УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ЛЕЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК A61B8/08 A61B8/00 

Изобретение относится к устройствам (приборам) для ультразвукового терапевтического лечения.

Применение ультразвука в диагностической аппаратуре и терапевтическом лечении специфических медицинских состояний широко освещалось в технической литературе в последние 20-30 лет. Однако не было обнаружено рекомендаций по использованию частот в диапазоне 30-100 кГц. В описанных случаях использования ультразвука в терапии последний используется исключительно в МГц-диапазоне. Это происходит из общего представления, что ультразвуковая энергия должна быть направлена в определенную область тканей и что это лучше достигается точно сфокусированным лучом, а это в свою очередь диктует использование высоких частот. Подобные аргументы применяются при выборе частот ультразвука. Например, длина волны при прохождении 3 МГц через мягкие ткани составляет около 0,5 мм, а при 40 кГц длина волны была бы приблизительно 37,5 мм.

Кроме того, известно, что затухание ультразвуковых волн возрастает с увеличением частоты. Общий эффект при прохождении высокой частоты - относительно высокая степень поглощения энергии вблизи входной поверхности и падение эффекта с увеличением глубины. Возможно поэтому считается, что для заданной подводимой мощности имеется большая вероятность потенциально вредных побочных эффектов в тканях вблизи поверхности, чем при низких частотах. При лечении глубоких повреждений тканей это становится очень важным для того, чтобы передать достаточно энергии в нужную область, риск чрезмерного поглощения в поверхностных слоях может стать слишком высоким при применении ультразвука в МГц-диапазоне. По этой причине уровни энергии ограничиваются необходимым условием, чтобы подводимая мощность не превышала 3 Вт/см².

При выборе рабочего диапазона частот в пределах 30-130 кГц обеспечивается хорошая проницаемость волн через глубокие мышечные ткани и исключаются частоты, которые известны высоким поглощением в костных тканях. Опыт этого вида терапии выявил необходимость эффективного лечения областей тела, которые по своей природе препятствуют доступу, особенно рук и ног. В таких случаях использование терапевтической головки специальной формы может значительно способствовать лечению поврежденных суставов.

Известно, что при таких условиях повторное циклическое движение лечебной головки по поверхности кожи может быть затруднено и что необходимость исключения образования стоячих волн должна быть решена альтернативными средствами.

Задачей изобретения является решение проблемы доступа источника излучения с одновременным выбором рабочей частоты, которая оптимизирует взаимосвязь между проницаемостью волны, интенсивностью лечения и минимальным риском повреждения тканей.

Согласно изобретению создано устройство для лечения внутренних повреждений мышц или для установления диагноза о переломах (трещинах) костей, характеризующееся тем, что оно содержит пьезоэлектрический элемент, вырабатывающий ультразвуковую энергию с частотой в пределах 20-120 кГц, головку, выполненную с возможностью приложения к поверхности тела, средство для передачи ультразвуковой энергии в головке и через нее в тело. Выбранный диапазон частоты позволяет передать значительно высокие дозы энергии к глубоко расположенным повреждениям без причинения вреда поверхностным тканям, как это могло бы быть в случае использования общепринятого высокочастотного излучения.

Согласно изобретению также предлагаются способы, в соответствии с которыми низкочастотные колебания (вибрация) через литую пластичную головку, обеспечивающую эффективное соединение (сопряжение) с поверхностями неправильной формы, вводятся в ткань с обеспечением распределения энергии по всему намеченному объему ткани.

Головка может быть собрана или отлита из плотных полимеров, в том числе из ацеталя, полипропилена и поликарбоната. Эти и подобные материалы обеспечивают прохождение ультразвука с низкой амплитудой в частотном диапазоне 30-100 кГц с очень низким поглощением энергии. Головка изготавливается из пластических материалов, выбираемых из условия, что их удельное внутреннее сопротивление близко подходило к удельному внутреннему сопротивлению мягких человеческих тканей. Например, ацеталь может быть использован W_{ацеталя} = 1,86 • 10⁶ кг/м^-2•с^-1, W_{мягкихтканей} = 1,65 • 10⁶ кг/м^-2•с^-1. Это обеспечивает хорошую связь, используя любой флюид, который не допускает воздух к поверхности раздела головка/ткань. Следует отметить, что этот подход не может быть использован для излучения в МГц-диапазоне, так как поглощение в материале головки было бы очень высоким на этих частотах.

