本發(fā)明屬于醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀。

背景技術(shù)：

骨質(zhì)疏松癥是一種全身性的骨代謝障礙性疾病，主要表現(xiàn)為骨量流失和骨組織結(jié)構(gòu)退化，致使骨脆性增加，骨強(qiáng)度和彈性下降，最終導(dǎo)致骨折發(fā)生的危險(xiǎn)性升高。其后果嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生脆性骨折，導(dǎo)致患者失去生活自理能力。容易發(fā)生骨質(zhì)疏松的部位主要有髖部、椎骨、腕部、肱骨等部位。據(jù)估計(jì)全球已有2億多人受骨質(zhì)疏松癥的困擾，40％的白人絕經(jīng)女性均患有骨質(zhì)疏松癥。因此，研究骨質(zhì)疏松癥的治療方法和治療系統(tǒng)具有重要意義。

現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于骨質(zhì)疏松癥的治療方法均存在一定的問(wèn)題和缺陷。傳統(tǒng)的藥物治療手段療效不穩(wěn)定，且藥物治療通常具有全身性，副作用大。運(yùn)動(dòng)療法對(duì)于已經(jīng)患有骨質(zhì)疏松癥的患者來(lái)說(shuō)，效果微弱且風(fēng)險(xiǎn)較大。全身性震動(dòng)療法，無(wú)法治療局部骨流失，且設(shè)備復(fù)雜，治療效果不穩(wěn)定。

發(fā)明人的研究和實(shí)驗(yàn)表明，低強(qiáng)度脈沖超聲(lipus)對(duì)治療骨質(zhì)疏松具有良好的效果，并且具有非侵入、無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)電離輻射、能夠局部治療的特點(diǎn)。但是據(jù)發(fā)明人了解，目前市場(chǎng)上尚沒(méi)有利用低強(qiáng)度脈沖超聲治療骨質(zhì)疏松的設(shè)備。雖然現(xiàn)有技術(shù)中存在利用超聲治療骨折的骨折治療儀，但骨質(zhì)疏松和骨折具有顯著的區(qū)別。由于骨折發(fā)生在局部，骨折治療儀通常采用單晶圓聚焦探頭，并且直接將探頭貼在皮膚上，從而使治療部位處于近場(chǎng)范圍，在聚焦點(diǎn)形成較大的聲強(qiáng)，而在非聚焦點(diǎn)聲強(qiáng)則很弱。而骨質(zhì)疏松是骨骼系統(tǒng)整體的骨質(zhì)降低，因而使用骨折治療儀并不能對(duì)骨質(zhì)疏松進(jìn)行治療。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種全新的采用低強(qiáng)度脈沖超聲治療骨質(zhì)疏松的治療儀。

首先，本發(fā)明的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀包括主機(jī)和探頭，主機(jī)和探頭之間通過(guò)線纜連接，主機(jī)被設(shè)置為用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)出低強(qiáng)度脈沖超聲，探頭被設(shè)置為用于放置在人體的治療部位進(jìn)行治療。優(yōu)選地，本發(fā)明的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀還包括探頭固定裝置，用于將探頭固定在治療部位進(jìn)行治療。

本發(fā)明的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀的探頭包括水囊、探頭外殼、超聲機(jī)構(gòu)和控溫機(jī)構(gòu)。超聲機(jī)構(gòu)和控溫機(jī)構(gòu)都被封裝在水囊中，水囊的上部及四周固定在探頭外殼內(nèi)。

水囊采用與水具有相近聲阻抗且具有生物相容性的薄膜材料制成，具有良好的柔韌性。治療時(shí)，水囊下方涂抹上超聲耦合劑，再壓至治療部位。水囊上設(shè)置有注水口，用于向水囊中注水，注滿水后塞上塞子。水囊在充滿水后隆起，其下部的形狀能夠隨人體的曲線進(jìn)行良好的貼合。

