超聲空化云輸運裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲空化云輸運裝置及方法，該裝置包括：換能器，用于將電能轉換為振動能，通過輻射面將振動能發(fā)送給流體，振動能與流體作用后生成第一超聲波；反射面，用于接收第一超聲波，將第一超聲波反射至流體，反射后的第一超聲波與流體作用生成第二超聲波，第二超聲波與第一超聲波形成駐波聲場，駐波聲場作用于流體形成空化云，從而使得進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動。本發(fā)明的超聲空化云輸運裝置及方法實現(xiàn)了在周圍流體靜止的狀態(tài)下仍然能完成顆粒物的輸運，并且能準確地將顆粒物定向輸運和定點釋放到目的地，因此該裝置能將藥物輸送到病灶處，在醫(yī)療領域具有重要的應用價值。
【專利說明】超聲空化云輸運裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及傳質(zhì)領域，尤其涉及一種超聲空化云輸運裝置及方法。
【背景技術】
[0002]如今以實現(xiàn)藥物的定向輸送和定點釋放為目的靶向治療已經(jīng)成為醫(yī)學、尤其是對腫瘤的介入治療的研究熱點，超聲輸運技術在以實現(xiàn)藥物的定向輸送和定點釋放為目的靶向治療領域具有潛在的、巨大的應用前景。
[0003]現(xiàn)有的是超聲微泡造影劑與基因和藥物相結合的方式。超聲微泡造影劑是內(nèi)含氣體的微泡，外殼成分可為白蛋白、脂類、表面活性劑和高分子多聚物等?；蚝退幬锟梢哉掣皆谖⑴荼砻婊蛘甙谖⑴輧?nèi)部。通過靜脈注射，微泡可以達到靶器官或靶組織。在病灶處進行超聲照射，超聲的空化效應使細胞膜的通透性增高，微泡攜帶的基因或藥物進入組織細胞，從而達到治療的目的。但是這種方式定位性能不夠強，因為超聲照射的范圍較廣，真正在病灶處發(fā)揮作用的微泡并不多。而利用空化云輸運技術可以提高藥物輸送的定位精度，增加作用于病灶處的微泡數(shù)量，提高藥物輸送效率，改善治療效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種超聲空化云輸運裝置及方法，該裝置及方法通過換能器將振動能發(fā)送到流體后的超聲波與反射面反射的超聲波形成的駐波聲場，駐波聲場作用于流體形成的空化云，調(diào)節(jié)換能器和反射面的位置和相位來調(diào)整駐波聲場的位置和方向，從而使得進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動，實現(xiàn)了在周圍流體靜止的狀態(tài)下仍然能完成顆粒物的輸運，并且能準確地將顆粒物定向輸運和定點釋放到目的地。
`[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供了一種超聲空化云輸運裝置，該裝置包括:換能器，用于將電能轉換為振動能，通過輻射面將振動能發(fā)送給流體，振動能與流體作用后生成第一超聲波；反射面，用于接收第一超聲波，將第一超聲波反射至流體，反射后的第一超聲波與流體作用生成第二超聲波，第二超聲波與第一超聲波形成駐波聲場，駐波聲場作用于流體形成空化云，從而使得進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動。
[0006]優(yōu)選地，換能器的工作頻率為10kHz-50MHz。
[0007]優(yōu)選地，駐波聲場的振幅為50kPa_200kPa。
[0008]優(yōu)選地，駐波聲場作用于流體形成空化云具體包括:空化云的結構為聲李庭博圖結構。
[0009]優(yōu)選地，顆粒物是固體顆粒、氣泡、不溶于流體的液滴和超聲造影劑。
[0010]本發(fā)明第二方面提供了一種超聲空化云輸運方法，該方法包括:換能器將電能轉換為振動能，通過輻射面將振動能發(fā)送給流體；振動能與流體作用后生成第一超聲波；反射面接收第一超聲波，將第一超聲波反射至流體；反射后的第一超聲波與流體作用生成第二超聲波；第二超聲波與第一超聲波形成駐波聲場；駐波聲場作用于流體形成空化云，從而使得進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動。