Клинические испытания устройства показали, что лечение очень эффективно, боль быстро снижается в таких случаях, как растяжение лодыжки (голень-стопа), боли колена, поясницы, шеи, растяжения запястья, спазмы мышц.

Предлагается также способ применения низкочастотных колебаний (вибрации) на поврежденных конечностях для простой проверки наличия трещин.

Наличие тонких трещин обычно определяется с помощью рентгенографии, но если большая часть исследований с помощью рентгеновских лучей оказалась отрицательной, имеется сильный аргумент для проведения простого исследования случаев, представляющих определимые симптомы. Когда ультразвук пропускается через костные ткани, в которых имеются тонкие трещины, волна частично отражается от поверхности раздела между двумя частями кости из-за механического разрыва передающей среды. Часть энергии, однако, поглощается в поврежденном участке, вызывая местное кратковременное чувство боли, которое обеспечивает первоначальное определение трещины. Следует отметить, что эти предварительные проявления могут быть результатом терапевтического лечения, а не специального намерения найти трещину.

На фиг. 1 графически представлены скорость и давление, распределяемые через преобразователь и головку, показывающие амплитуду бегущей волны в головке; на фиг. 2 - пьезоэлектрический преобразователь и головка; на фиг. 3-7 - варианты головок для использования в устройстве, воплощающем изобретение; на фиг. 8 - система электропривода для упомянутых преобразователя и головки; на фиг. 9 - устройство, приспособленное для использования на поврежденной руке.

На фиг. 2 изображен вибратор в виде пьезоэлектрического преобразователя сложной конструкции (PZT сэндвич), включающий в себя затыльник 5, PZT керамические кольца 2 (пьезоэлектрические преобразователи), электрод 3 и выступающую выходную часть 4. Этот вибратор передает волны заданной частоты через пластическую головку 6 заданной формы в ткань 8 через соединительную среду 7.

Фиг. 1 изображает форму волны в системе. Стоячая волна образуется в преобразователе с выходной амплитудой, которая при передаче через головку 6 превращается в бегущую волну с амплитудой ξ_lm. Скорость, давление и амплитуда волны в пластической головке, как видно, являются относительно постоянными в рабочих состояниях. Они поэтому представляют (изображают) амплитуду бегущей волны энергии, передаваемой пациенту. Это условие устанавливается (выполняется) из-за отражения на поверхности раздела головка/ткань.

Форма головки может меняться по меньшей мере как показано на фиг. 3-7. Эта характеристика отражает особые свойства пластмасс, выбранных для конструкции головки, что позволяет точно контролировать частоту и амплитуду. Для преобразователя данных размеров форма и размер головки могут меняться в широких пределах при условии сохранения управляемой выходной мощности.

В работе энергия, передаваемая в ткани, не должна быть в виде стоячих волн, так как это может вызвать чрезмерное местное поглощение. Этого можно просто избежать путем перемещения над поверхностью ткани во время лечения, однако при лечении рук или других труднодоступных участков такое перемещение может сдерживаться формой головки, и альтернативные методы должны использоваться. Широкий диапазон пропускающей характеристики головки позволяет использовать частоту модуляции, получаемой из системы.

Другим преимуществом, которое обеспечивается использованием пластмасс является возможность формовать и отливать головку требуемой формы, чтобы обеспечить максимальный контакт в местах с затрудненным доступом, например на руках или ногах. Например, в тяжелых случаях ревматоидного артрита головка может быть отлита с приданием формы кисти руки, и, когда она держится пациентом, будет происходить общее лечение всех суставов руки одновременно. Это показано на фиг. 10-11. Когда подводимая мощность обеспечивается батарейками или другими транспортируемыми средствами, преобразователь может размещаться в прогулочной трости или палке, рукоятка которой содержит головку.

