用超声波和电磁方法治疗组织的装置和方法

专利名称：用超声波和电磁方法治疗组织的装置和方法
本申请对Talish等人于1999年5月20日申请的美国临时性申请60/135 224号拥有优先权，本文引用该临时性申请内容供参考。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及用超声波和电磁方法，刺激治疗组织-例如，受外伤的组织或骨头损伤-的装置和方法。本发明尤其涉及采用一个超声波传感器组件，与一个电磁线圈组件结合起来，治疗组织的装置和方法。
2.相关技术的说明在治疗学上，利用超声来治疗和判断组织与骨头损伤是众所周知的。已经确定地知道，在适当的时间间隔内在邻近组织或骨伤的适当的外部位置上，具有相应参数，例如频率，脉冲重复次数和振幅的超声波脉冲冲击，可以加速例如，组织撕裂，骨头断裂和破碎的自然愈合。
Duarte的美国专利4530360说明了一种基本的不侵入式的治疗方法，和一个安置在邻近骨伤位置的皮肤上，用于从一个工作表面施加超声波脉冲的装置。为了在治疗过程中施加超声波脉冲，操作者必须在治疗完成之前，一直用手将施加器保持在规定位置。
Duarte的专利以及Winder等人的美国专利5520612号，说明了用于产生超声波，超声波功率密度值的射频(RF)信号范围，每一个超声波脉冲的持续时间范围和超声波脉冲的频率范围。
Talish等人的美国专利5003965号，涉及一种超声波人体治疗系统，该系统具有一个利用屏蔽的光学纤维线路，与一个遥控装置连接的人体施加器部件。控制超声波脉冲持续时间和脉冲重复频率的信号，是在离开该人体施加器部件以外产生的。Talish等人还说明了一种用于将该人体施加器部件固定在病人身上，使工作表面靠近皮肤位置的安装夹具。
虽然，在这些专利中说明的系统，涉及通过将超声波加在受外份的组织上，对硬组织和软组织损伤及缺陷进行超声波诊断和/或治疗的方法和装置，但已经证明，如果所加的超声波声学信号的包络线的缓慢地调制或扰动，则该受外伤的组织的痊愈速率较快。所加的超声波信号包络线的调制，可以通过将电气信号的包络线调制至超声传感器上，或者通过利用受控的电磁感应力来调制在人体中的超声波来进行。
另外，还证明了，在非愈合损伤(non-umion injury)，即骨折不会愈合的情况下，非愈合损伤的电磁刺激(E-stim)治疗，在骨头组织中产生治疗响应。一般，E-stim使用至少一个外部线圈，在骨折的地方产生一个治疗用的脉冲式的均匀电磁场。例如，二个Helmholtz线圈可以在骨折或受伤的地方，产生一个在组织中的局部磁场之上的恒定均匀的电磁场。
一般认为，E-stim由于所产生的磁通密度促使在骨头组织内产生离子电荷和该离子电荷的运动，可以促进和加速还联合损伤的愈合。骨头组织主要是在细胞间的和空隙的液体中具有各种离子的一种饱和的离子流体多孔介质，该离子为例如钾离子，钠离子，镁离子，氯化物离子，磷酸盐离子，碳酸盐离子，碳酸氢盐离子和由氨基酸、蛋白质、糖、核苷酸和酶分解形成的离子。施加脉冲式电磁场，即受控的静电力与磁力配合，使得这些离子充电并在一个特定的方向运动。在治疗区域的细胞内，这些离子扩散，因而加速了痊愈过程。
根据本专利所述，通过超声波和E-stim的配合，还可以进一步加速组织，特别是还联合损伤的愈合。所加的电磁场产生的力，将一个脉动或扰动力(例如，一个低频调制力)加在传播中的超声或压力波上，以进一步刺激在治疗区域内的细胞，并加强细胞的渗透性与离子扩散。当纵向波的方向与电磁场垂直，或者如果横向(剪切)波沿着磁场磁力线行进时，则电磁场对声场的影响最大。电磁场可增加超声波的相速度。相应的磁力可以保持为常数，或以低频速率调制。
发明概要本发明提供了一个利用超声波与E-stim的配合，来治疗因外伤引起的组织损伤，特别是非愈合的骨折的超声波和E-stim配合的治疗装置。该装置包括一个按人机工程原则制造的安置组件，用于安装具有一个积分信号发生器的至少一个混合式超声传感器组件。该积分信号发生器用于将激励信号送至在该安置组件内的至少一个超声波传感器上，产生一个声场。该安置组件还包括至少一个电磁线圈组件，该电磁线圈组件具有用于产生电磁场的、靠近每一个超声波传感器的至少一个电磁线圈。另外，还希望控制和操纵在该安置组件内的元件的时间控制电路以及监视电路系统，均安置在一个主操作部件内。该主操作部件可以装在由病人佩戴的一个袋内，或整体地放在上述传感器内。
工作时，该安置组件安置在邻近病人人体一部分的地方，使得至少一个超声波传感器，声学上与邻近受外伤的组织和/或软骨损伤位置连接。通过将一个感应信号送至这些元件，可以激励该至少一个超声波传感器，和至少一个电磁线圈。该感应信号使该至少一个超声波传感器，将超声压力波冲击在受外伤的组织和/或损伤处；并使该至少一个电磁线圈，产生具有一定磁通密度的电磁场。感应信号的频率可在1Hz～10000Hz范围内变化。上述磁通密度将一个脉动力加在人体内传播的压力波上，增加对在损伤部位附近的细胞的刺激，并可增强细胞的渗透性。细胞渗透性的增强，可增加离子对细胞的扩散，例如在不联合的骨折情况下，为钙离子的扩散结果，使蛋白质合成增加。蛋白质合成的增加，可加速骨折的愈合和组织的修复。另外，为了得到最优的骨生成刺激，希望能控制平均的磁通密度，感应信号的脉冲重复频率和脉冲宽度。
