專利名稱：一種部分可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置及超聲波加載方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種部分可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置及超聲波加載方法， 屬于物理學(xué)和生物學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲波已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)工作，形成了一個獨(dú)立的門類；超聲醫(yī)學(xué)。目前，超聲醫(yī)學(xué)主要包含超聲診斷、超聲治療和超聲醫(yī)學(xué)工程等方面。頻率為500到2500kHz的超聲波具有一定的治療作用，在理療中常用的頻率一般為800 1000 kHz。隨著人們對超聲波的認(rèn)識，超聲波在醫(yī)學(xué)臨床和科研領(lǐng)域具有越來越廣泛的應(yīng)用和探索。超聲波對人體的各部位的組織器官具有明顯的作用效果。目前的研究認(rèn)為高強(qiáng)度、大劑量超聲會起到抑制或破壞作用，造成組織形態(tài)學(xué)上的不可逆性變化；低強(qiáng)度、中小劑量超聲起刺激、調(diào)節(jié)作用，不引起或僅引起輕微的可逆性組織形態(tài)學(xué)變化。因此，目前對超聲波的臨床應(yīng)用研究多集中在對低強(qiáng)度超聲的研究上。其中神經(jīng)系統(tǒng)對超聲特別敏感， 低強(qiáng)度超聲波能使神經(jīng)興奮性降低，傳導(dǎo)速度減慢；高強(qiáng)度的超聲波作用于末梢神經(jīng)可引起血管麻痹、組織細(xì)胞缺氧繼而壞死。對于骨骼系統(tǒng)，低強(qiáng)度超聲波多次投射可以促進(jìn)骨骼生長及骨癡形成。超聲對生殖系統(tǒng)的影響與劑量等條件有關(guān)，低強(qiáng)度超聲可以對卵巢功能產(chǎn)生刺激作用。對肌肉系統(tǒng)，低強(qiáng)度超聲可使肌纖維松弛、張力降低，從而起到解痙作用。對于結(jié)締組織，低強(qiáng)度超聲波可以促進(jìn)組織損傷傷口結(jié)締組織的增長，但是對于過長的結(jié)締組織具有消散作用。最近，對于超聲波促進(jìn)、誘導(dǎo)細(xì)胞分化的作用越來越引起廣大學(xué)者的重視。已有研究表明，低強(qiáng)度脈沖超聲，可以誘導(dǎo)干細(xì)胞成軟骨分化和成骨分化，尤其是在成軟骨分化中，具有明顯的促進(jìn)作用。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有少量研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度超聲波可以促進(jìn)正畸牙移動；誘導(dǎo)髁突的生長發(fā)育以及促進(jìn)牙周組織的再生。在臨床藥學(xué)領(lǐng)域，超聲波已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制藥、控制藥物釋放等領(lǐng)域。隨著對超聲波研究的開展和深入，研究者發(fā)現(xiàn)，超聲波的性質(zhì)與其生物學(xué)效應(yīng)有著密不可分關(guān)系。在以往的研究文獻(xiàn)中，研究中多使用商品化儀器，或者是簡單的自制發(fā)生裝置進(jìn)行研究，只能對影響超聲波生物學(xué)性能的部分參數(shù)在一定范圍內(nèi)研究。不同的研究、使用不同的研究設(shè)備，導(dǎo)致研究結(jié)果各種各樣。因此，迫切的需要研究各種參數(shù)設(shè)計(jì)下的超聲波生物學(xué)效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置以及超聲波加載方法，其特點(diǎn)是在體內(nèi)、體外對實(shí)驗(yàn)對象在指定的條件下進(jìn)行超聲波加載，對加載的超聲波的超聲波加載時間、脈沖重復(fù)頻率、超聲波輸出功率、占空比進(jìn)行定量控制。它具有界面友好、性能穩(wěn)定、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所用的超聲波加載裝置是部分可調(diào)式超聲波加載裝置，用來全面研究和對比在生物安全范圍內(nèi)的超聲波生物學(xué)效應(yīng)的不同。系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和要求，在顯示單元直視下，通過控制單元調(diào)節(jié)各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。