探頭外殼用于保護(hù)水囊，并維持水囊的形態(tài)。水囊的上部及四周通過(guò)粘合劑固定在探頭外殼內(nèi)，探頭外殼的深度大約為3-5cm，優(yōu)選為4cm，從而使得在水囊充滿水后，超聲機(jī)構(gòu)與治療部位之間的距離能夠維持在4cm左右的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)。

超聲機(jī)構(gòu)包括超聲晶元陣列和晶元封裝體，超聲晶元陣列由兩個(gè)以上排列成陣列的超聲晶元組成，以產(chǎn)生能夠覆蓋足夠治療范圍的低強(qiáng)度脈沖超聲。超聲晶元陣列被封裝在晶元封裝體內(nèi)，晶元封裝體采用吸聲材料，以吸收向后方反射的超聲。

控溫機(jī)構(gòu)包括加溫器和溫度傳感器。加溫器用于加熱水溫，溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)水溫，兩者可由主機(jī)控制使得水囊中的水溫保持在合適的區(qū)間，例如32-35攝氏度，優(yōu)選為33-34攝氏度。開始治療時(shí)，加溫器將水囊中的水溫加熱到33-34攝氏度，并在整個(gè)治療過(guò)程中維持該溫度。保持水溫主要起兩個(gè)作用，一是在該溫度下水的聲阻抗達(dá)到與水囊薄膜、人體軟組織最佳的匹配，以盡可能減少超聲在界面上的反射；二是水囊貼在人體皮膚上，在該溫度下起到溫暖治療部位提高治療效果的作用。

本發(fā)明的上述具有水囊和超聲晶元陣列的探頭結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)水囊使得超聲晶元與治療部位之間維持遠(yuǎn)場(chǎng)距離，使超聲聲強(qiáng)在治療區(qū)域分布均勻，實(shí)現(xiàn)對(duì)治療部位的均勻治療。如果不用水囊而直接將超聲晶元貼在治療部位表面，在近場(chǎng)范圍聲強(qiáng)隨距離、位置的變化較大，無(wú)法保證低強(qiáng)度脈沖超聲對(duì)治療部位的均勻治療。

(2)水囊的柔軟性使得水囊與治療部位緊密貼合，從而保證超聲傳導(dǎo)效果。

(3)水囊內(nèi)水溫控制在33-34攝氏度能夠起到最佳的超聲耦合效果，并提高治療效果。

(4)超聲晶元陣列保證了治療的覆蓋范圍。骨質(zhì)疏松的部位通常具有較大的面積，單一探頭的覆蓋范圍難免受限，而如果將探頭直徑做得太大，又會(huì)大大增加遠(yuǎn)場(chǎng)距離，超聲晶元與治療部位的距離會(huì)太遠(yuǎn)(遠(yuǎn)場(chǎng)距離與探頭直徑的平方成正比)。因此，本發(fā)明使用小尺寸晶元構(gòu)成超聲陣列，在增大覆蓋范圍的同時(shí)，又保證了遠(yuǎn)場(chǎng)距離不會(huì)太大，從而達(dá)到了顯著的治療效果。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀的主機(jī)包括人機(jī)接口、arm處理器、fpga(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片、高壓脈沖發(fā)射電路、電熱驅(qū)動(dòng)電路等。主機(jī)可以手持或放置于工作平面，例如桌面。

人機(jī)接口用于用戶與主機(jī)之間的交互，arm處理器用于運(yùn)行軟件程序。用戶通過(guò)人機(jī)接口輸入相應(yīng)的治療參數(shù)，arm處理器根據(jù)治療參數(shù)控制整個(gè)治療流程，并將治療流程圖形化地顯示給用戶。所述治療參數(shù)包括：聲強(qiáng)、中心頻率、脈沖重復(fù)頻率、占空比、治療時(shí)間、水溫等。