最好，该主操作部件具有一个给该超声波传感器组件的信号发生器供电的内部电源；一个用于显示治疗顺序数据的显示器；和一个与信号发生器连接，可使使用者操作和/或输入数据的键盘。该信号发生器包括具有一个处理器的电路系统；一个产生脉冲式控制信号的装置；和一个与该处理器连接、用于调节该脉冲式控制信号的开关。该主操作部件还有一个报警器，用于提醒使用者，治疗时间已终止。该报警器与上述处理器连接，当超声波和E-stim治疗完成时，该处理器启动报警器，并使感应信号停止向安置组件内的元件传送。
本发明还提供了超声波和E-stim综合治疗受外伤的组织和软骨损伤的一种仪器。该仪器包括具有一个超声波传感器和信号发生器电路系统的一个超声波传感器组件；具有一个电磁线圈和工作电路系统的一个电磁线圈组件；一个安置该超声波传感器组件和该电磁线圈组件的安置组件；和一个通过一根电缆，与该安置组件连接的主操作部件(MOU)或控制器。该MOU具有一个内部电源，因此病人可以活动。用于本发明的MOU在Talish等人的美国专利5556372号中作了说明。这里引入该专利供参考。
本发明还提供了一种超声波和E-stim配合治疗受外伤的组织和/或软骨损伤的方法。该方法包括下列步骤确定损伤的部位；将包含至少一个超声波传感器组件，和至少一个电磁线圈组件的安置组件，放在邻近损伤的地方，使得该至少一个超声波传感器组件的至少一个超声波传感器，和该至少一个电磁线圈组件的至少一个电磁线圈，安置在损伤部位附近；启动该至少一个超声波传感器，和该至少一个电磁线圈，以便同时使至少一个超声压力波，向着损伤部位传播，和产生一个电磁场，将一个脉动力加在传播的压力波上。
在另一个实施例中，一个安置组件可以固定多种结构的多个超声波传感器，和多个电磁线圈。然后，将该安置组件固定在受外伤组织和/或软骨损伤部位附近，进行超声波和E-stim治疗。
附图的简要说明下面，将参照附图来说明本发明的优选实施例。其中

图1为佩戴着根据本发明的第一个实施例的、具有一个主要操作部件或控制器，和一个安置组件的一个便携式超声波和E-stim治疗装置的病人的透视图；图2为准备接收根据本发明的第一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的一个综合的超声波和E-stim传感器头的、固定在一个模型中的一个插入件的透视图；图3为完全安装在该模型中的图2所示的传感器头的透视图；图4为具有带锁紧结构的一个盖的综合的超声波和E-stim传感器头的另一个实施例的透视图；图5A为表示相对于在安置组件内的一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声传感器的尺寸和位置的，图2所示的安置组件的顶视图；图5B为图2所示的安置组件的横截面图；图6A为表示相对于在该安置组件内的一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声传感器的尺寸和位置的、本发明另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的顶视图6B为图6A所示的安置组件的横截面图；图7A为表示相对于在安置组件内的一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声传感器的尺寸和位置的、根据本发明另一个实施例为便携式超声和E-stim治疗装置的安置组件的顶部部分剖视图；图7B为图7A所示的安置组件的横截面图；图8为表示相对于在安置组件内的一个十字形电磁线圈的位置的、一个超声传感器的位置的、根据本发明另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的横截面图；图9为表示相对于在安置组件内的一个十字形电磁线圈的位置的一个超声传感器的位置的、根据本发明另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的横截面图；图10为表示相对于在安置组件内的一个星形电磁线圈的位置的一个超声传感器的位置的、根据本发明另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的横截面图；图11A为另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的顶视图，它表示在该安置组件内，相对于一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声波传感器的尺寸和位置；图11B为图11A所示的安置组件横截面图；图12A为又