體外實(shí)驗(yàn)中，在細(xì)胞培養(yǎng)孵箱內(nèi)將培養(yǎng)板放置于超聲波發(fā)射面上，在超聲波發(fā)射面和受試培養(yǎng)板底部之間使用醫(yī)用超聲波耦合劑以確保超聲波能夠傳遞到受試體；在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，將超聲機(jī)構(gòu)固定于已備皮的受試部位，同樣使用醫(yī)用超聲波耦合劑以確保超聲波的傳遞。按下開始按鈕，控制單元控制驅(qū)動單元，通過將固定頻率的波電信號放大，驅(qū)動陶瓷換能器形成震蕩，發(fā)出超聲波， 作用于受試體。發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)
該裝置分為主機(jī)和兩把超聲輸出槍。主機(jī)包含殼體鈑金、電源系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲發(fā)生與驅(qū)動系統(tǒng)、阻抗匹配系統(tǒng)。超聲輸出頭包含連接線、快速連接器、超聲換能器。其大小設(shè)定為3cm，有效超聲發(fā)射面積為7cm2，適用于大多數(shù)體外實(shí)驗(yàn)研究所使用的孔板尺寸。同時，超聲機(jī)構(gòu)小巧靈活，可以方便的應(yīng)用于體內(nèi)的超聲波干預(yù)。在本設(shè)備中，殼體鈑金承載主機(jī)的其他系統(tǒng)。電源系統(tǒng)與控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和超聲發(fā)生與驅(qū)動系統(tǒng)相連，為其提供供電?？刂葡到y(tǒng)控制超聲發(fā)生與驅(qū)動，并將必要的信息通過顯示系統(tǒng)顯示出來。超聲發(fā)生與驅(qū)動系統(tǒng)主要是通過振蕩電路產(chǎn)生超聲波，并通過放大驅(qū)動電路進(jìn)行放大，以驅(qū)動超生換能器。阻抗匹配系統(tǒng)為無源阻抗匹配系統(tǒng)，它使得電路工作在最優(yōu)狀態(tài)。超聲輸出頭通過快速連接器與主機(jī)的阻抗匹配系統(tǒng)連接在一起，通過同軸連接線連接到超生換能器上，超聲換能器接收到超聲驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)過阻抗匹配后的驅(qū)動信號，發(fā)出超聲波，達(dá)到超聲干預(yù)的目的。部分可調(diào)式超聲波加載裝置的超聲波加載方法包括以下步驟
(1)接通電源，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)試各相關(guān)參數(shù)；
(2)將超聲波輸出頭固定在泡沫支架上，放置足夠偶聯(lián)劑在工作頭的工作面上。將體外受試細(xì)胞、組織連同培養(yǎng)皿放置在工作面相對應(yīng)的位置上；或者將超聲波輸出頭的工作面固定在體內(nèi)研究動物的研究部位；
(3)按下開始按鈕，通過控制系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)控，控制超聲波輸出頭產(chǎn)生所需要的特定超聲波，達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.本裝置將系統(tǒng)分成兩個部分，互相以導(dǎo)線連接，做到遠(yuǎn)程操作，能夠在不影響整個培養(yǎng)系統(tǒng)連續(xù)性的前提下，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適時調(diào)控；
2.采用控制系統(tǒng)來控制加載的超聲波加載時間、脈沖重復(fù)頻率、超聲波輸出功率以及占空比；
3.友好控制面板也使得操作簡便；能夠準(zhǔn)確地控制各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)過程可根據(jù)需要設(shè)定。


圖1為部分可調(diào)式超聲波加載裝置各組成部分關(guān)系圖2為控制面板結(jié)構(gòu)圖 1顯示屏，2時間頻率選擇指示燈，3占空比指示燈，4持續(xù)脈沖指示燈，5通道AB輸出指示燈，6通道AB輸出插座，7通道B輸出控制開關(guān)，8通道A輸出控制開關(guān)，9連續(xù)/脈沖選擇開關(guān)，10占空比選擇開關(guān)，11時間頻率選擇開關(guān)，12能量調(diào)節(jié)旋鈕，13時間/頻率調(diào)節(jié)旋鈕； 圖3為主機(jī)外觀圖； 圖4為超聲輸出槍外觀圖； 圖5為體外實(shí)驗(yàn)研究超聲波對成軟骨分化的作用；