所述控制包括控制fpga芯片產(chǎn)生相應(yīng)的控制時(shí)序激勵(lì)高壓脈沖發(fā)射電路，以使得探頭中的超聲機(jī)構(gòu)根據(jù)用戶要求發(fā)射低強(qiáng)度脈沖超聲。具體地，fpga芯片通過(guò)高速io口控制高壓脈沖發(fā)射電路，fpga芯片根據(jù)arm處理器發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)(pll)產(chǎn)生相應(yīng)頻率、相應(yīng)占空比、相應(yīng)重復(fù)頻率的脈沖控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)高壓脈沖發(fā)射電路發(fā)射高壓調(diào)制脈沖，從而驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)射出低強(qiáng)度脈沖超聲信號(hào)。fpga芯片通過(guò)控制高壓脈沖發(fā)射電路中的數(shù)字電位器，對(duì)發(fā)射的脈沖幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而起到控制聲強(qiáng)的作用。

所述控制還包括控制電熱驅(qū)動(dòng)電路讓加溫器升溫，讀取溫度傳感器采集到的溫度值，并根據(jù)采集到的溫度值變化調(diào)整加溫器的開關(guān)及功率大小，從而使得水囊中的水溫始終控制在合適的區(qū)間。

優(yōu)選地，本發(fā)明的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀還包括探頭固定裝置，用于將探頭固定在治療部位進(jìn)行治療。按照治療部位的不同，可制作大小、長(zhǎng)度不同的探頭固定裝置，以治療身體的不同部位。所述治療部位包括但不限于髖部、椎骨、腕部、肱骨等。探頭固定裝置包括親膚織物、探頭固定卡槽、探頭固定卡扣、綁帶、綁帶卡扣等。

其中，親膚織物為柔軟抗菌抗靜電織物，在其中間按照探頭的尺寸開一個(gè)探頭固定卡槽。治療時(shí)，將探頭的水囊外露面向下，放入探頭固定卡槽中，并扣上探頭固定卡扣，從而將探頭固定。

其中，綁帶為具有良好彈性的織物材料制成。將探頭放置于治療部位上后，通過(guò)將左右綁帶圍繞人體的相應(yīng)部位進(jìn)行拉伸，并用卡扣進(jìn)行卡住，從而實(shí)現(xiàn)將探頭牢固固定在相應(yīng)的治療部位上。

骨質(zhì)疏松的超聲治療是一種較新的技術(shù)，本發(fā)明的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀針對(duì)骨質(zhì)疏松的治療采取了創(chuàng)新性的技術(shù)手段，為骨質(zhì)疏松的治療提供了有效的治療系統(tǒng)。

本發(fā)明與現(xiàn)有的超聲骨折治療儀有顯著區(qū)別。由于骨折發(fā)生在局部，骨折治療儀通常采用單晶圓聚焦探頭，并且直接將探頭貼在皮膚上，從而使治療部位處于近場(chǎng)范圍，在聚焦點(diǎn)形成較大的聲強(qiáng)，而在非聚焦點(diǎn)聲強(qiáng)很弱。而骨質(zhì)疏松是骨骼系統(tǒng)整體的骨質(zhì)降低，因此本發(fā)明的骨質(zhì)疏松治療儀，采用了非聚焦超聲晶圓構(gòu)成陣列，以覆蓋大范圍的骨質(zhì)疏松治療區(qū)域。并且采用水囊以維持遠(yuǎn)場(chǎng)距離，從而保證整個(gè)治療區(qū)域能夠接收均勻的超聲聲強(qiáng)。由于整個(gè)骨質(zhì)疏松部位均勻吸收了超聲波的能量，本發(fā)明的骨質(zhì)疏松治療儀在發(fā)射功率、脈沖重復(fù)頻率和治療時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)上都顯著高于現(xiàn)有的骨折治療儀。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀的主機(jī)和探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀的超聲晶元陣列的排布示意圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀的探頭固定裝置的示意圖。