一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的顶视图，它表示在该安置组件内，相对于一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声波传感器的尺寸和位置；图12B为图12A所示的安置组件的横截面图；图13A为另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的顶部部分剖视图，它表示在该安置组件内，相对于一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声波传感器的尺寸和位置；图13B为图13A所示的安置组件的第一个横截面图；图13C为图13A所示的安置组件的第二个横截面图；图14A为另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的顶视图，它表示在该安置组件内，相对于一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声波传感器的尺寸和位置；图14B为图14A所示的安置组件的横截面图；图15A为又一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的顶视图，它表示在该安置组件内，相对于一个电磁线圈的尺寸和位置的一个超声波传感器的尺寸和位置；图15B为图15A所示的安置组件的横截面图；图16A为具有多个超声波传感器和多个电磁线圈的另一个实施例的便携式超声波和E-stim治疗装置的安置组件的顶视图；图16B为图16A所示的安置组件的横截面图。
优选实施例的详细说明现结合附图来详细说明本发明的优选实施例。在附图中，相同的标号表示相同或相似的零件。
本发明的超声波和E-stim治疗装置和方法，用于在外科中非侵入式地使用高频的超声能量和磁通密度，来治疗受外伤的组织和/或软骨(osteochondrial)损伤。虽然，这个详细说明讨论的是治疗受外伤的组织和/或软骨损伤；但该超声波和E-stim治疗装置可以用来治疗例如，由药物、感染或新陈代谢过程造成的软骨缺陷。
A.与本文所述的实施例有关的背景信息1.脉冲式低强度超声激励超声波在组织中的传播，会在微观结构水平上，将一个单方向的辐射力作用在其传播路径中的所有吸收和反射障碍物上。低强度超声波是指正好超过触发或唤起一般生物正常反应的生物阈值的功率级。虽然，该超声波的低强度，对要产生直接可测量的生物效应是太低了，但临床结果证明，低强度的超声波对于产生生物愈合过程是足够的。
自从60年代早期以来，对低强度超声波的治疗有效性后面所包含的特殊的物理和生物的机理，进行了广泛的研究。对于空间按时间平均的平均强度(Spatial average-temporal average intensities，简称SATA)为0.1～0.5W/cm2的情况，根据机理，可以产生不产生热、并具有高应力的声流和空穴作用。在玻璃试管内，对孤立的形成纤维组织的细胞(fibroblast cell)进行的试验表明，超声波对细胞的作用是对压力敏感的，这就是稳定的空穴作用机理。最终造成的可能包括微声流的气泡振动，可以在细胞膜上产生大的剪切应力。这种剪切应力可以影响钠离子和钙离子对细胞的渗透性。细胞渗透性增加可使钙的吸收增加，并增加蛋白质和DNA在成纤维细胞中的合成，并可引起大噬菌体(macorphage)的活跃。成纤维细胞和大噬菌体的产生是正常骨折修复过程的特征。
当SATA强度在0.1W/cm2以下时，不大可能产生稳定的空穴作用和微声流。在玻璃试管中进行的试验结构显示，30～50mw/cm2的低的SATA强度，对刺激骨折修复是非常有效的。这些结果支持这样的论点，即超声波诱发的机械振动可以增加钙离子对细胞膜的渗透性。初步的临床结果显示，对受外伤的组织采用脉冲式的低强度超声波，可以增加局部区域的血液流动。增加血管分布和微观结构的流体压力，可使细胞对钙的吸收增加，结果可增加蛋白质的合成，从而加速骨折的愈合和组织的修复。
2.超声波调制对刺激血管分布的重要性试验结果表明，对受外伤的组织采用超声波，可增加血管分布。在治疗骨折中，例如，增加对骨痂(callus)的血流，证明对加速骨头的痊愈是重要的。所述的试验结果，是利用纵向声波和恒定的(0Hz)调制波包络线得到的。现已清楚地知道，骨头痊愈开始是在骨膜区域发生，接着是在骨折处本身内愈合(骨内膜愈合)。由于超声波刺激，在骨膜区域中血管的血流增加。一般认为，声波刺激骨膜的暴露的神经末梢，从而刺激局部的血管血流。最好，声波是载波频率为1.5MHz，重复频率为1.0KHz的恒定包络线的正弦波。
频率小于100Hz的缓慢调制的声波信号包络线，可能在骨折间隙中和骨膜上对骨的生成更好。已经证明，微小的机械刺激(每天用0.5Hz，刺激17分钟)可显著改善胫骨骨折的愈合。这个加速的愈合过程是与促进骨折处血管内血液重新流动相关的。激励的调制，可以利用受控制的电磁感应力，通过调制送至超声波传感器的电气信号的包络线，或通过调制人体内的压力波来进行。
