je propojen s vnitřním vedením 25 elektrického budicího signálu. Hlavice 20 přístroje sestává z vnějšího pláště 22, v němž je uspořádán vnitřní plášť 23. Uvnitř vnitřního pláště 23 je uspořádán piezoelektrický měnič 24, který je spojen s vnitřním vedením 25 elektrického budicího signálu a který je buzen elektrickým signálem s naladěnou harmonickou frekvencí z generátoru 30 elektrického budicího signálu. Piezoelektrický měnič 24 převádí budicí harmonický elektrický signál na ultrazvuk. Jeho tloušťka musí vyhovovat podmínce ½ vlnové délky. Materiálem dnes bývá většinou piezoelektrická keramika PZT nebo výbrus křemene. Pro potlačení odrazů ultrazvukového vlnění generovaného opačným směrem je ve vnitřním plášti 23 nad piezoelektrickým měničem 24 uspořádán materiál s akustickým útlumem, konkrétně první blok 26 akustické impedance s materiálem s vhodnou akustickou impedancí umožňující impedanční přizpůsobení, a tím zároveň nízkoodrazový přenos zpětného ultrazvukového vlnění při jeho současném účinném tlumení. Materiálem může být např. epoxidová pryskyřice s wolframovými nebo aluminovými (AbO3) částicemi, s hodnotou akustické impedance přibližně 20 MRayl a útlumem 10 až 30 dB/cm.MHz. Nad nímž může být uložen ještě druhý blok 27 akustického útlumu s materiálem s vysokým akustickým útlumem (více než 30 dB/cm.MHz) a rovněž vhodnou akustickou impedancí minimalizující odrazy (např. pyrolytický karbon s hodnotou akustické impedance přibližně 7 MRayl, nebo samotný aluminiový submikronový prach či silikonový gel), který je určen pro pohlcení reziduálního ultrazvukového vlnění generovaného v opačném směru. Tyto bloky 26, 27 lze sjednotit do jednoho bloku s požadovanými vlastnostmi.

Samotný akustický vlnovod 19 je napojen na hlavici 20 přístroje. Dokonale planární, vyleštěná podstava 1 akustického vlnovodu 19 je těsně přiložena na rovněž rovinnou aktivní plochu hlavice 20. Tato aktivní plocha obsahuje buď přizpůsobovací krycí vrstvu 21, která je umístěna pod piezoelektrickým měničem 24, slouží jako jeho ochrana a zároveň zajišťuje impedanční přizpůsobení při přenosu ultrazvuku do těla, nebo rovný povrch samotného piezoelektrického měniče 24. V každém případě však nutno mezi aktivní plochu hlavice 20 a podstavu 1 akustického vlnovodu 19 nanést kontaktní imerzní viskózní kapalinu 8, představovanou např. olejem nebo řidším gelem. Pokud je přítomna přizpůsobovací krycí vrstva 21, je nutné, aby její

- 7 CZ 309794 B6 tloušťka odpovídala A vlnové délky ultrazvukového vlnění a akustická impedance Z_m použitého materiálu byla blízká hodnotě:

Zm = kde Zt je akustická impedance piezoelektrického měniče 24 a Zl je akustická impedance materiálu akustického vlnovodu 19. Za běžných okolností přímého přikládání hlavice 20 na povrch těla 7 pacienta je však touto hodnotou akustická impedance měkkých tkání, přičemž splnění těchto podmínek zajišťuje eliminaci odrazů na rozhraních. Obdobné fyzikálně dané podmínky je třeba splnit i v případě, že je akustický vlnovod 19 svojí podstavou 1 přiložen přímo na piezoelektrický měnič 24.

Akustický vlnovod 19 je vyroben z materiálu dobře přenášejícího podélné ultrazvukové vlnění s malým útlumem a vhodnou akustickou impedancí. Takovými materiály mohou být např. aluminium 2024, superdural nebo jiné leštitelné slitiny hliníku, přičemž použitelná je i nerezová ocel a jiné materiály podobných vlastností.

Akustický vlnovod 19 je určený k fokusaci ultrazvukového vlnění 5 z hlavice 20, kdy tuto fokusaci lze realizovat jen ve vhodném médiu mezi čelem 2 akustického vlnovodu 19 a povrchem 7 těla pacienta. Toto médium musí mít kapalné nebo kvazikapalné vlastnosti a může to být aplikační kapalina 9, například odplyněná voda nebo jiná vhodná kapalina či emulze nebo roztok soli či micelární koloid, vyznačující se dobrým vedením ultrazvukového vlnění s útlumem max. kolem 1 dB/cm, akustickou impedancí blízkou měkkým tkáním (1,6 až 1,7), vhodnou viskozitou (maximálně do 1 500 mPa.s, což odpovídá dynamické viskozitě glycerolu) a biokompatibilními vlastnostmi, případně též účinky desinfekčními a účinky podporujícími hojení.

