快速脉冲电液冲击波生成器装置与医疗和美容治疗方法
【专利说明】
[0001](对相关申请的交叉引用）
[0002] 本申请要求在2013年3月13日提交的美国专利申请No. 13/798710和在2013年 3月8日提交的美国临时专利申请No. 61/775232作为优先权。在本说明书中通过引用并入 以上提到的申请的内容。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及激波或冲击波的治疗用途。更特别地，但不限于，本发明涉及用 于生成治疗激波或冲击波（具有治疗用途的冲击波）的装置。
【背景技术】
[0004] 声学冲击波对于某些疗法已被使用多年。"激波"或"冲击波"一般指的是产生突 然且强烈的压力变化的声学现象（例如，源自爆炸和闪电）。这些强烈的压力变化可以生成 强烈的能量波，该能量波可以通过诸如空气、水、人体软组织或者诸如骨头的某些固体物质 的弹性介质传播，并且/或者在这种弹性介质中诱发非弹性响应。用于生成治疗用途的冲 击波的方法包括：（1)电液，或火花间隙（EH) ; (2)电磁波或EMSE ;和（3)压电。每一种都 基于其自身独特的物理原理。
[0005] A.用于冲击波生成的装置和系统
[0006] 由本发明的发明人之一提出的美国专利申请13/574228(公开为WO 2011/091020 的PCT/US2011/021692的国家阶段申请）公开了用于通过使用换能器以高脉冲速率生成冲 击波的装置。该装置包括：被配置为发射具有IMHz与1000MHz之间的至少一个频率的声波 的声波生成器；与声波生成器親合的冲击波外壳；和设置在冲击波外壳中的冲击波介质， 这里，所述装置被配置为使得，如果声波生成器发射声波，那么声波的至少一些部分将通过 冲击波介质行进并且形成冲击波。该装置可被驱动为形成被配置为导致患者体内的粒子使 患者的一个或更多个细胞破裂的冲击波，并且，冲击波可被引向患者的细胞，从而冲击波导 致粒子使细胞中的一个或更多个破裂。该声学换能器装置能够以高的频率或脉冲速率生成 高功率冲击波。
[0007] 其它的用于生成冲击波的系统可包括电液（EH)波生成器。EH系统一般可传输水 平与其它方法相近的能量，但可被配置为在更宽的区域上传输能量并因此在更短的时间周 期内向目标组织传输更多的冲击波能量。EH系统一般加入电极（即，火花塞）以发起冲击 波。在系统中，当向浸入容纳于外封壳中的处理水中的电极施加电力时，生成高能量冲 击波。当电荷被射击时，少量的水在电极的尖端处被蒸发，并且，蒸发的水的迅速、几乎瞬时 的膨胀生成通过液体水向外传播的冲击波。在一些实施例中，水容纳于椭球体的外壳中。在 这些实施例中，冲击波可从椭球体外壳的两侧弹射并且会聚于与待处理区域的位置一致的 焦点处。
[0008] 例如，美国专利No. 7189209( '209专利）描述了通过施加声学冲击波治疗与骨和 肌肉骨骼环境和软组织相关的病理学病症的方法。'209专利描述了冲击波引起局部创伤和 其中的细胞凋亡，包括微破裂，以及引起诸如细胞补充的成骨细胞反应，刺激分子骨、软骨、 腱，筋膜的形成和软组织形态发生和生长因素，并且引起新生血管形成。' 209专利对其方法 的几个具体实现要求权利。例如，'209专利对治疗糖尿病足溃疡或压疮的方法要求权利，该 方法包括：在患者体内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；对 整个定位的部位聚焦声学冲击波；每个治疗向定位的部位施加多于500~约2500个声学冲 击波，以引起微损伤和更多的血管形成，由此引起或者加速愈合。'209专利公开了频率范 围为约0. 5~4赫兹和每个治疗部位施加约300~2500或约500~8000个声学冲击波， 这可能会导致每个治疗部位的治疗时间和/或所有部位的"每次治疗总时间"过长。例如， '209专利公开了不同例子的每次治疗总时间的范围为20分钟~3小时。
