具有改进的声波波前的快速脉冲电液冲击波生成器装置的制作方法

本发明一般涉及对于激波或冲击波的治疗用途。更具体地，但不作为限制，本公开涉及用于生成具有改进的声波波前的治疗性激波或冲击波(具有治疗用途的冲击波)的装置和方法。

背景技术：

1、声学冲击波已经用于某些治疗多年。“激波”或“冲击波”通常用于表示产生突然和剧烈的压力变化(例如，由爆炸或闪电引起)的声学现象。这些强烈的压力变化能够产生强大的能量波，该能量波能够穿过如空气、水、人体软组织或如骨的某些固体物质的弹性介质传播，并且/或者能够在这种弹性介质中诱发非弹性响应。产生用于治疗用途的冲击波的方法包括：(1)电液(eh)或火花隙；(2)电磁或emse；以及(3)压电。每种方法都基于其自身独特的物理原理。

2、a、用于生成冲击波的设备和系统

3、由本发明人之一公布为us 2014/0276722的美国专利申请13/574228公开了一种使用换能器以高脉冲率产生冲击波的设备。该设备包括配置为发射具有在1mhz到1000mhz之间的至少一个频率的声波的声波生成器；与声波生成器耦接的冲击波壳体；以及设置在冲击波壳体中的冲击波介质；其中该设备被配置为使得如果声波生成器发射声波，则声波的至少一部分将穿过冲击波介质行进并形成冲击波。该设备能够被致动以形成冲击波，该冲击波配置为激发患者体内的颗粒使患者的一个或更多个细胞破裂，并且该冲击波能够被引导至患者的细胞，使得冲击波导致颗粒使细胞中的一个或更多个破裂。该声波换能器设备能够以高频率或高脉冲率产生高功率冲击波。

4、此外，本发明人的又一个公布为us 2014/0257144的美国专利申请13/798710，公开了用于以10hz和5mhz的频率电液生成冲击波的装置和方法，包括：限定了腔室和冲击波出口的壳体；设置在腔室内的液体；配置成设置在腔室中来限定一个或更多个火花隙的多个电极(例如，在火花头或模块中)；以及配置为以在10hz到5mhz之间的频率向电极施加电压脉冲的脉冲生成系统。

5、用于产生冲击波的其他系统能够包括电液(eh)波生成器。eh系统通常能够传递与其他方法相似水平的能量，但可以配置为在更广的区域上传递该能量，并因此在更短的时间周期内向目标组织传递更多的冲击波能量。eh系统通常包含电极(即火花塞)以引发冲击波。在eh系统中，当电流施加到浸没在容纳于壳体中的治疗水中的电极时，生成高能量冲击波。当电荷被激发时，少量的水在电极的尖端处蒸发，并且蒸发的水的快速、几乎瞬时的膨胀产生通过液态水向外传播的冲击波。在一些实施例中，水被容纳于椭圆形壳体中。在这些实施例中，冲击波可以从椭圆形壳体的侧面弹射并且会聚在与待治疗区域的位置一致的焦点处。

6、例如，美国专利no.7189209('209专利)描述了一种通过施加声学冲击波来治疗与骨和肌肉骨环境和软组织相关的病理状况的方法。'209专利描述了冲击波诱导局部创伤和其中的细胞凋亡，包括微破裂，以及诱导例如细胞募集、刺激分子骨、软骨、肌腱、筋膜和软组织形态发生素和生长因子的的成骨细胞反应，以及诱导血管新生血管的形成。'209专利要求其方法的几种具体实施方式。例如，'209专利要求保护一种治疗糖尿病足溃疡或压疮的方法，包括：在人类患者中定位糖尿病足溃疡或压疮的部位或疑似部位；生成声学冲击波；将声学冲击波聚焦在整个所定位部位；并且每个治疗施加大于500到约2500个声学冲击波到所定位部位，以诱导微损伤和增加的血管形成，从而诱导或加速愈合。'209专利公开了大约0.5hz到4hz的频率范围，并且对每个治疗部位施加约300到2500或约500到8000个声学冲击波，这能够导致对每个治疗部位的治疗持续时间和/或对于所有不正常地大的部位的“每次治疗的总时间”。例如，'209专利公开了对于不同示例的每次治疗的总时间的范围为20分钟至3小时。