圖6為體外超聲波對骨髓基質(zhì)干細(xì)胞成軟骨分化的作用效果。A比較LIPUS and TGF-β 對間充質(zhì)干細(xì)胞collagen type II alpha 1基因表達(dá)的影響，B比較LIPUS and TGF-β對間充質(zhì)干細(xì)胞aggrecan基因表達(dá)的影響，C比較LIPUS and TGF-β對間充質(zhì)干細(xì)胞S0X9 基因表達(dá)的影響。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。實(shí)施例
部分可調(diào)式超聲波加載裝置包括主機(jī)和兩把超聲輸出槍。主機(jī)包含殼體鈑金、電源系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲發(fā)生與驅(qū)動系統(tǒng)、阻抗匹配系統(tǒng)。超聲輸出頭包含連接線、快速連接器、超聲換能器。驅(qū)動電源與驅(qū)動單元和磁場機(jī)構(gòu)連接，驅(qū)動單元直接與磁場機(jī)構(gòu)連接?？刂齐娫磁c控制單元和顯示單元連接，控制單元與驅(qū)動單元和顯示單元連接。殼體鈑金承載主機(jī)的其他系統(tǒng)。電源系統(tǒng)與控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和超聲發(fā)生與驅(qū)動系統(tǒng)相連，為其提供供電。控制系統(tǒng)控制超聲發(fā)生與驅(qū)動，并將必要的信息通過顯示系統(tǒng)顯示出來。超聲發(fā)生與驅(qū)動系統(tǒng)主要是通過振蕩電路產(chǎn)生超聲波，并通過放大驅(qū)動電路進(jìn)行放大，以驅(qū)動超生換能器。阻抗匹配系統(tǒng)為無源阻抗匹配系統(tǒng)，它使得電路工作在最優(yōu)狀態(tài)。超聲輸出頭通過快速連接器與主機(jī)的阻抗匹配系統(tǒng)連接在一起，通過同軸連接線連接到超生換能器上，超聲換能器接收到超聲驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)過阻抗匹配后的驅(qū)動信號，發(fā)出超聲波，達(dá)到超聲干預(yù)的目的。部分可調(diào)式超聲波加載裝置的超聲波加載方法包括以下步驟
(1)接通電源，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)試各相關(guān)超聲波加載參數(shù)；
(2)將超聲波輸出頭固定在泡沫支架上，放置足夠偶聯(lián)劑在工作頭的工作面上。將體外受試細(xì)胞、組織連同培養(yǎng)皿放置在工作面相對應(yīng)的位置上；或者將超聲波輸出頭的工作面固定在體內(nèi)研究動物的研究部位；
(3)按下開始按鈕，通過控制系統(tǒng)精細(xì)調(diào)控產(chǎn)生所需要的超聲波，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。以下為本加載裝置在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)成軟骨分化早期階段對成軟骨分化相關(guān)因子基因表達(dá)的影響
1.實(shí)驗(yàn)細(xì)胞
生長良好的第三代2-3周齡雄性大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞
2.放置細(xì)胞孵箱條件溫度37攝氏度
氣體環(huán)境5%C02和95%空氣混合氣體濕度飽和濕度3.超聲波加載數(shù)據(jù)設(shè)置加載時間20分鐘
超聲頻率1. OMHz 占空比1:4 超聲重復(fù)頻率=IKHz 超聲波輸出功率30mW/cm2
4.實(shí)驗(yàn)流程
收集第三代骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，按照8 X 106/ml的密度將干細(xì)胞均勻懸浮在1. 2%的海藻酸鹽中，制成海藻酸鹽顆粒。在常規(guī)無血清成軟骨培養(yǎng)基中培養(yǎng)。對實(shí)驗(yàn)組施加預(yù)設(shè)好的超聲波干預(yù)，在同樣培養(yǎng)條件下不施加超聲波干預(yù)的作為對照組
5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例
A.實(shí)驗(yàn)分組
空白對照組相同培養(yǎng)基，在同樣培養(yǎng)條件下培養(yǎng)；
陽性對照組在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入lOng/ml的TGF-β誘導(dǎo)成軟骨分化；
實(shí)驗(yàn)組在基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)下，施加預(yù)設(shè)好的超聲波誘導(dǎo)成軟骨分化