[0009] 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 效果的另一例子。'572专利描述了增加骨的密度和强度（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、准直化的纵冲击波，该冲击波根据到冲击波源的距 离具有基本上恒定的强度，并且，所述准直化的冲击波以50-500个大气压的强度被施加到 骨上。'572专利描述了施加未聚焦的冲击波以生成骨的动态反复载荷以增加平均骨密度， 并由此加强骨的抗断裂性。如'572专利所述，"优选在被治疗的骨的相对大的表面上，例如 覆盖10~150cm 2的面积，施加未聚焦的冲击波。冲击波的强度可以为50~500大气压。 每个冲击波如在常规的碎石器中那样具有几微秒的持续期，并优选以每秒1~10冲击波的 频率被施加，每次治疗的周期为5~30分钟。治疗的次数取决于特定患者。"
[0010] 也公开为US 2004/0006288的美国专利申请No. 10/415293('293申请）公开了使 用EH生成冲击波以在组织上提供治疗效果的另一实施例。'293申请公开了用于生成用于 至少部分地使沉积物与血管结构分开的治疗声学冲击波的装置、系统和方法。'293申请描 述了装置能够以约50~约500脉冲每分钟（即，0. 83~8. 33Hz)的脉冲速率生成冲击波， 每个治疗部位的脉冲的数量（关于被治疗的血管的单位长度）为每Icm2约100~5000。
[0011] B.冲击波率
[0012] 现有技术的文献通过使用EH系统展示更快的脉冲速率，以提供可导致组织损伤 的冲击波。例如，在一个研究（Delius, Jordan, & et al，1988) [2]中，对在肾暴露于3000 个冲击波的一组狗检查冲击波对正常的狗肾的影响。这些组的不同仅在于冲击波施加率分 别为IOOHz和1Hz。在24~30小时以后，进行尸检。在肉眼和组织学上，如果冲击波的施 加率为IOOHz (与IHz相对），那么在肾实质（parenchyma)中出现明显更多的肾损害。结果 表明，肾损伤依赖于冲击波施加率。
[0013] 在另一研究（Madbouly & et al，2005) [7]中，与快冲击波碎石率相比，慢冲击波 碎石率（SWL)在更少的总冲击波下与明显更高的成功率相关。在该文中，作者讨论了人们 的研究还如何显示，当使用更慢的速率的试验SWL时，SWL引起肾损伤的发生率或对麻醉的 需求减少。
[0014] 在又一研究（Gillitzer & et al，2009) [5]中，将传输率从60冲击波每分钟减缓 至30冲击波每分钟还在猪模型中的实际血管的完整性上提供戏剧性的保护作用。这些发 现支持降低脉冲速率频率以改善体外震波碎石术的安全性和有效性的潜在策略。
[0015] C.作为粘弹性材料的组织
[0016] 在现有技术中发现的对脉冲速率的敏感性的一个原因可能部分地由于组织的松 弛时间。细胞具有弹性和粘性特性，并因此是粘弹性材料。与大多数的常规材料不同，根据 施加的或内部的应力的程度，细胞的弹性模量是高度非线性的。（Kasza，2007) [6]。一个研 究（Fernandez，2006) [3]提出，成纤维细胞可被模型化为具有表现从线性区到幂律应变硬 化的过渡的交联肌动蛋白网络的凝胶。
[0017] 另一文章（Freund, Colonius, & Evan, 2007) [4]的作者推测许多冲击的累积剪切 具有损伤性并且该机制可能取决于组织是否在冲击之间有足够的时间松弛到非应变状态。 他们的粘性流体模型表明，出现的任何变形恢复几乎在冲击后的第一个〇. 15秒内完成。其 结果是，对于比~6Hz慢的冲击率，他们的细胞损伤机制模型会与冲击率无关。但是，松弛 时间约1秒的间隙材料的实际粘弹性会有望引入其对冲击传输率的敏感性。假定间隙材料 具有~1秒的松弛时间，作者会对低于IHz的传输率预期明显减小的损伤。相反，对于更快 的传输率，损伤应增加。他们的模型意味着减慢传输率和加宽聚焦区均会减少伤害。