7、美国专利5529572('572专利)包括使用电液生成的冲击波以在组织上产生治疗效果的另一个示例。'572专利描述了一种增加骨密度和强度(以治疗骨质疏松症)的方法，该方法包括使所述骨经受基本上平面的、准直的压缩冲击波，该压缩冲击波根据到冲击波源的距离具有基本恒定的强度，并且其中所述准直的冲击波以50到500个大气压的强度施加到骨上。'572专利描述了应用未聚焦的冲击波来产生骨的动态重复加载以增加平均骨密度，从而加强骨以防止骨折。如'572专利中所述，“未聚焦的冲击波优选地施加在待治疗的骨的相对大的表面上，例如覆盖10到150cm2的面积。冲击波的强度可以是50到500个大气压。每个冲击波的持续时间(如在传统的碎石机中)为几微秒，并且优选地在每个治疗中以每秒1到10个冲击波的频率施加5到30分钟的时间。治疗的次数取决于特定患者。

8、美国专利申请no.10/415293('293申请)，其也被公布为us 2004/0006288，公开了使用eh生成的冲击波以在组织上产生治疗效果的另一个实施例。'293申请公开了一种用于生成至少部分地将沉积物与血管结构分离的治疗性声学冲击波的设备、系统和方法。'293申请描述了设备能够以每分钟约50到约500个脉冲(即，0.83到8.33hz)的脉冲率产生冲击波，每个治疗部位(就被治疗的血管的单位长度而言)每1cm2具有在约100到约5000个脉冲。

9、b、冲击波率

10、现有技术文献已经表明，使用eh系统提供具有更快脉冲率的冲击波能够导致组织损伤。例如，在一个研究中(delius,jordan等,1988)[1]，在狗群中检查了冲击波对正常犬肾脏的影响，其肾脏暴露于3000次的冲击波下。这些组仅在于冲击波施用率方面不同，分别为100hz和1hz。24至30小时后进行尸检。在显微镜和组织学上，如果以100hz(相比1hz)的速率施加冲击波，则在肾实质中出现明显更多的出血。结果显示肾损伤取决于冲击波施用率。

11、在另一研究中(madbouly等，2005)[3]，与快速冲击波碎石率相比，慢冲击波碎石率(swl)与较低数量的总冲击波的成功率显著相关。在本文中，作者讨论了当使用较慢的测试swl时，人类研究如何显示swl诱导的肾损伤或麻醉需要的发生率降低。

12、在又一研究中(gillitzer等，2009)[2]，将传递速率从每分钟60个冲击波减少至30个冲击波对猪模型中真实脉管系统的完整性提供了显著的保护作用。这些发现支持降低脉冲速率频率的潜在策略以提高体外冲击波碎石机的安全性和有效性。

13、对于1hz到10hz的脉冲速率(pr)，软组织可以从弹性行为转变为粘性行为。因此，当使用典型的碎石功率水平时，1hz到10hz的pr处的冲击波对组织的潜在损害是不可预测的。也许因此，现有技术教导了较慢的pr和每次治疗的大的总时间(ttpt)。例如，当前已知的eh冲击波系统通常传递小于10hz的pr，并且每次治疗需要大的总时间(例如，即使对于单个治疗部位，ttpt时段为几分钟甚至几小时)。当治疗需要设备在多个治疗部位重新定位时(如可以为典型情况)，ttpt变大，并且对于许多患者和治疗需求可能是不切实际的。

14、虽然长的治疗时间对于体外冲击波碎石机是可接受的，但是使用冲击波来在医疗环境中对组织提供非碎石治疗效果即使不是不切实际的也不是最佳的。例如，治疗的成本通常随着施用治疗所需的时间而增加(例如，由于分配给施用治疗的劳动力、设施和其他资源成本)。此外，除了成本之外，在某些时候向患者提供治疗的持续时间，对于患者接收治疗和医护人员提供治疗而言变得难以忍受。

15、c、抛物面反射器

16、抛物面反射器的使用允许生成维持相对长距离的峰值压力的平面波。因此，平面波已经被有益地用于深部组织中。然而，抛物面反射器仍能够提出挑战。

17、首先，当用于治疗的目标组织较浅(例如，皮肤的真皮)，当使用抛物面反射器时，平面波的峰值压力持续超过目标组织。这种波能够在目标治疗部位之外的远处组织部位导致不期望的损伤效应和疼痛。例如，当治疗真皮时，相对平面的波将维持足够的峰值压力以影响下面的骨结构，从而导致患者显著疼痛。通过检查声波波前在不同组织深度的压力图，来展示由使用抛物面反射器的电液冲击波生成器产生的持续平面声波峰值压力的形成。例如，图1描绘了来自使用标准抛物面反射器的冲击波生成器的声波波前压力图。能够看出，声波波前峰值压力图说明了峰值压力的持久性。在50mm深度处，声波波前峰值压力非常高，并且与30mm深度处的波前峰值压力相比基本不变。