B.在電磁場作用下，三維培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化情況
陽性對照組中，成軟骨分化相關(guān)的因子collagen type II alpha 1，aggrecan以及 S0X9基因都發(fā)生了升高，骨髓基質(zhì)干細(xì)胞出現(xiàn)成軟骨分化；
超聲波作用下的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相較空白對照組也發(fā)生了明顯的成軟骨分化的變化，但是其變化趨勢比生長因子TGF-β作用下要小。 本實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，在特定的超聲波作用下，可以促進(jìn)三維培養(yǎng)狀態(tài)下的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞發(fā)生成軟骨分化。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置，其特征在于該裝置包括包括主機(jī)(1) 和兩把超聲輸出槍(2);主機(jī)(1)包含殼體鈑金(la)、電源系統(tǒng)(lb)、顯示系統(tǒng)(lc)、控制系統(tǒng)(Id)、超聲發(fā)生(Ie)與驅(qū)動系統(tǒng)(If)、阻抗匹配系統(tǒng)(Ig)；超聲輸出槍(2)包含連接線 (2a)、快速連接器(2b)、超聲換能器(2c)。
2.如權(quán)利要求1所述部分可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置，其特征在于通過電源系統(tǒng)(Ib)為顯示系統(tǒng)(lc)、控制系統(tǒng)(Id)供電，在不同的調(diào)整狀態(tài)下，可以對部分可能影響超聲波生物學(xué)效應(yīng)的超聲波刺激相關(guān)屬性，在監(jiān)視下直接設(shè)定或調(diào)整，包括超聲波加載時間、脈沖重復(fù)頻率、超聲波輸出功率、占空比、超聲波加載時間。
3.如權(quán)利1所述部分可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置，其特征在于超聲輸出槍 (2)直徑大小設(shè)定為3cm，有效超聲發(fā)射面積為7cm2，適用于大多數(shù)體外實(shí)驗(yàn)研究所使用的孔板尺寸；同時，超聲機(jī)構(gòu)小巧靈活，可以方便的應(yīng)用于體內(nèi)的超聲波干預(yù)。
4.如權(quán)利要求1一3所述可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置的加載方法，其特征在于(1)接通電源，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)試各相關(guān)超聲波參數(shù)；(2)將超聲輸出槍(2)的超聲發(fā)射面固定在培養(yǎng)有體外受試細(xì)胞、組織的培養(yǎng)皿下方， 或者將超聲輸出槍(2)固定在體內(nèi)研究動物的研究部位；超聲輸出槍(2)的超聲波發(fā)射面與受試部位之間采用醫(yī)用超聲波耦合劑，確保聲通道暢通；(3)按下開始按鈕，通過控制電路精細(xì)調(diào)控驅(qū)動電路，控制超聲波單元產(chǎn)生所需要的超聲波，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種部分可調(diào)式超聲波生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加載裝置及體內(nèi)、體外超聲波加載方法其特點(diǎn)是該裝置包括主機(jī)(1)和兩把超聲輸出槍(2)，主機(jī)(1)包含殼體鈑金(1a)、電源系統(tǒng)(1b)、顯示系統(tǒng)(1c)、控制系統(tǒng)(1d)、超聲發(fā)生(1e)與驅(qū)動系統(tǒng)(1f)、阻抗匹配系統(tǒng)(1g)。超聲輸出槍(2)包含連接線(2a)、快速連接器(2b)、超聲換能器(2c)，其優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)需要對部分超聲波參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時具有適宜的、有利于體外實(shí)驗(yàn)的超聲波輸出槍尺寸。
文檔編號A61B19/00GK102169108SQ201110004818
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者唐娜, 李 東, 李娟 , 譚理軍, 趙志河 申請人:四川大學(xué)