【发明内容】
[0018] 对于IHz~IOHz的脉冲速率（PR)，软组织可能从弹性转变为粘性行为。其结果是， 当使用典型的碎石功率水平时，IHz~IOHz的PR下的冲击波对组织的潜在损伤是不可预 测的。可能作为结果，现有技术教导较慢的PR和较大的每次治疗总时间（TTPT)。例如，目 前已知的EH冲击波系统通常传输小于IOHz的PR，并且，需要大的每次治疗总时间（TTPT) (例如，对于甚至单个治疗部位，TTPT周期为几分钟或者甚至几小时）。当治疗要求设备在 多个治疗部位处重新定位时，这可能是典型的情况，TTPT变大，并且，对于许多患者和治疗 要求可能是不现实的。
[0019] 尽管长的治疗时间对于体外冲击波碎石术来说可能是可接受的，但是利用冲击波 以在医疗环境中在组织上提供非碎石治疗效果即使不是不实际也是不理想的。例如，治疗 的成本通常会随着施用治疗所需要的时间而增加（例如，由于劳动、设施和分配给治疗施 用的其他资源成本）。此外，除了成本，在某些时候，向患者提供治疗的持续时间对于接收的 患者和提供治疗的医务人员来说变得难以忍受。
[0020] 本公开包括用于治疗冲击波的电液生成的装置和方法。本冲击波系统和方 法被配置为向组织传输冲击波以在组织上提供可预测的治疗效果，诸如通过更高（例如， 比~IOHz高）地传输冲击波以相对于已知的系统减少TTPT。
[0021] 电液（EH)装置的本实施例可被配置为以受控的方式（例如，通过使用电液火花生 成器和电容/感应线圈火花生成系统）生成高频率冲击波。本脉冲生成（例如，电液火花 电路）可包含一个或更多个EH尖端，并且，通过本电容/感应线圈火花生成系统，可生成 IOHz~5MHz的火花脉冲速率。冲击波可被配置为向组织的目标细胞施加足够的机械应力， 以使目标细胞破裂，并可被传输到患者的某些细胞结构，以用于医疗和/或美容治疗应用。
[0022] 本高脉冲速率（PR)冲击波治疗可被用于在组织上提供可预测的治疗效果，同时 在治疗的部位处具有实际的每次治疗总时间（TTPT)。如果考虑组织的粘弹性本质，那么本 高PR冲击波治疗可被用于在组织上提供可预测的治疗效果。具体而言，利用大于IOHz且 甚至大于IOOHz的PR的冲击波治疗可被用于在组织上提供可预测的治疗效果，原因是，在 那些PR处，组织对于大部分来说在本质上在预测上是粘性的，并且一般不在弹性和粘性状 态之间改变。给定组织在足够大的PR下表现为粘性材料，PR和功率水平可被调整以应对 组织的粘性。当通过使用较高的PR应对组织的粘性本质时，可以使用低功率水平以实现治 疗效果。与低功率水平组合使用较高PR的一个益处在于减少空洞形成，这进一步提高本冲 击波治疗的可预测性。本EH装置和方法的实施例可在没有诸如周围非目标细胞的空洞形 成或热劣化的损伤副作用的情况下提供特定细胞的目标破裂。
[0023] (用于生成治疗冲击波的）本装置的一些实施例包括：限定室腔和冲击波出口的 外壳；设置在室腔中的液体；被配置为被设置在室腔中以限定一个或更多个火花间隙的多 个电极；和被配置为以IOHz~5MHz的速率向多个电极施加电压脉冲的脉冲生成系统；其 中，脉冲生成系统被配置为向多个电极施加电压脉冲，使得液体部分蒸发，以使冲击波传播 通过液体和冲击波出口。
[0024] (用于生成治疗冲击波的）本装置的一些实施例包括：限定室腔和冲击波出口的 外壳，室腔被配置为填充有液体；被设置在室腔中以限定多个火花间隙的多个电极；其中， 多个电极被配置为以IOHz~5MHz的速率从脉冲生成系统接收电压脉冲，使得液体部分蒸 发，以使冲击波传播通过液体和冲击波出口。