3.低频电磁激励在称为不联合的骨折不愈合的情况下，最普通的治疗是外科手术或电磁刺激(E-stim)。如上所述，E-stim使用一个外部线圈，在骨折部位产生一个治疗用的脉冲式电磁场。
4.超声波和电磁的综合刺激具体地说，本发明的超声波和E-stim的综合治疗方法和装置，相对于时变的、有方向性的不均匀的声压波在空间和短暂时间上的产生与控制，形成和控制一个不均匀的、时变的、有方向性的电磁场在空间的分布，以在活组织中产生离子流和电压。表征超声波在组织中传播的主要物理因素，是影响质点位移的、微观结构上的超声波机械式传播的速度、加速度和压力。
在本发明的优选实施例中，利用所加的电磁场产生的力，将一个诸如低频调制力一类的扰动或脉动力，加至在人体中传播的压力波上，以增加对在损伤附近的细胞的刺激，和增强细胞的渗透性。细胞渗透性的增强，会增加离子对细胞的扩散，例如在不联合的骨折情况下，为钙离子的扩散，同时，也使蛋白质的合成增加。如上所述，蛋白质合成的增加，会加速骨折的愈合和组织的修复。
对传播的压力波的低频扰动，可以通过将电磁线圈安置在相对于传播的压力波方向的各种不同的方向上来产生。当纵向压力波的方向与磁场垂直，或者如果横向(剪切)波沿着磁场的磁力线进行时，低频扰动对压力波的影响最大。在这种情况下，磁场使声波的相速度增大。通过控制送至电磁线圈的一个感应信号的幅值，可以使相应的磁力保持为常数，或以低频率进行调制。
考虑磁场对声波在一种传导流体，例如软组织与骨头的复合体中的传播的影响。骨头组织主要是在细胞间和间隙的流体中，具有各种离子的一种离子和流体饱和的多孔介质。这些离子是钾离子、钠离子、镁离子、氯化物离子、磷酸盐离子、碳酸盐离子、碳酸氢盐离子和由氨基酸、蛋白质、糖、核苷酸和酶的离解形成的离子。由静电力、磁力和声辐射力的可控制的综合造成的带电离子的运动，可以促进和加速组织的愈合。这些物理因素之间的相互关系，可用在一种固体，均一介质中的广义的声波方程式来说明。
众所周知，作用在磁通密度为B的磁场中，以速度v运动的正电荷q上的磁力F，由向量乘积F＝qv×B给出。该向量积给出的F的方向，与古典的Fleming左手法则给出的F的方向相同；并且确认，F与B垂直。如果纵向声波在磁通方向传播，则对声场没有影响。如上所述，当纵向声波的方向与磁场垂直，或者如果横向(剪切)波沿着磁场磁力线行进时，则纵向声波对声场的影响最大。
一般，声波可以相对于磁场磁力线成任意角度行进。当出现这种情况时，所产生的声波的性质，将明显地取决于，流体速度是与由K(波的数目)和B确定的平面平行，或是与该平面垂直。如果质点速度与K-B平面垂直，则是声波的运动将是横向的，其速度等于Bcos ，式中θ为声波传播方向与磁场之间的夹角；ρ为流体密度。如果质点速度向量在k-B平面内，则声波模式包含横向波和纵向波二种波。该横向波和纵向波分别与垂直k-B平面，和平行于k-B平面的质点速度分量相适应。现已查明，只有当一个速度分量在声波传播方向上，并且磁场中的扰动总是与k-B平面垂直时，才会产生上述的产生上述的流体密度波动。
B本发明的实施例本发明的各种不同的实施例都包括一个按人机工程原理制造的、具有一条带或其他固定装置，用于固定在邻近病人人体的损伤部分上的安置组件。至少一个超声波传感器组件和至少一个电磁线圈组件固定，或安置在该安置组件内；并适当地安置在靠近受外伤的组织和/或软骨损伤部位处。该至少一个超声波传感器组件包括至少一个超声波传感器，而该至少一个电磁线圈组件包括至少一个电磁线圈。可以使用不同形式的超声波传感器和信号，例如在Winder等人的美国专利5520612号中所述和示意性表示的那种。这里引入该专利供参考。另外，还可以使用例如在1998年3月17日申请的、序列号为09/040155的美国专利申请中所述的那种超声波传感器。这里引入该专利的内容供参考。
最好，该装置使用能产生不对称的、不均匀的时变的磁场的电磁场线圈结构；利用该磁场在组织中进行有选择的立体刺激。在下述的实施例中，送往上述至少一个超声波传感器和至少一个电磁线圈的感应信号的频率，可在1Hz～10KHz范围内变化。最好，为了使骨生成的刺激达到最优，在治疗不联合的骨折中，使平均的磁通密度，感应信号的脉冲重复频率和脉冲宽度可以控制。平均磁通的精确控制意味着要综合考虑由上述至少一个电磁线圈所产生的外加磁场的磁场，和局部的磁场。后者包括地球的磁场，和在附近的、产生通过组织的附加磁通的铁磁材料的影响。
该装置还最好使用一个具有一个内部电源、可以戴在病人身上的便携式、按人机工程原理制造的主操作部件(MOU)。该内部电源给在上述安置组件中超声波传感器和电磁线圈提供控制信号。最好，该电磁线圈产生时变的、不均匀的电磁场。所使用的MOU最好是在Talish等人的美国专利5556 372号中所述的那种。这里引入该专利的内容供参考。所使用的超声波传感器及其相应的电路系统，在序列号为09/040157的美国专利申请中作了说明。这里引入该专利申请的内容供参考。