Kruhový zářez 3 válce je s výhodou dokonale uzavřen pomocí těsnění 4. Důvodem je, aby do kruhového zářezu 3 nemohla proniknout aplikační kapalina 9. Naopak mezi povrchem 7 těla pacienta a čelem 2 akustického vlnovodu 19 musí tato aplikační kapalina 9 zastávat nezastupitelnou roli média přenášejícího ultrazvukové vlnění 5. Proto musí být v této aplikační kapalině 9 ponořena jak léčená část povrchu 7 těla pacienta včetně léze 6, tak i čelo 2 akustického vlnovodu 19, čímž je přenos ultrazvuku k místu určení zajištěn. Po průniku ultrazvuku do samotného lidského těla, nebo těla jiného léčeného živého organismu, se již fokusovaný ultrazvuk šíří podle známých fyzikálních zákonitostí za předpokladu, že nenarazí na překážky s významně odlišnou impedancí, na nichž se silně odráží, např. kosti.

Pokud není možno ponořit léčenou část povrchu 7 těla pacienta do aplikační kapaliny 9, pak je nutno akustický vlnovod 19 opatřit aplikačním zvonem 10 nebo aplikačním válcem 31, který je naplněn aplikační kapalinou 9.

Poněvadž hlavní použití akustického vlnovodu 19 lze spatřovat při ultrazvukovém debridementu ran a jejich léčbě pomocí ultrazvuku s energií fokusovanou na povrchu léze 6, např. trofického defektu (rány) na povrchu 7 těla pacienta, případně mělce pod povrchem 7 těla pacienta, lze toto ošetření provádět následujícím způsobem, který je znázorněn na obr. 2. Pacient se polohuje tak, aby trofický defekt na povrchu 7 těla byl uveden do horizontální roviny a směřoval vzhůru. Na oblast defektu se přiloží aplikační válec 31, vyrobený například ze skla nebo poly(methylmetakrylátu) či jiné vhodné, pokud možno průhledné hmoty. Tento aplikační válec 31 obsahuje pouze plášť, tedy bez podstav, jak je patrné z obr. 3. Pro lepší, komfortnější a těsnější přilnutí k intaktnímu povrchu těla 7 pacienta obklopujícího lézi 6 je možno opatřit styčnou plochu pláště tohoto aplikačního válce 31 mezikružím 33 osazeným na spodním konci. Důležité je, aby plášť aplikačního válce 31 byl, pokud možno průhledný, a lékař či jiný kompetentní zdravotník mohl pozorovat účinek fokusovaného ultrazvukového vlnění 5. Aplikační válec 31 je přiložen na intaktní část povrchu 7 těla pacienta tak, aby byl defekt pláštěm

-8CZ 309794 B6 aplikačního válce 31 obklopen. Aplikační válec 31 je přiložen těsně k ošetřovanému místu, tj. lézi 6 na povrchu 7 těla pacienta. V případě potřeby mohou být okraje aplikačního válce 31 spočívající na intaktním povrchu 7 těla podloženy biokompatibilním vodotěsným materiálem (např. silikon nebo polyuretanová pěna Vivano®Med využívaná pro vakuovou terapii ran). Do aplikačního válce 31, jehož výška musí být větší, než je ohnisková vzdálenost akustického vlnovodu 19, se napustí aplikační kapalina 9 do výše hladiny 32 tak, aby s ohledem na ohniskovou vzdálenost bylo čelo 2 akustického vlnovodu 19 ponořeno dostatečně hluboko. Na takto připravené místo léze 6 se aplikuje fokusované ultrazvukové vlnění 5. Hlubším nebo mělčím ponorem aplikačního válce 31 do aplikační kapaliny 9 se v aplikačním válci 31 zajistí požadovaná koncentrace ultrazvukové energie a hloubka jejího působení, přičemž rotačním kývavým pohybem čela 2 akustického vlnovodu 19 spolu s mírným svislým pohybem ve směru osy akustického vlnovodu 19 se pak ošetřuje celý defekt - léze 6.

Na rozdíl od výše popsaných metod debridementu je tímto způsobem možno ošetřovat defekt šetrně a účinně, aniž by byla ohrožena bezpečnost pacienta či zdravotnického personálu. Aplikační kapalina 9 sehrává současně roli desinfekční i léčivou, a zároveň brání rozptylu patogenních mikroorganizmů a dalšímu ohrožení pacienta i personálu. Po proceduře je kapalina vypuštěna prostřednictvím vypouštěcího kohoutu 13 přes vypouštěcí hadici 15 do sběrné nádoby 17 pro zachycování vypuštěné aplikační kapaliny. Aplikační válec 31 pak může být zlikvidován jako infekční materiál nebo opakovaně sterilizován.