[0025] (用于生成治疗冲击波的）本装置的一些实施例包括：限定室腔和冲击波出口的 外壳，室腔被配置为填充有液体；被设置在室腔中以限定一个或更多个火花间隙的多个电 极；其中，多个电极被配置为从脉冲生成系统接收电压脉冲，使得液体部分蒸发，以使冲击 波传播通过液体和冲击波出口，以及，外壳包含被配置为允许用户观看患者的包含目标细 胞的区域的半透明或透明窗口。
[0026] 在本装置的一些实施例中，多个电极对通过窗口和冲击波出口观看一区域的用户 来说是不可见的。一些实施例还包括：设置在窗口与多个电极之间的光学屏蔽件。在一些 实施例中，多个电极从延伸通过窗口和冲击波出口的光学路径偏移。一些实施例还包括：被 配置为从多个电极向冲击波出口反射冲击波的声学反射镜。在一些实施例中，声学反射镜 包含玻璃。在一些实施例中，一个或更多个火花间隙包含多个火花间隙。在一些实施例中， 多个电极被配置为以可去除的方式与脉冲生成系统耦合。在一些实施例中，外壳是可替换 的。
[0027] 本装置的一些实施例还包括：火花模块，该火花模块包含：被配置为可释放地耦 合火花模块与外壳的侧壁；其中，多个电极与侧壁耦合，使得，如果火花模块与外壳耦合，则 多个电极设置在室腔中。在一些实施例中，侧壁包含聚合物。在一些实施例中，火花模块的 侧壁被配置为与外壳协作以限定室腔。在一些实施例中，侧壁限定其中设置多个电极的火 花室腔，火花室腔被配置为填充有液体，并且，侧壁的至少一部分被配置为从火花室腔中的 液体向外壳的室腔中的液体传送冲击波。在一些实施例中，火花模块的侧壁包含销钉、沟槽 或螺纹中的至少之一，并且，外壳包含相应的沟槽、销钉或螺纹中的至少之一，以可释放地 耦合火花模块与外壳。在一些实施例中，外壳包含被配置为当火花模块与外壳耦合时与室 腔流体连通的第一液体连接器，并且，火花模块的侧壁包含当火花模块与外壳耦合时与室 腔流体连通的第二液体连接器。在本装置的一些实施例中，外壳还包含两个液体连接器。一 些实施例还包括：液体储存器；和被配置为通过两个液体连接器将液体从储存器循环到外 壳的室腔的栗。
[0028] 在本装置的一些实施例中，脉冲生成系统被配置为以20Hz~200Hz的速率向多个 电极施加电压脉冲。在一些实施例中，脉冲生成系统被配置为以50Hz~200Hz的速率向多 个电极施加电压脉冲。在一些实施例中，脉冲生成系统包含：第一电容/感应线圈电路，该 第一电容/感应线圈电路包含：被配置为放电以施加电压脉冲中的至少一些的感应线圈； 开关；和电容器，其中，电容器和开关并联耦合于感应线圈与电流源之间。在一些实施例中， 脉冲生成系统包含：与第一电容/感应线圈电路类似的第二电容/感应线圈电路；和被配 置为协调第一和第二电容/感应线圈电路中的每一个的感应线圈的放电的定时单元。
[0029] 本装置的一些实施例包括：火花模块，该火花模块包含：被配置为可释放地耦合 火花模块与探针的侧壁；设置在侧壁的第一侧并且限定一个或更多个火花间隙的多个电 极；和与多个电极电气连通并且被配置为可释放地连接电极与脉冲生成系统以跨着一个或 更多个火花间隙生成火花的多个电连接器。在一些实施例中，侧壁包含聚合物。在一些实 施例中，侧壁包含被配置为通过侧壁连通液体的液体连接器。在一些实施例中，侧壁限定其 中设置多个电极的火花室腔，火花室腔被配置为填充有液体，并且，侧壁的至少一部分被配 置为从火花室腔中的液体向外壳的室腔中的液体传送冲击波。在一些实施例中，火花模块 还包含与火花室腔流体连通的一个或更多个液体连接器，使得火花室腔能够被填充液体。 在一些实施例中，一个或更多个液体连接器包含可通过火花室腔循环液体的两个液体连接 器。在一些实施例中，侧壁被配置为可释放地耦合火花模块与具有室腔的探针，使得电极被 设置在探针的室腔内。在一些实施例中，侧壁和探针协作以限定室腔。在一些实施例中，火 花模块还包含与探针的室腔流体连通的一个或更多个液体连接器，使得探针的室腔能够通 过一个或更多个液体连接器被填充液体。在一些实施例中，一个或更多个液体连接器包含 两个液体连接器，经由这两个液体连接器，可通过探针的室腔循环液体。在一些实施例中， 火花模块包含被配置为当火花模块与探针耦合时与室腔流体连通的第一液体连接器，并 且，探针包含当火花模块与探针耦合时与室腔流体连通的第二液体连接器。