其中，各附圖標(biāo)記表示的含義如下：1-主機(jī)，11-人機(jī)接口，12-arm處理器，13-fpga芯片，14-高壓脈沖發(fā)射電路，15-電熱驅(qū)動(dòng)電路；2-探頭，21-探頭外殼，22-超聲晶元陣列，23-晶元封裝體，24-加溫器，25-溫度傳感器，26-水囊，27-注水口，28-超聲耦合劑；3-探頭固定裝置，31-親膚織物，32-探頭固定卡槽，33-探頭固定卡扣，34-綁帶，35-綁帶卡扣。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，下述的實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀包括主機(jī)1和探頭2，主機(jī)1與探頭2之間通過(guò)線纜連接，主機(jī)1可以手持或放置于桌面。主機(jī)1用于控制整個(gè)治療過(guò)程，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)探頭2發(fā)出低強(qiáng)度脈沖超聲。

探頭2包括探頭外殼21，超聲晶元陣列22，晶元封裝體23，加溫器24，溫度傳感器25，水囊26，注水口27等，超聲耦合劑28在治療時(shí)涂抹于水囊26下方的露出面。

在本實(shí)施例中，超聲晶元采用直徑為2cm的壓電陶瓷片。如圖2所示，超聲晶元以1cm為間隔，排列成2×4形式的陣列，構(gòu)成超聲晶元陣列22，從而覆蓋足夠的治療范圍。超聲晶元陣列22被封裝在晶元封裝體23內(nèi)，晶元封裝體23采用復(fù)合吸聲背材，以吸收超聲向后方的反射。加溫器24采用帶熱電保護(hù)的電極式加熱器，溫度傳感器25采用防水的熱電偶式傳感器。超聲晶元陣列22、晶元封裝體23、加溫器24、溫度傳感器25都被封裝在水囊26中。探頭外殼21采用堅(jiān)硬的塑料材質(zhì)，用于保護(hù)水囊26，并維持水囊26的形態(tài)。注水口27直徑為2.5cm，采用橡膠材質(zhì)的注水口塞。

在本實(shí)施例中，水囊26采用與水具有相近聲阻抗且具有生物相容性的薄膜材料制成，具有良好的柔韌性。治療時(shí)，水囊26下方抹上醫(yī)用的超聲耦合劑28，再壓至治療部位，水囊26形狀能夠隨人體的曲線進(jìn)行良好貼合。水囊26的上半部及四周通過(guò)粘合劑固定在探頭外殼21內(nèi)。

在本實(shí)施例中，探頭外殼21的深度為4cm，晶元封裝體23厚度為1cm，水囊26在充滿水后隆起，從探頭外殼21突出1-2cm左右。因此，超聲晶元陣列22與治療部位之間的距離能夠維持在4-5cm左右。在本實(shí)施例中，采用1.5mhz中心頻率的超聲晶元，對(duì)應(yīng)的發(fā)射激勵(lì)信號(hào)同樣為1.5mhz。根據(jù)超聲晶元的直徑(2cm)、晶元中心頻率及聲速，可以計(jì)算出遠(yuǎn)場(chǎng)距離為大于4cm。因此，治療部位位于探頭2的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍。在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)，聲強(qiáng)分布較為均勻，能夠保證對(duì)治療部位的均勻治療。

在本實(shí)施例中，當(dāng)開始治療時(shí)，加溫器24將水溫加熱到33-34攝氏度，通過(guò)溫度傳感器25測(cè)量溫度，從而形成反饋控制，在整個(gè)治療過(guò)程中維持該水溫范圍。保持該水溫主要起兩個(gè)作用：一是在該溫度下水的聲阻抗達(dá)到與水囊薄膜、人體軟組織最佳的匹配，最大程度減少超聲在界面上的反射；二是水囊26貼在人體皮膚上，起到溫暖治療部位提高治療效果的作用。