[0011]優(yōu)選地，第二超聲波與第一超聲波形成駐波聲場具體包括:調(diào)節(jié)換能器和反射面的位置和相位，從而調(diào)節(jié)第一超聲波和第二超聲波的相位和方向，由此確定第一超聲波和第二超聲波形成駐波聲場的位置和方向。
[0012]優(yōu)選地，進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動具體包括:進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場的低壓力振幅區(qū)域向駐波聲場的高壓力振幅區(qū)域方向在空化z?中運動。
[0013]本發(fā)明帶來的有益效果是:本發(fā)明提供的超聲空化云輸運裝置及方法實現(xiàn)了在周圍流體靜止的狀態(tài)下仍然能完成顆粒物的輸運，并且能準確地將顆粒物定向輸運和定點釋放到目的地，因此該裝置能將藥物輸送到病灶處，在醫(yī)療領域具有重要的應用價值，對腫瘤的介入治療具有潛在的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例一提供的超聲空化云輸運裝置應用于靶向治療的示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置示意圖；
[0016]圖3為本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置產(chǎn)生空化云的原理圖；
[0017]圖4為本發(fā)明實施例二中超聲空化云輸運裝置形成空化云的原理圖；
[0018]圖5為本發(fā)明實施例二中空化云的結構圖；
[0019]圖6為本發(fā)明實施例二中顆粒物在空化云中的運動軌跡；
[0020]圖7為本發(fā)明實施例提供的超聲空化云輸運方法流程圖。
【具體實施方式】
[0021]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0022]本發(fā)明公開了一種超聲空化云輸運裝置及方法，本發(fā)明的超聲空化云輸運裝置通過換能器將振動能發(fā)送到流體后的超聲波與反射面反射的超聲波形成的駐波聲場，駐波聲場作用于流體形成的空化云，調(diào)節(jié)換能器和反射面的位置和相位來調(diào)整駐波聲場的位置和方向，從而使得進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動。實現(xiàn)了在周圍流體靜止的狀態(tài)下，該超聲空化云輸運裝置仍然能完成顆粒物的輸運。該裝置廣泛應用于醫(yī)療領域，能將藥物輸送到病灶處。
[0023]圖1為本發(fā)明實施例一提供的超聲空化云輸運裝置應用于靶向治療的示意圖。如圖1所示，實施例一中的流體13為血液，顆粒物為超聲造影劑。換能器11將電能轉換為振動能，通過換能器11的輻射面將振動能發(fā)送給血液，振動能與血液作用后生成第一超聲波；反射面12接收第一超聲波,將第一超聲波反射至血液,反射后的第一超聲波與血液作用生成第二超聲波，第二超聲波與第一超聲波形成駐波聲場，駐波聲場作用于血液形成空化云，此時進入空化云中的造影劑沿駐波聲場所確定的方向到達病灶處。
[0024]圖2為本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置示意圖。如圖2所示，換能器11主要用于通過輻射面將振動能發(fā)送給流體13，振動能與流體13作用后生成第一超聲波，反射面12用于接收來自 流體13的第一超聲波，并將第一超聲波反射至流體13的這一過程。
[0025]圖3為本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置產(chǎn)生空化云的原理圖。如圖3所示，本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置需要完全浸沒在流體13里，一個超聲空化云輸運裝置里的換能器11至少一個，反射面12至少一個。