Sofistikovanější provedení aplikačního zvonu 10, použitelného v zásadě na jakkoliv polohovanou část těla, je znázorněn na obr. 4. I při použití tohoto způsobu aplikace je však vhodné horizontální polohování příslušného místa povrchu těla 7 pacienta s lézí 6 směřující vzhůru. Základem přitom je použití aplikačního zvonu 10 ve tvaru aplikačního válce 31 opatřeného na místě horní podstavy krytem 36 s otvorem. Tímto otvorem je vsunut akustický vlnovod 19 v podobě válce, který je v aplikačním zvonu 10 utěsněn pomocí pružného těsnicího prstence 11. Tento může být zhotoven z materiálu např. z neoprenu nebo jiné vhodné pružné a vodovzdorné hmoty, např. z kaučuku či silikonu. Takový způsob těsnění zabraňuje únikům aplikační kapaliny 9, a zároveň umožňuje rotačně kyvný pohyb a do jisté míry i svislý pohyb akustického vlnovodu 19, a tím i soustředění fokusovaného ultrazvukového vlnění 5 na požadovaná místa povrchu těla 7 pacienta, případně fokusaci či defokusaci ultrazvukového vlnění 5. Aplikační kapalina 9 se do aplikačního zvonu 10 napouští prostřednictvím zdroje 16 aplikační kapaliny (např. napouštěcího trychtýře) nebo jiného zařízení určeného k napouštění aplikační kapaliny 9, která přitéká napouštěcí hadicí 14 přes otevřený napouštěcí kohout 12 a zaplňuje celý prostor aplikačního zvonu 10. Proto je vhodné, aby napouštění aplikačního zvonu 10 aplikační kapalinou 9 probíhalo pod mírným tlakem, např. tlakem zajištěným vyšší polohou místa, z něhož je aplikační zvon 10 napouštěn. K vypouštění aplikační kapaliny 9 slouží vypouštěcí kohout 13 a vypouštěcí hadice 15, která ústí do sběrné nádoby 17. Místo styku 18 aplikačního zvonu 10 s intaktním povrchem těla 7 pacienta je nutno řešit s ohledem na vyloučení zranění povrchu těla, tedy bez ostrých hran. V případě potřeby mohou být okraje aplikačního zvonu 10 spočívající na povrchu 7 těla pacienta podloženy biokompatibilním vodotěsným materiálem (např. silikon nebo polyuretanová pěna Vivano®Med využívaná pro vakuovou terapii ran).

Vhodným prostředím (médiem) k zavedení fokusovaného ultrazvukového vlnění 5 z čela 2 akustického vlnovodu 19 do léze 6 povrchu 7 těla pacienta může být též aplikační poduška 37 zhotovená jako pevné gelovité těleso (vyrobené např. z polydimethylsiloxanu, PDMS) nebo jako tenkostěnný plastový vak naplněný vhodnou kapalinou (glycerín, odplyněná voda, silikonový olej apod.). Tato poduška 37, zvláště je-li na obou styčných plochách s čelem 2 akustického vlnovodu 19 i s povrchem 7 těla pacienta navlhčena, dovoluje pevné přilnutí a dobrý přenos fokusovaného ultrazvukového vlnění 5, jakož i částečnou možnost pohybu hlavice s fokusujícím akustickým vlnovodem 19 s cílem zaměření fokusovaného ultrazvukového vlnění 5 do požadovaných míst léze 6.

- 9 CZ 309794 B6

Průmyslová využitelnost

Akustický vlnovod na základě Huygensova-Fresnelova principu je určen především na povrchové a mírně podpovrchové aplikace, zejména pro léčbu trofických defektů kůže a podkoží 5 a pro léčbu ran. Akustický vlnovod může být použit jako doplněk k přístroji pro terapeutické podávání ultrazvuku - pak musí být zabezpečeno upevnění mezi akustickým vlnovodem a individuálně řešenou hlavicí konkrétního přístroje pro terapii ultrazvukovým vlněním, nebo může být sestrojena samostatná hlavice konstrukčně již obsahující akustický vlnovod jako její integrální součást.