[0030] 在包含火花模块的本装置的一些实施例中，一个或更多个火花间隙包含多个火花 间隙。在一些实施例中，多个电极包含限定两个火花间隙的三个或四个电极。在一些实施 例中，三个或四个电极包含第一周边电极、与第一电极分开的第二周边电极、和被配置为在 周边电极之间往复移动的一个或两个中央电极。在一些实施例中，火花模块还包含：与一个 或两个中央电极耦合并且被配置为移动以在周边电极之间往复承载一个或两个中央电极 的细长部件。在一些实施例中，一个或两个中央电极包含相互电气连通并且被设置在所述 细长部件的相对侧的两个中央电极。在一些实施例中，所述细长部件被配置为在操作频率 的期望范围内自调整周边电极与一个或两个中央电极之间的火花间隙。在一些实施例中， 操作频率的期望范围为IOHz~5MHz。在一些实施例中，所述细长部件与侧壁枢轴耦合，并 且，通过一个或更多个弹簧臂向着初始位置被偏置。在一些实施例中，细长部件和一个或更 多个弹簧臂被配置为在操作频率的期望范围内确定火花模块的脉冲速率。在一些实施例 中，操作频率的期望范围为IOHz~5MHz。在一些实施例中，装置被配置为在电极淹没于液 体中的同时在电极之间排放电气脉冲，使得细长部件的移动自动地并且交替地调整一个或 两个中央电极与周边电极中的每一个之间的火花间隙。在一些实施例中，细长部件包含具 有以固定关系与侧壁耦合的基体的弹性梁。在一些实施例中，弹性梁被配置为确定在期望 的操作条件下火花模块的脉冲速率。在一些实施例中，所述装置被配置为在电极淹没于液 体中的同时在电极之间排放电气脉冲，使得弹性梁的移动自动地并且交替地调整一个或两 个中央电极与周边电极中的每一个之间的火花间隙。
[0031] 在包含火花模块的本装置的一些实施例中，火花模块的侧壁包含销钉、沟槽或螺 纹中的至少之一，并且，被配置为与探针耦合，该探针包含相应的沟槽、销钉或螺纹中的至 少之一，以可释放地耦合火花模块与外壳。一些实施例还包括：探针，探针被配置为与火花 模块耦合，使得多个电极被设置在能够被填充液体的室腔中，并且，使得起源于电极处的冲 击波行进通过装置的冲击波出口。在一些实施例中，室腔被填充液体。在一些实施例中，探 针不限定另外的室腔，使得火花室腔是起源于电极处的冲击波所传播通过的唯一的室腔。 在一些实施例中，探针限定第二室腔，如果火花模块与探针耦合，则火花室腔被设置在该第 二室腔内。在一些实施例中，探针包含被配置为与火花模块的多个电连接器耦合的多个电 连接器。在一些实施例中，探针包含被配置为与火花模块的一个或更多个液体连接器耦合 的一个或更多个液体连接器。在一些实施例中，探针包含被配置为与火花模块的两个液体 连接器耦合的两个液体连接器。在一些实施例中，火花模块被配置为与探针耦合，使得，当 火花模块与探针耦合时，火花模块的电气和液体连接器与探针的相应电气和液体连接器同 时连接。在一些实施例中，探针包含被配置为与火花模块的一个或更多个液体连接器耦合 的一个或更多个液体连接器。在一些实施例中，探针包含具有两个或更多个电导体和用于 连通液体的两个管腔的组合连接，组合连接被配置为与具有两个或更多个电导体和用于连 通液体的两个管腔的组合系链或线缆耦合。在一些实施例中，组合连接被配置为可去除地 与组合系链或线缆耦合。
[0032] 在包含火花部件的本装置的一些实施例中，探针包含外壳，该外壳具有被配置为 允许用户观看患者的包含目标细胞的区域的半透明或透明窗口。在一些实施例中，如果火 花模块与探针耦合，那么多个电极对通过窗口和冲击波出口观看一区域的用户来说是不可 见的。一些实施例还包括：设置在窗口与多个电极之间的光学屏蔽件。在一些实施例中，光 学屏蔽件包含在存在亮光的情况下变暗或者