Изобретение предлагает улучшенные способ и средства для терапевтического лечения глубоко залегающих повреждений мягких тканей с гарантией, что соответствующая мощность будет безопасно подведена в поврежденную область. Оно предлагает новые средства лечения участков (зон) неправильной формы, используя отливаемые или сборные головки, которые обеспечивают хорошую передачу энергии без необходимости пересекать поверхности.

Согласно изобретению предлагается устройство (прибор), которое обеспечивает важное преимущество перед существующей техникой, позволяя управлять мощностью, подводимой к пациенту.

Известно, что интенсивность передаваемого ультразвука I относится к амплитуде перемещения ξ в соответствии с уравнением I = 1/2ρCW²ξO², где ρ - плотность материала головки, C - фазовая скорость, W - угловая скорость, определяемая как 2πf.
Поскольку ρC есть волновое сопротивление материала головки, которое подбирается подходящим к волновому сопротивлению тканей, подлежащих лечению, тогда Iξ².
Если управляют амплитудой перемещения в лечебной головке, то относительно просто получить линейный сигнал, пропорциональный амплитуде перемещения и интенсивности, используя различные усилители. Этот метод обеспечивает значительно большую надежность по сравнению с известными средствами, которые зависят от управления электрическим сигналом в преобразователе. Любые изменения характеристик преобразователя будут вызывать ошибки при измерении мощности.

На фиг. 9 изображена головка, включающая в себя датчик перемещения или акселерометр (измеритель ускорения). Это позволяет определять амплитуду перемещения колебаний, передаваемых пациенту. Результаты измерений могут передаваться к средству индикации для того, чтобы пользователь мог контролировать подводимую мощность.

Выход датчика перемещения может альтернативно использоваться для контроля непосредственно подводимой мощности.

Устройство предназначено для ультразвукового лечения внутренних повреждений мышц и для диагностирования костных трещин. Оно содержит ультразвуковой источник, пьезоэлектрические элементы, головные средства и средства для передачи ультразвуковой энергии через головные средства в тело. К поверхности тела прикладывают энергию с частотой в диапазоне 20 - 120 кГц. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для лечения внутренних повреждений мышц или для диагностирования костных трещин, содержащее источник ультразвуковой энергии, отличающееся тем, что оно содержит пьезоэлектрические элементы, способные вырабатывать ультразвуковую энергию с частотой в диапазоне 20 - 120 кГц, головные средства, приспособленные для прикладывания к поверхности тела, и средства для передачи упомянутой ультразвуковой энергии к головным средствам и посредством последних в тело. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частота выбрана в диапазоне 30 - 100 кГц. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что частота выбрана в диапазоне 40 кГц. 4. Устройство по п. 1, или 2, или 3, отличающееся тем, что головные средства выполнены из материала, способного пропускать ультразвуковые колебания с частотой в диапазоне 20 : 120 кГц, и выполнены в форме, подходящей для данного лечения. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что упомянутые головные средства включают в себя пластичные материалы приданной формы, также, как ацеталь, полипропилен, поликарбонат. 6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что головные средства снабжены датчиками для определения амплитуды перемещения на лечащей поверхности головки. 7. Устройство по п.4 или 5, или 6, отличающееся тем, что упомянутые головные средства выполнены с формой, обеспечивающей охватывание рукой и приспособленной к руке. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что головные средства выполнены в виде рукоятки прогулочной палки или трости, а пьезоэлектрические элементы размещены в самой прогулочной палке или трости. 9. Способ лечения внутренних мышечных повреждений или диагностирования костных трещин, включающий использование ультразвуковой энергии, отличающийся тем, что к поверхности тела, в том числе вмещающей упомянутую кость, прикладывают средства, передающие ультразвуковую энергию с частотой в диапазоне 20 - 120 кГц.