Claims (10)

1. Akustický vlnovod (19) hlavice (20) ultrazvukového terapeutického přístroje na základě Huygensova-Fresnelova principu, přičemž akustický vlnovod (19) má tvar válce, který je na vrchním konci ukončen podstavou (1) a na spodním konci čelem (2), přičemž podstava (1) akustického vlnovodu (19) je připevnitelná k aktivní ploše hlavice (20), přičemž tato aktivní plocha hlavice (20) obsahuje piezoelektrický měnič (24), přičemž akustický vlnovod (19) je uzpůsoben pro šíření fokusovaného ultrazvukového vlnění (5) z čela (2) směrem k povrchu (7) těla pacienta, vyznačující se tím, že uvedený válec obsahuje soustředně uspořádaný a od čela (2) probíhající vnitřní válec (34), kruhový zářez (3) ve tvaru mezikruží a vnější plášť (35), přičemž pro rozměry akustického vlnovodu (19) platí vztahy ^řb “ý Γ a P_k ~ ^ř0 k-λ ^Ύ kde roje vzdálenost od čela (2) akustického vlnovodu (19) k ohnisku, do kterého je ultrazvukové vlnění (5) fokusováno, k je počet koncentrických pásem, přičemž k = 3 v případě, že koncentrická pásma zahrnují pouze vnitřní válec (34), kruhový zářez (3) ve tvaru mezikruží a vnější plášť (35), λ je vlnová délka ultrazvukového vlnění (5), pk je poloměr k-tého pásma, a p je poloměr nejvyššího k-tého pásma, přičemž p je poloměr vnějšího pláště (35) v případě, že k = 3, a přičemž p je polovina poloměru aktivní plochy piezoelektrického měniče (24) obsaženého v aktivní ploše hlavice (20) připojitelné k podstavě (1) akustického vlnovodu (19), přičemž délka akustického vlnovodu (19) bez zahrnutí podstavy (1) je rovna 10-násobku λ, přičemž délka akustického vlnovodu (19) bez zahrnutí podstavy (1) je 63,2 mm.

2. Akustický vlnovod (19) podle nároku 1, vyznačující se tím, že kruhový zářez (3) je na straně čela (2) uzavřen těsněním (4).

3. Akustický vlnovod (19) podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořen ocelí, s výhodou nerezovou ocelí, nebo slitinou hliníku, s výhodou slitinou aluminium 2024 nebo superdural.

4. Ultrazvukový terapeutický přístroj obsahující generátor (30) elektrického budicího signálu spojený s hlavicí (20) a akustickým vlnovodem (19) podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že hlavice obsahuje plášť a aktivní plochu, přičemž vnitřkem hlavice (20) je vedeno vnitřní vedení (25) elektrického budicího signálu k piezoelektrickému měniči (24) pro generování ultrazvukového vlnění, přičemž k aktivní ploše hlavice (20) je připevněna podstava (1) akustického vlnovodu (19) a nad piezoelektrickým měničem je uspořádán materiál s akustickým útlumem.

5. Ultrazvukový terapeutický přístroj podle nároku 4, vyznačující se tím, že aktivní plocha hlavice (20) obsahuje piezoelektrický měnič (24), a případně přizpůsobovací krycí vrstvu (21) uspořádanou pod piezoelektrickým měničem (24), přičemž mezi podstavou (1) a aktivní plochou hlavice (20) je imerzní viskózní kapalina (8), přičemž tloušťka piezoelektrického měniče (24) odpovídá vlnové

- 11 CZ 309794 B6 délky ultrazvukového vlnění a tloušťka přizpůsobovací krycí vrstvy (21), pokud je přítomna, odpovídá ¼ vlnové délky ultrazvukového vlnění.

6. Ultrazvukový terapeutický přístroj podle nároku 4, vyznačující se tím, že čelo (2) akustického vlnovodu (19) je ponořitelné do aplikační kapaliny (9) vymezené povrchem (7) těla pacienta a 5 aplikačním zvonem (10) obsahujícím aplikační válec (31).

7. Ultrazvukový terapeutický přístroj podle nároku 6, vyznačující se tím, že aplikační válec (31) je na spodním konci opatřen mezikružím (33).

8. Ultrazvukový terapeutický přístroj podle nároku 6, vyznačující se tím, že aplikační válec (31) je na vrchním konci opatřen krytem (36) s otvorem pro akustický vlnovod (19), přičemž tento otvor 10 je opatřen pružným těsnicím prstencem (11).

9. Ultrazvukový terapeutický přístroj podle nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že aplikační zvon (10) je spojen se zdrojem (16) aplikační kapaliny (9) a/nebo se sběrnou nádobou (17).

10. Ultrazvukový terapeutický přístroj podle nároku 4, vyznačující se tím, že čelo (2) akustického vlnovodu (19) je uspořádáno na aplikační podložce (37).