[0026]結合圖2和圖3對超聲空化云輸運裝置進行描述，該裝置包括:換能器11和反射面12。
[0027]換能器11通過用護罩包裹后浸沒在流體13里，護罩的作用是為了防止換能器11漏電，換能器11的工作頻率為10kHz-50MHz。當本發(fā)明提供的超聲空化云輸運裝置工作之前，需要先將換能器11完全浸沒在流體13里，然后再啟動換能器11，以防止換能器11因為空載而燒壞。
[0028]由于第二超聲波能量太小會導致無法形成駐波，所以反射面12的邊界最好為硬邊界，這樣可以使第二超聲波的能量衰減較少。根據(jù)具體情況換能器11可以是聚焦換能器，反射面12可以為凹面，因為能量匯聚作用使得第一超聲波和第二超聲波能量增大。在本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置中，反射面12可以是玻璃容器，換能器11完全浸沒在裝有流體13的玻璃容器里，玻璃容器壁就是反射面12。
[0029]流體13可以是水、血液等，類似具有流動性的液體，如果用于醫(yī)療領域進行藥物的定向輸運，流體13多數(shù)為血液。在本發(fā)明實施例二中，流體13優(yōu)選為水溶液。
[0030]換能器11，用于將電能轉換為振動能，通過輻射面將振動能發(fā)送給流體13，振動能與流體13作用后生成第一超聲波。
[0031]具體地，換能器11具體還包括輻射面，換能器11用于將電能轉換為振動能，通過輻射面將振動能發(fā)送給水溶液，振動能與水溶液作用后生成第一超聲波。換能器11的工作頻率為10kHz-50MHz。由于形成空化云的駐波聲場振幅至少為50kPa，高壓力振幅區(qū)域排斥空泡的振幅至少為200kPa，所以駐波聲場的振幅為50kPa_200kPa。
[0032]反射面12，用于接收第一超聲波，將第一超聲波反射至流體13，反射后的第一超聲波與流體13作用生成第二超聲波,第二超聲波與第一超聲波形成駐波聲場,駐波聲場作用于流體13形成空化云，從而使得進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動。
[0033]具體地，反射面12用于接收來自流體13的第一超聲波，再將第一超聲波反射至流體13，此時，流體13中含有由換能器11發(fā)送的振動能作用于流體13后形成的第一超聲波和反射面12將第一超聲波反射回流體13并與流體13作用后的第二超聲波，接著第二超聲波與第一超聲波疊加形成駐波聲場，駐波聲場作用于流體13形成空化云。
[0034]圖4為本發(fā)明實施例二中超聲空化云輸運裝置形成空化云的原理圖。圖5為本發(fā)明實施例二中空化云的結構圖。如圖4所示，駐波聲場作用于流體13形成空化云，具體地空化云的結構為聲李庭博圖結構。如圖5所示，空化云的結構為聲李庭博圖結構，也是枝狀結構，在空化云外圍的一點，如A點B點C點D點或E點中的任何一點,投放一個微小的顆粒物，顆粒物在駐波聲場的作用力下沿著空化云的枝狀結構運動到F點。
[0035]圖6為本發(fā)明實施例二中顆粒物在空化云中的運動軌跡。如圖6所示，顆粒物在駐波聲場的作用力下沿著空化云的枝狀結構從A點運動到F點的軌跡圖，進入到空化云中的顆粒物沿著駐波聲場所確定的方向在聲李庭博圖結構的空化云中運動，其中駐波聲場所確定的輸運方向是從低壓力振幅區(qū)域向高壓力振幅區(qū)域運動，所以顆粒物從低壓力振幅區(qū)域向高壓力振幅區(qū)域運動。顆粒物是固體、氣體或液體等不溶于該超聲空化云輸運裝置中流體13的物質(zhì)，例如:氣泡，液滴，超聲造影劑。所以該裝置可以通過調(diào)節(jié)換能器11和反射面12的位置和相位，從而調(diào)節(jié)第一超聲波和第二超聲波的相位和方向，由此確定第一超聲波和第二超聲波形成駐波聲場的位置和方向。
[0036]在本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置中，換能器11至少一個，反射面12至少一個，當換能器11和反射面12都為若干個時，通過調(diào)節(jié)若干個換能器11和若干個反射面12的位置和相位，從而調(diào)節(jié)第一超聲波和第二超聲波形成駐波聲場的位置和方向，進一步確定進入空化云中的顆粒物的運動路徑。