18、其次，通过在电液冲击波生成器中使用抛物面反射器而生成的平面声波通常是不均匀的。具体地，电液冲击波生成器中的抛物面反射器能够产生具有较高峰值压力(即“热点“)或较低峰值压力(即“阴影”)的声波波前。声波波前的这种不均匀性具有至少两个主要来源：(1)在腔室内生成的异常声波反射；以及(2)腔室内电极间隙位置的不稳定性。

19、异常声波反射通常由在腔室内发现的硬件(即，电极、电极桥等)、端口、边缘等引起。这些异常反射通常会导致形成具有较高峰值压力区域和较低峰值压力区域的声波波前。

20、腔室内的电极间隙位置的不稳定性是由一对电极产生的，这对电极在电液冲击波生成器中的电极之间的间隙中产生火花。该电火花导致等离子体气泡坍塌以产生声波。当将电极放置在抛物面反射器内的适当焦点位置时，反射的声波能够导致形成相对平面的波前。然而，当电极间隙的焦点位置(“f位置”或“焦点位置”)改变时，声波波前能够出现不均匀性。来自火花事件的电极的腐蚀导致抛物面反射器内的火花事件的焦点位置的变化。焦点位置的这种不稳定性导致输出的声波的不均匀性。图2a和2b描绘了从抛物面反射器202发出的压力线的图形表示，示出了改变电极间隙焦点位置200的影响。在图2a中，电极间隙200的焦点位置在f＝0.93处，导致压力线在中心会聚。这些压力线的这种会聚将导致组织中更深的峰值压力热点204，导致过度的组织损伤、治疗不舒适和疼痛。类似地，在图2b中，电极间隙200的焦点位置在f＝0.6处，导致压力线围绕治疗区域的圆周会聚。围绕治疗区域的圆周的压力线的会聚将导致组织中更深的峰值压力热点204，导致过度的组织损伤、治疗不舒适和疼痛。

21、因此，虽然抛物面反射器的使用可以在选择的治疗情况下产生稳定的声波，但是由于声波峰值压力持续性和声波非均匀性(即，热点和阴影)，现有技术的方法在一致地提供均匀的声波波前方面不是最优的。因此，这些声波波前持续性和热点能够导致对患者既痛苦又有害的治疗。

22、d、自由形式反射器

23、自由形式反射器是非纯抛物线反射器。在照明领域中，光源上的自由形式反射器已被用于帮助提供均匀的圆形照明。由于其高度的设计自由度，自由曲面能够简化光学系统的结构并满足复杂的照明要求。随着近几年自由曲面设计和加工的发展，该技术已应用于许多领域，如道路或搜索照明、投影仪照明、液晶显示器(lcd)背光、汽车头灯和光学光刻系统等(liu等,2005)[4]。设计用于照明的自由形式反射器是困难的。近年来，已经描述了许多方法[4]。这些方法被认为已利用了特定于光的使用的特殊算法和优化技术。用于光学输出的自由形式反射器的示例能够在以下文献中找到：(1)美国专利no.5790305；(2)美国专利申请公开no.us2010/0208467；(3)美国专利no.5675495；以及(4)美国专利no.5204820。

技术实现思路

1、本公开包括用于电液生成具有改进的声波波前的快速声脉冲的装置和方法的实施例。在某些实施例中，这些改进的声波波前包括在目标治疗区域的近场中的基本上平面的声波波前，其在限定的距离之后快速分散。这样的波前在目标区域中提供有效的声学治疗，同时将组织损伤和疼痛限制在目标区域外。在另一个实施例中，改进的声波波前包括在目标治疗区域的近场中基本上平面的非聚焦声波波前，该非聚焦声波波前在限定的距离之后快速分散，其中声波波前在峰值压力方面基本上是均匀的。这种波前在目标区域提供有效的声学治疗，使峰值压力的高浓度(即“热点”)和峰值压力的低浓度(即“阴影”)最小化。这些基本上均匀、非聚焦的声波波前提供了针对目标治疗区域的更一致的治疗。

2、在某些实施例中，用于电液生成声波的装置包括：限定了腔室和冲击波出口的壳体；设置在腔室内的液体；腔室内的声反射器；配置成设置在腔室中来限定一个或更多个火花隙的多个电极(例如，在火花头或模块中)；以及配置为以10hz到5mhz的速率向电极施加电压脉冲的脉冲生成系统。在一个实施例中，使用腔室中的声反射器实现改进的声波波前。在另一个实施例中，使用腔室中的声波自由形式反射器实现改进的声波波前。在又一个实施例中，通过在腔室中提供稳定的火花隙位置来实现改进的声波波前。在又一个实施例中，通过在腔室中使用声波自由形式反射器和稳定的火花隙位置来实现改进的声波波前。