在本實(shí)施例中，主機(jī)1包括人機(jī)接口11、arm處理器12、fpga芯片13、高壓脈沖發(fā)射電路14、電熱驅(qū)動(dòng)電路15等。

在本實(shí)施例中，arm處理器12采用三星公司armcortex-a9內(nèi)核處理器，其上運(yùn)行軟件程序。人機(jī)接口11包括10.1英寸lcd顯示器、觸摸屏和鼠標(biāo)鍵盤。用戶通過(guò)人機(jī)接口11輸入相應(yīng)的治療參數(shù)。arm處理器12根據(jù)治療參數(shù)控制整個(gè)治療流程，并將治療流程圖形化地顯示給用戶。

在本實(shí)施例中，arm處理器12通過(guò)高速串行總線與fpga芯片13進(jìn)行通信。控制fpga芯片13產(chǎn)生相應(yīng)的控制時(shí)序激勵(lì)高壓脈沖發(fā)射電路14；并控制電熱驅(qū)動(dòng)電路15使加溫器24升溫，讀取溫度傳感器25采集到的溫度值。

在本實(shí)施例中，fpga芯片13采用xinlinx公司的spartan6型fpga芯片，高壓脈沖發(fā)射電路14采用八通道的高壓脈沖發(fā)射芯片。fpga芯片13通過(guò)高速io口控制高壓脈沖發(fā)射電路14。fpga芯片13根據(jù)arm處理器12發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)(pll)產(chǎn)生相應(yīng)頻率、相應(yīng)占空比、相應(yīng)重復(fù)頻率的脈沖控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)高壓脈沖發(fā)射電路14發(fā)射高壓調(diào)制脈沖，從而驅(qū)動(dòng)探頭2發(fā)射出低強(qiáng)度脈沖超聲信號(hào)。fpga芯片13通過(guò)控制高壓脈沖發(fā)射電路14中的數(shù)字電位器，對(duì)發(fā)射的脈沖幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而起到控制聲強(qiáng)的作用。

在本實(shí)施例中，治療參數(shù)包括：聲強(qiáng)、中心頻率、脈沖重復(fù)頻率、占空比、治療時(shí)間、水溫等。聲強(qiáng)可調(diào)范圍為0-1000mw/cm²，中心頻率為1mhz、1.5mhz、2mhz等可選，脈沖重復(fù)頻率10-10khz可調(diào)，占空比0％-100％可調(diào)。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，低強(qiáng)度脈沖超聲骨質(zhì)疏松治療儀還包括如圖3所示的探頭固定裝置3，用于將探頭2固定在人體的治療部位。

探頭固定裝置3包括親膚織物31、探頭固定卡槽32、探頭固定卡扣33、綁帶34、綁帶卡扣35等。

在本實(shí)施例中，親膚織物31采用抗菌棉織物，在其中間按照探頭2的尺寸開一個(gè)相應(yīng)的探頭固定卡槽32。治療時(shí)，將探頭2的水囊26外露面向下，放入探頭固定卡槽32中，并扣上探頭固定卡扣33，從而將探頭2固定牢固。探頭固定卡扣33采用硬塑料材質(zhì)。

在本實(shí)施例中，綁帶34采用抗菌棉和滌綸混合織物，具有較大伸縮性。將探頭2放置于治療部位上后，通過(guò)將左右兩邊的綁帶34圍繞人體的相應(yīng)部位進(jìn)行拉伸，并用綁帶卡扣35進(jìn)行卡住，從而實(shí)現(xiàn)將探頭2牢固固定在治療部位之上。綁帶卡扣35采用雙縫皮帶結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，按照治療部位的不同可制作大小、長(zhǎng)度不同的探頭固定裝置3，以便將探頭2固定在身體的不同部位。這些治療部位包括但不限于髖部、椎骨、腕部、肱骨等部位。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的試驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。