[0037]同時，在超聲空化云輸運裝置中，兩個同頻率的換能器11也可以形成空化云，兩個換能器11發(fā)出的超聲波疊加形成駐波聲場，此時調(diào)整兩個換能器11的位置或相位實現(xiàn)調(diào)節(jié)駐波聲場的位置和方向，也可以加入多個同頻率的換能器11多個反射面12實現(xiàn)對駐波聲場位置和方向的控制。
[0038]例如，將換能器11貼在皮膚上，在皮膚上涂抹一些耦合劑，使更多超聲波能傳播到體內(nèi)，有兩個或更多這樣的同頻率換能器11，這樣在指定的血管內(nèi)形成駐波，通過B超等方式確定病灶位置和空化云節(jié)點位置，調(diào)整換能器11位置和相位來調(diào)整空化云節(jié)點位置，使空化云節(jié)點位置與病灶位置重合。向血管內(nèi)部注入超聲造影劑，造影劑是許多微泡，這些微泡在聲場的作用下不斷膨脹和收縮，因為聲場的主Bjerknes力和微泡之間的二階Bjerknes力，即因為微泡所受的聲場力和微泡之間的相互作用力形成空化云，空化云將微泡連同粘附在微泡表面上或包裹在微泡內(nèi)部的的DNA或藥物輸送到病灶處。
[0039]因此，本發(fā)明實施例二提供的超聲空化云輸運裝置，通過換能器11將振動能發(fā)送到流體13后的超聲波與反射面12反射的超聲波形成的駐波聲場，駐波聲場作用于流體13形成的空化云，通過調(diào)節(jié)換能器11和反射面12的位置和相位來調(diào)整駐波聲場的位置和方向，從而確定進入空化云中的顆粒物在空化云中運動的路徑。這樣在周圍流體13靜止的狀態(tài)下，顆粒物仍然能自動的到達目的地，該裝置的定位性能準確。
[0040]圖7為本發(fā)明實施例提供的超聲空化云輸運方法流程圖。該超聲空化云輸運方法是基于本發(fā)明實施例提供的超聲空化云輸運裝置。如圖7所示，本實施例具體包括以下步驟:
[0041]步驟201、換能器11將電能轉換為振動能，通過輻射面將振動能發(fā)送給流體13。
[0042]具體地，流體13是流動性的液體，在本發(fā)明實施例中，流體13優(yōu)選為水溶液。換能器11具體還包括輻射面，換能器11將電能轉換為振動能，通過輻射面將振動能發(fā)送給水溶液，振動能與水溶液作用后生成第一超聲波。
[0043]步驟202、振動能與流體13作用后生成第一超聲波。換能器11發(fā)送給水溶液的振動能與水溶液作用生成第一超聲波。
[0044]步驟203、反射面12接收第一超聲波，將第一超聲波反射至流體13。
[0045]具體地，在本發(fā)明實施例提供的裝置中，換能器11完全浸沒在裝有水溶液的玻璃容器里，玻璃容器壁就是反射面12。反射面12接收來自水溶液的第一超聲波，再將第一超聲波反射至水溶液。
[0046]步驟204、反射后的第一超聲波與流體13作用生成第二超聲波。玻璃容器壁將第一超聲波反射給水溶液，并與水溶液作用生成第二超聲波。
[0047]步驟205、第二超聲波與第一超聲波形成駐波聲場。
[0048]具體地，經(jīng)過步驟203和204后，水溶液里有兩個不同的超聲波，第一超聲波來自換能器11發(fā)送的振動能作用于水溶液后形成的聲波，第二超聲波來自玻璃容器壁將第一超聲波反射回水溶液并與水溶液作用后的聲波，接著第二超聲波與第一超聲波疊加形成駐波聲場。通過調(diào)節(jié)換能器11和反射面12的位置和相位，從而調(diào)節(jié)第一超聲波和第二超聲波的相位和方向，由此確定第一超聲波和第二超聲波形成駐波聲場的位置和方向。
[0049]步驟206、駐波聲場作用于流體13形成空化云，從而使得進入空化云中的顆粒物沿駐波聲場所確定的方向在空化云中運動。
[0050]具體地，駐波聲場作用于水溶液形成空化云，空化云的結構為聲李庭博圖結構。進入到空化云中的顆粒物沿著駐波聲場所確定的方向在聲李庭博圖結構的空化云中運動，其中駐波聲場所確定的輸運方向是從低壓力振幅區(qū)域向高壓力振幅區(qū)域運動，所以顆粒物從低壓力振幅區(qū)域向高壓力振幅區(qū)域運動。