图1表示戴着本发明的便携式超声波和E-stim治疗装置第一个实施例的一个病人。用标号10表示的超声波和E-stim治疗装置包括一个主操作部件(MOU)12，一个安置组件14，和连接MOU12与安置组件14的一根电缆16。MOU 12放在一个袋或携带盒体18内，该盒体用一根吊带20捆扎在病人身上，在治疗过程中，使病人可以活动。该安置组件14固定在一个安装组件22上，安装组件22有一条安置带24，用于将该安置组件14安置和固定在治疗区域附近。该安置带24的结构可将该安置组件14牢固地固定在病人身人。在该安置带24的内表面上，最好衬垫一块海绵状材料，以使病人感到舒服和防止肘部浮肿。
参见图2和图3，图中表示本发明的便携式超声波和E-stim治疗装置的另一个实施例。图中所示的一个插入件90，固定在需要超声波治疗的病人手上的一个壳体92内。一个其下端固定在一个强化传输(transmission-tnhamcing)的介质上的接片94，从该插入件90伸出。在将超声波传感器头组件96放在插入件90中之后，将一个盖98放在该插入件90的顶部上面，并调节带子100，将整体装置固定就位。该超声波传感器头组件96，与图1所示的安置组件14相似。该超声波传感器装置可以发送用于治疗和/或诊断操作的信号。在该论断模态下，为了形成图象和作组织分析，在接收反射回声时，要对反射回声数据进行处理。这里所使用的，用于接收反射的诊断数据的一个装置包括VS传感器组件所用的电路系统，或用于处理和/或分析回声数据的MOU中的软件。
现参见图4，图中表示超声波和E-stim治疗装置的另一个实施例。图4中表示了具有锁紧结构的一个盖150的透视图。该盖150具有二个将该盖锁紧在一个插入件中的锁紧接片154。在该锁紧接片154上，作出一个突出部分158，与一个插入件的内表面上的一个槽啮合。在图中还表示了一个带有与图1所示的安置组件14相同的治疗头160的超声波治疗组件。另外，一个圆锥形螺旋弹簧162与该盖150的下表面连接，使该治疗头160在向着治疗部位的方向上偏移。
现参见图5A～图7B。图中表示了图2(图5A和图5B)，图6A和6B与图7A和7B所示实施例的安置组件的顶视图和横截面图。这些实施例中的每一个实施例，都有一个超声波传感器组件26，和一个电磁线圈组件28。该超声波传感器组件26包括至少一个超声波传感器30，和包括一个信号发生器(没有示出)在内的有关的电路系统。该电磁线圈组件28包括至少一个电磁线圈32。如以下所述，对于这些实施例中的每一个实施例，超声波传感器30和电磁线圈32的位置是彼此不相同的。另外，在这些实施例中，超声波传感器30安置在电磁线圈32的下面，即更接近损伤部位；并且，其直径比电磁线圈32的直径小。
这些实施例中的超声波传感器组件26和电磁线圈组件28，通过电缆16与上述主操作部件(MOU)12连接。该电缆16最好为能够传送较低频率的射频(RF)或光学信号，以及数字信号的多根导体组成的电缆。电缆16可以包括同轴电缆或其他形式的适当的屏蔽电缆。另一种方案是，该电缆16可以包括用于传送光学信号的光纤电缆。
从上述MOU 12发出的信号，可以连续地或作为一系列的脉冲传递。希望送至超声波传感器30的信号的电压幅值是改变的，以便改变传播的超声波的传输功率。另外，也希望送至电磁线圈32的信号的电压幅值是改变的，以便改变磁通密度。
参见图5A和图5B，电磁线圈32与超声波传感器30平行安置。在这种结构中，纵向声波的传播方向与磁通的方向相同，因此，这种结构对声场的影响最小。例如，由于电磁线圈32与水线轴线平行，当电流通至电磁线圈32上时，根据Maxwell方程式，所产生的磁通与电磁线圈32的纵轴线平行。因此，磁通的方向与纵向声波的传播方向相同。
在图6A和图6B中，电磁线圈32相对于上述安置组件14的水平轴线，成一个角度θ安置。在这种结构中，纵向声波相对于磁通方向，成同一个角度θ传播；因此，这种结构对声场有显著的影响。
在图7A和图7B中，电磁线圈32安置在超声波传感器30的横向。在这种结构中，纵向声波在磁通方向的横向传播，因此，这种结构对声场的影响最大。
现参见图8～图10。图中表示了本发明的又一个实施例的横截面图。这些实施例中的每一个实施例，都有安置在一个安置组件40内的一个超声波传感器组件36，和一个电磁线圈组件38。该超声波传感器组件36包括一个超声波传感器42，和包括一个信号发生器(没有示出)在内的有关电路系统。该电磁线圈组件38包括一个十字形的电磁线圈44，或星形的电磁线圈46。如以下所述，在这些实施例的每一个实施例中，该超声波传感器42和电磁线圈44与46的位置，是彼此不同的。另外，在这些实施例中，超声波传感器42安置在电磁线圈44和46的下面，即更接近损伤部位；并且，其直径比电磁线圈44和46的直径大。十字形的电磁线圈44具有第一个线圈48和第二个线圈50。星形电磁线圈46具有第一个线圈52，第二个线圈54和第三个线圈56。