3、本装置的一些实施例(例如，用于生成治疗声波)包括：限定了腔室和冲击波出口的壳体，所述腔室配置为容纳液体；配置成设置在腔室中来限定一个或更多个火花隙的多个电极；设置在腔室内的声反射器；以及机械耦接到多个电极的单个伺服电机；其中火花隙具有火花隙尺寸和火花隙的位置；并且其中单个伺服电机配置为调整每个电极以维持一致的火花隙尺寸和火花隙位置。在一些实施例中，声反射器是自由形式声反射器。在一些实施例中，多个电极包括第一电极和第二电极；并且单个伺服电机与第一电极和第二电极机械耦接。一些实施例还包括：机械耦接到第二电极的多个枢轴臂。在一些实施例中，多个枢转臂配置为当单个伺服电机被致动时使第二电极朝向第一电极前进。一些实施例还包括：配置为经由闭环控制向单个伺服电机发信号以移动多个电极并维持火花隙长度一致的控制器。在一些实施例中，控制器还配置为通过闭环控制向单个伺服电机发信号，通过：在确定的充电电压下测量多个电极的放电脉冲时间；并且基于所测量的脉冲时间向单个伺服电机发信号以使其移动，从而维持火花隙长度一致。一些实施例还包括：配置为与多个电极耦接的脉冲生成系统，使得：(i)壳体相对于脉冲生成系统是可移动的，以及(ii)脉冲生成系统与多个电极电连通。

4、本装置的一些实施例(例如，用于生成治疗声波)包括：限定了腔室和冲击波出口的壳体；设置在腔室内的液体；限定了腔室和冲击波出口的壳体，所述腔室配置为容纳液体；配置成设置在腔室中来限定一个或更多个火花隙的多个电极；以及设置在腔室中的自由形式声反射器；其中火花隙具有火花隙尺寸和火花隙位置。在一些实施例中，声反射器与壳体是一体的。

5、本方法(例如，用于设计自由形式声反射器)的一些实施例，包括以下步骤：限定声脉冲的起源、患者的目标治疗区域和安全深度；迭代反射器形状直到反射器形状能够实现与指定目标治疗一致的能量分布并且实现安全深度；基于最终反射器形状来近似能量密度；以及验证最终反射器形状。在一些实施例中，限定声脉冲起源的步骤还包括限定多个电极位于电液声波生成器中的位置。在一些实施例中，限定患者的目标治疗区域的步骤还包括指定组织深度，在该组织深度处传递均匀的压力密度。在一些实施例中，限定安全深度的步骤还包括确定患者组织中的深度，在该深度处非聚焦声波耗散了50％。在一些实施例中，迭代反射器形状的步骤还包括使用样条插值。在一些实施例中，近似能量密度的步骤还包括执行射线追踪。在一些实施例中，验证最终反射器形状的步骤还包括使用有限元方法(fem)模拟。

6、术语“耦接”限定为连接，但不必是直接连接，也不必是机械连接；“耦接”的两个项目可以相互形成一体。除非本公开另有明确要求，否则术语“一”和“一个”限定为一个或更多个。如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”限定为所指定的内容的大部分地但未必是完全地(并且包括所指定的内容；例如，基本上90度包括90度，基本平行包括平行)。在任何公开的实施例中，术语“基本上”、“近似地”和“大约”可以用指定的内容“...[百分比]内”代替，其中百分比包括0.1、1、5和10％。在所公开的实施例中，术语“相邻”通常限定为位于相同的分立腔室、壳体或模块中。

7、术语“包括”(和任何形式的包括，例如“包括”和“包括…”)、“具有”(和任何形式的具有，例如“具有”和“具有…”)、“包含”(以及任何形式的包含，例如“包含”和“包含…”)和“含有”(以及任何形式的含有，例如“含有”和“含有…”)是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或更多个元素的系统或装置拥有那些一个或多个元素，但不限于仅拥有那些元素。同样，“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或更多个步骤的方法具有那些一个或更多个步骤，但不限于仅拥有那些一个或更多个步骤。

8、此外，以某种方式配置的结构(例如，装置的部件)至少以该方式配置，但是它还能够以除了该具体描述的方式之外的其他方式配置。

9、本系统、装置和方法中任何一个的任何实施例能够或基本上由(而不是包括/包含/包含/具有)任何所述步骤、元件和/或特征组成。因此，在任何一项权利要求中，术语“由...组成”或“基本上由...组成”能够代替上述任何开放式连接动词，以便改变给定权利要求的范围，否则它将使用开放式连接动词。

10、以下呈现与上述实施例和其他实施例相关的细节。