[0051]因此，本發(fā)明實施例提供的超聲空化云輸運方法，通過換能器將振動能發(fā)送到流體13后的超聲波與反射面12反射的超聲波形成的駐波聲場,駐波聲場作用于流體13形成的空化云，通過調(diào)節(jié)換能器和反射面12的位置和相位來調(diào)整駐波聲場的位置和方向，從而確定進入空化云中的顆粒物在空化云中運動的路徑。該方法實現(xiàn)了在周圍流體13靜止的狀態(tài)下，顆粒物仍然能自動的到達目的地。該方法廣泛應用于醫(yī)療領域，該方法定位性能準確，能將藥物定向輸送和定點釋放到病灶處，對腫瘤的介入治療具有潛在的應用前景。[0052]專業(yè)人員應該還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業(yè)技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應認為超出本發(fā)明的范圍。
[0053]結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內(nèi)存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或【技術領域】內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。
[0054]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種超聲空化云輸運裝置，其特征在于，所述裝置包括: 換能器，用于將電能轉換為振動能，通過輻射面將所述振動能發(fā)送給流體，所述振動能與所述流體作用后生成第一超聲波； 反射面，用于接收所述第一超聲波，將所述第一超聲波反射至所述流體，反射后的所述第一超聲波與所述流體作用生成第二超聲波，所述第二超聲波與所述第一超聲波形成駐波聲場，所述駐波聲場作用于所述流體形成空化云，從而使得進入所述空化云中的顆粒物沿所述駐波聲場所確定的方向在所述空化云中運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲空化云輸運裝置，其特征在于，所述換能器的工作頻率為 10kHz-50MHz。
3.根據(jù)權利要求1所述的超聲空化云輸運裝置，其特征在于，所述駐波聲場的振幅為50kPa_200kPa。
4.根據(jù)權利要求1所述的超聲空化云輸運裝置，其特征在于，所述駐波聲場作用于所述流體形成空化云具體包括:所述空化云的結構為聲李庭博圖結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的超聲空化云輸運裝置，其特征在于，所述顆粒物是固體顆粒、氣泡、不溶于所述流體的液滴和超聲造影劑。
6.—種超聲空化云輸運方法,其特征在于,所述方法包括: 換能器將電能轉換為振動能，通過輻射面將所述振動能發(fā)送給流體； 所述振動能與所述流體作用后生成第一超聲波； 反射面接收所述第一超聲`波，將所述第一超聲波反射至所述流體； 反射后的所述第一超聲波與所述流體作用生成第二超聲波； 所述第二超聲波與所述第一超聲波形成駐波聲場； 所述駐波聲場作用于所述流體形成空化云，從而使得進入所述空化云中的顆粒物沿所述駐波聲場所確定的方向在所述空化云中運動。
7.根據(jù)權利要求6所述的超聲空化云輸運方法，其特征在于，所述第二超聲波與所述第一超聲波形成駐波聲場具體包括:調(diào)節(jié)所述換能器和所述反射面的位置和相位，從而調(diào)節(jié)所述第一超聲波和所述第二超聲波的相位和方向，由此確定第一超聲波和第二超聲波形成駐波聲場的位置和方向。
8.根據(jù)權利要求6所述的超聲空化云輸運方法，其特征在于，所述進入所述空化云中的顆粒物沿所述駐波聲場所確定的方向在所述空化云中運動具體包括:進入所述空化云中的顆粒物沿所述駐波聲場的低壓力振幅區(qū)域向所述駐波聲場的高壓力振幅區(qū)域方向在所述空化云中運動。
【文檔編號】A61M37/00GK103861203SQ201410103085
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權日:2014年3月19日
【發(fā)明者】白立新, 鄧京軍, 李超, 徐德龍 申請人:中國科學院聲學研究所