该超声波传感器组件36和电磁线圈组件38，通过电缆16与和图1所示的MOU 12或图2所示的MOU 110相同的一个MOU(没有示出)连接。通过电缆16传送至上述安置组件40内的元件上的信号，可以连续地，或作为一系列脉冲传送。
参见图8，十字形电磁线圈44的第一个线圈48和第二个线圈50彼此垂直，并相对于安置组件40的纵轴线，成一个锐角θ安置。在这个结构中，在第一个线圈48的横向产生一个磁通，并在第二个线圈50的横向产生另一个磁通。由于二个线圈48和50互相垂直，并相对于安置组件40的纵轴线成一个角度θ；因此，由超声波传感器42传播的纵向声波，受到由第一个线圈48产生的第一个磁通，和由第二个线圈50产生的第二个磁通的调制或扰动。如上所述，由第一个和第二个磁通调制的声波，刺激和增强细胞的渗透性，与离子在受外伤组织或软骨损伤部位内的扩散，从而可加速其愈合。
在图9中，十字形的电磁线圈44的第一个线圈48和第二个线圈50互相垂直，但相对于安置组件40的纵轴线成直角θ安置。在这种结构中，在第一个线圈48的横向产生一个磁通，并在第二个线圈50的横向产生另一个磁通。由于二个线圈48和50互相垂直，和相对于安置组件40的纵轴线成直角θ；因此，由超声波传感器42传播的纵向声波，被第一个线圈48产生的第一个磁通轻微地调制或扰动；而被第二个线圈50产生的第二个磁通大大地调制。因此，通过改变电磁线圈组件44在安置组件40内的位置，可以控制声波的调制量，达到最优的骨生成刺激。希望在使用上述装置进行超声波和E-stim治疗过程中，驱动第一个线圈48和第二个线圈50的电路系统不同，以便交替地产生第一个磁通和第二个磁通。
如图10所示，星形电磁线圈46的第一、第二和第三个线圈52、54和56彼此成一个锐角θ安置；而且，如果线圈52、54和56中的一个线圈，与安置组件40的纵轴线垂直，则该三个线圈相对于安置组件40的纵轴线的夹角θ相同。在这种结构中，在第一个线圈52的横向，产生第一个磁通；在第二个线圈54的横向，产生第二个磁通；和在第三个线圈56的横向，产生第三个磁通。通过控制三个线圈52、54和56的方向，可以控制第一、第二和第三个磁通的方向，以改变由超声波传感器42传播的声波的调制量。
参见图11A～图15B，图中表示了安置组件60的变型的各种顶视图和横截面图。所有这些变型都有一个超声波传感器组件26，和一个电磁线圈组件28。该超声波传感器组件26包括一个超声波传感器30，和包括一个信号发生器(没有示出)在内的有关电路系统。该电磁线圈组件28包括一个电磁线圈32。如以下所述，对于图11A～图15B所示的每一种变型，超声波传感器30和电磁线圈32的位置彼此不相同。另外，在图11A～图15B所示的变型中超声波传感器30安置在电磁线圈32的下面，即更接近操作部位。
电磁线圈组件28和超声波传感器组件26，都分别单独地通过电缆62和64，与主操作部件(MOU)(没有示出)连接。该MOU可与图1所示的实施例中的MOU 12相同，或者与图2所示的实施例中的MOU110相同。电缆62和64最好为能够传送较低频的射频(RF)或光学信号，以及数字信号的多根导体组成的电缆。电缆62和64可以包括同轴电缆，或其他形式的适当的屏蔽电缆。另一种方案是，该电缆62和64可以包括用于传送光学信号的光纤电缆。信号可以连续地，或作为一系列的脉冲传送。另外，相对于这些实施例，由于超声波传感器组件和电磁线圈组件，不象在其他实施例中那样，由相同的电缆供电；因此，信号可以在不同时间和变化的周期内传送，用于在彼此不同的时间，驱动超声波传感器组件和电磁线圈组件。
参见图11A和图11B，电磁线圈32放在位于安置组件60顶部的一个壳体66中。在该安置组件60内，电磁线圈32与超声波传感器30平行。在这种结构中，纵向声波的传播方向与磁通方向相同；因此，这种结构对声场的影响最小。例如，由于电磁线圈32与水平轴线平行，当将电流送至电磁线圈32时，根据Maxwell方程，所产生的磁通与电磁线圈32的纵轴线平行。因此，磁通的方向与纵向声波的传播方向相同。
在图12A和图12B中，电磁线圈32安置在壳体66内，并相对于安置组件60的水平轴线成一个角度θ。在这种结构中，纵向声波相对于磁通方向成同一角度θ传播；因此，这种结构对声场有显著影响。
在图13A～13C中，电磁线圈32放在壳体66内，并在超声波传感器30的横向。在这种结构中，纵向声波在磁通方向的横向传播；因此，这种结构对声扬的影响最大。
图14A和图14B表示电磁线圈32包围在安置组件60周围。在安置组件60内，包围着该安置组件的电磁线圈32，是与超声波传感器30平行的。在这种结构中，纵向声波的传播方向与磁通方向相同；因此，这种结构对声场的影响最小。例如，由于电磁线圈32与水平轴线平行，当将电流通至电磁线圈32时，根据Maxwell方程，所产生的磁通与电磁线圈32的纵轴线平行。这样，磁通的方向与纵向声波的传播方向相同。
在图15A和图15B中，电磁线圈32与安置组件60的水平轴线成一个角度θ，包围在壳体66的周围。在这种结构中，纵向声波相对于磁通方向，成同一个角度θ传播；因此，这种结构对声场有显著影响。
图16A和图16B表示与图2所示的安置组件14相同的二个安置组件70；该二个安置组件固定在一条安置带72上。二个安置组件70中的每一个组件，都装着一个具有一个超声波传感器76的超声波传感器组件74；和具有一个电磁线圈80的一个电磁线圈组件78。另外一个电磁线圈组件78安置在该二个安置组件70之间。这种结构在脊椎骨修复和椎骨间融合过程中是特别有利的；因为这时超声波和电磁的能量都集中在修复和融合部位上。上述二个安置组件70和另外一个电磁线圈组件78，彼此成一个角度θ的安置；并且分别由与MOU 12或MOU 110相同的一个MOU(没有示出)连接的相应的电缆84、86和88供电。希望上述安置带72是用挠性材料制造的，这样不使该安置带72安置成多种形状。
在使用时，该安置带72固定在受外伤的组织或软骨操作部位的附近。然后，使超声波传感器76和电磁线圈80起动工作一段预先确定的时间，以便使调制的声波冲击在损伤部位上。如以上针对几个实施例所述那样，希望电磁线圈80能安置在各种不同的位置，以控制声波调制的量。另外，还希望在不同的时间，和以变化的周期来单独地驱动超声波传感器76和电磁线圈80。
另外，还希望利用适当的导电的塑料-例如带有碳纤维、不锈钢纤维、镍纤维或铝纤维的导电的ABS塑料-来制造该安置带72。这样，可以不需要使用导线来使每一个超声波传感器组件和电磁线圈组件，与特定的电缆连接。在这个实施例中，使用该导电的安置带，通过单一一根电缆，使超声波传感器组件和电磁线圈组件，与一个MOU电气上连接起来。
另外，还可设想使本发明的每一个实施例，成为超声波和E-stim配合治疗受外伤的组织和软骨损伤的一种仪器。该仪器包括具有超声波传感器和信号发生器电路系统的超声波传感器组件；具有电磁线圈和工作电路系统的电磁线圈组件；用于安置该超声波传感器组件和电磁线圈组件的安置组件；和与安置组件连接的主操作部件(MOU)。
对于这里所述的所有实施例，为了防止超声波的减弱，希望在实施例的安置组件，和病人人体的损伤部分之间，安置一种传导超声波的凝胶体。另外，还希望将一个或多个传感器转换为可以接收仅治疗部位反射回来的诊断数据。这就可以实时地评估损伤部位和愈合过程。
在美国专利5556372号的图6和图6A中，表示了超声波传感器组件电路系统的第一和第二个优选实施例的方框图。这里引入该专利的内容供参考。
应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可对本发明的各个实施例作各种不同的改进。例如，可对安置组件的结构和超声波传感器组件与电磁线圈组件的结构作各种改进。因此，以上的说明不应看作是对发明的限制，而只是本发明的一些优选实施例。技术熟练的人还可在以下的权利要求书规定的本发明的范围和精神内，作其他的改进。
权利要求
1.一种用于对治疗区域进行超声波和电磁刺激的治疗装置，所述装置包括具有至少一个超声波传感器的至少一个超声波传感器组件；具有至少一个与所述至少一个超声波传感器组件按操作关系相联的电磁线圈的至少一个电磁线圈组件；一个由病人佩戴的安置组件，所述安置组件的结构可以容纳所述至少一个超声波传感器组件和所述至少一个电磁线圈组件，使得当佩戴所述安置组件时，所述至少一个超声波传感器和至少一个电磁线圈的位置，可将能量集中在所述治疗区域上；和一个主操作部件，它用于将至少一个驱动信号提供给所述至少一个超声波传感器组件，以便驱动所述至少一个超声波传感器和所述至少一个电磁线圈，以对所述治疗区域产生超声波和电磁刺激。
2.如权利要求1所述的治疗装置，其特征为，所述主操作部件通过第一电缆，与所述至少一个超声波传感器组件连接，并通过第二电缆，与所述至少一个电磁线圈组件连接；以便在不同的时刻和以变化的周期，将所述至少一个驱动信号提供给所述至少一个超声波传感器组件和所述至少一个电磁线圈组件。
3.如权利要求1所述的治疗装置，其特征为，所述至少一个电磁线圈的相对于所述至少一个超声波传感器的水平轴线，以角度θ安置，该0≤θ≤90°。
4.如权利要求1所述的治疗装置，其特征为，所述至少一个电磁线圈被包围在所述安置组件周围。
5.如权利要求1所述的治疗装置，其特征为，当所述安置组件安置在所述治疗区域附近时，所述至少一个超声波传感器，比所述至少一个电磁线圈，更靠近所述治疗区域安置。
6.如权利要求1所述的治疗装置，其特征为，所述安置组件由导电材料构成，所述至少一个超声波传感器和所述至少一个电磁线圈，通过所述导电材料，与所述主操作部件电连接。
7.如权利要求1所述的治疗装置，其特征为，所述至少一个超声波传感器包括用于接收反射回来的诊断数据的装置。
8.如权利要求1所述的治疗装置，其特征为，所述至少一个电磁线圈产生一个不均匀的电磁场。
9.一种用超声波和电磁方法治疗组织的方法，该方法包括下列步骤提供一个具有内部电源的主操作部件，该主操作部件与至少一个超声波传感器组件和至少一个电磁线圈组件连接，所述至少一个超声波传感器组件包括至少一个超声波传感器，所述至少一个电磁线圈组件包括至少一个电磁线圈；提供一个可以容纳所述至少一个超声波传感器组件和所述至少一个电磁线圈组件的安置组件，使得当所述安置组件固定在病人身上时，所述至少一个超声波传感器和所述至少一个电磁线圈的位置，可将能量集中在所述治疗区域上；激励所述至少一个超声波传感器，使超声波冲击所述治疗区域；和激励所述至少一个电磁线圈，以产生一个电磁场。
10.如权利要求9所述的方法，其特征为，通过从所述主操作部件发送一个控制信号，可同时完成激励所述至少一个超声波传感器和至少一个电磁线圈的步骤。
11.如权利要求9所述的方法，其特征为，通过从所述主操作部件发送至少一个第一控制信号，去激励所述至少一个超声波传感器，以传播超声波并通过发送至少一个第二控制信号，去激励所述至少一个电磁线圈，以产生磁场磁力线，可独立地完成激励所述至少一个超声波传感器和至少一个电磁线圈的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于还包括改变所述第一控制信号的幅值，以改变所述被传送的超声波的传输功率的步骤。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于还包括改变所述第二控制信号的幅值，以改变磁场磁力线的磁力强度的步骤。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括使所述至少一个电磁线圈相对于所述至少一个超声波传感器的水平轴线成一个角度θ安置的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其特征为，0≤θ≤90°。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括由所述至少一个超声波传感器接收反射回来的诊断数据的步骤。
17.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括将所述主操作部件固定在一个携带壳体内，使病人在治疗过程中可以活动的步骤。
18.如权利要求9所述的方法，其特征为激励所述至少一个电磁线圈的步骤产生一个不均匀的电磁场。
19.一种用超声波和电磁的方法治疗组织的方法，该方法包括下列步骤将至少一个超声波传感器固定在一条安置带上，将至少一个电磁线圈固定在所述安置带上；将该安置带固定在病人身上，使所述至少一个超声波传感器处在所述治疗区域的附近；激励所述至少一个超声波传感器，使超声波冲击所述治疗区域；和激励所述至少一个电磁线圈，以产生一个调制力，来调制所述的超声波。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括使所述至少一个超声波传感器和所述至少一个电磁线圈跟一个操作部件连接的步骤，所述操作部件具有一个内部电源。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括由所述至少一个超声波传感器接收反射回来的诊断数据的步骤。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括使所述至少一个电磁线圈，相对于所述至少一个超声波传感器的水平轴线成一角度的定向的步骤；其中0≤θ≤90°。
23.如权利要求17所述的方法，其特征为，激励所述至少一个电磁线圈的步骤产生一个不均匀的调制力。
24.一种用于给一个治疗区域提供超声波和电磁刺激的装置，所述装置包括一个用于使压力波向着所述治疗区域传播的装置；一个用于产生调制所述压力波的电磁场的装置；和一个控制装置，用于控制产生装置来改变所述压力波的调制量并用于在相应的时间启动所述压力波传播装置与所述产生电磁场的装置。
25.如权利要求24所述的装置，其特征为，所述产生装置产生一个不均匀的电磁场。
全文摘要
本发明涉及用超声波和电磁方法来治疗组织,例如治疗受外伤的组织或骨头损伤的装置和方法。该装置包括与安置在治疗区域附近的一个安置组件共同工作的至少一个超声波传感器组件(26)和至少一个电磁线圈组件(28)。该装置还使用装于戴在病人身上的一个袋或携带壳体内的便携式主操作部件。工作时,通过将从该主操作部件发出的控制信号,传送给该安置组件,可启动至少一个超声波传感器和至少一个电磁线圈。该至少一个超声波传感器的启动,可使超声波向治疗区域传播,而该超声波则由该至少一个电磁线圈产生的静电力和磁力调制。该至少一个超声波传感器和至少一个电磁线圈的启动,可以同时进行,或在不同的时间以变化的周期进行。
文档编号A61N2/02GK1361706SQ00810673
公开日2002年7月31日 申请日期2000年5月18日 优先权日1999年5月21日
发明者R·J·塔利斯, A·A·温德 申请人:伊爱克斯奥根公司