Ультразвуковое устройство для лечения объекта в теле пациента

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для нагревания тканей посредством ультразвука. Устройство содержит удлиненный зонд для введения через кожу пациента к объекту, имеющий переднюю часть, выполненную для расположения в контакте с объектом, содержащую корпус и излучающий элемент для создания сфокусированного ультразвукового поля, максимум интенсивности которого расположен в объекте для нагревания последнего. Излучающий элемент имеет переднюю поверхность для излучения ультразвукового поля, которая содержит по меньшей мере одно отверстие, выполненное в центре излучающего элемента. Излучающий элемент также имеет канал в отверстии для протекания жидкости через него. Площадь поверхности отверстия выбрана между 1% и 25% общей площади поверхности излучающего элемента. Использование изобретения позволяет уменьшить влияние нежелательных максимумов интенсивности ультразвукового поля в ближнем поле перед излучающим элементом. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к ультразвуковому зонду, имеющему центральное отверстие, образованное по меньшей мере одним отверстием, в устройстве для ультразвукового лечения пациента. Передняя часть зонда выполнена с обеспечением расположения вблизи подвергаемого лечению объекта, на нем или внутри него, а сам зонд выполнен так, что излучает ультразвуковое поле, максимум интенсивности которого расположен внутри объекта, для нагревания последнего. Центральные отверстия улучшают распределение интенсивности излучения и обеспечивают возможность промывания излучателя.

Уровень техники

Нагревание тканей у пациента в терапевтических целях посредством ультразвука было известно прежде. Для излучения ультразвукового поля обычно используются преобразователи типа фазированной решетки, имеющие много согласованных кристаллов. Для достижения требуемой фокусировки этими излучателями нужно управлять. Для преобразователей типа фазированной решетки необходимо наличие сложной и дорогой электроники, не говоря уже о стоимости самого преобразователя такого типа.

Также используются преобразователи, имеющие один или несколько излучающих элементов. Эти преобразователи имеют фиксированный фокус за счет придания кристаллам определенной формы или фокусировкой ультразвукового поля посредством дополнительных устройств.

Излучаемое ультразвуковое поле имеет распределение интенсивности с максимумом, расположенным в объекте, подвергаемом лечению. Пример такого распределения показан на фиг.6A. Кроме желательного максимума М, есть еще и другой максимум Р, хотя и с меньшей интенсивностью, находящийся в ближнем ультразвуковом поле. Кроме того, что он находится вне объекта, подвергаемого лечению, и происходит напрасная трата энергии, он вызывает ненужное нагревание. В случае, когда объект, подвергаемый излучению, находится близко к поверхности, как, например, сухожилие или связка, этот ближний максимум может располагаться в коже пациента и причинять боль.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание ультразвукового зонда, который уменьшает влияние нежелательных максимумов в ближнем ультразвуковом поле.

В первом аспекте изобретение предлагает ультразвуковой зонд, содержащий корпус и преобразователь для создания сфокусированного ультразвукового поля, максимум интенсивности которого расположен в объекте для нагревания последнего. Согласно изобретению излучатель имеет центральное отверстие, образованное одним или более отверстиями и предназначенное для уменьшения влияния нежелательных максимумов в ближнем ультразвуковом поле.

Во втором аспекте изобретение предлагает применение ультразвукового зонда, описанного выше.

Изобретение определено в пп.1 и 20 формулы изобретения, в то время как предпочтительные варианты представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение описано ниже со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 схематично иллюстрирует применение устройства согласно изобретению;

фиг.2 изображает подробный вид поперечного сечения зонда согласно изобретению;

фиг.3 изображает вид спереди зонда, показанного на фиг.2;

фиг.4 изображает вид сбоку преобразователя с присоединенной трубкой;

фиг.5 изображает вид спереди преобразователя с присоединенной трубкой;

фиг.6A и 6B изображают схематические графики зависимости интенсивности ультразвукового поля от расстояния от излучателя, соответственно без центрального отверстия и с центральным отверстием согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения

Изобретение описано ниже применительно к методу термотерапии, в особенности миниинвазивного ультразвукового лечения межпозвоночных дисков. Изобретение также применимо в неинвазивном лечении, например, сухожилий и связок, при этом оно не ограничивается каким-то определенным применением.

Методы термотерапии и коагуляции тканей включают использование сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Ультразвук хорошо проходит через мягкие ткани и может фокусироваться на удаленных точках внутри объема в несколько кубических миллиметров. Поглощение энергии в ткани повышает температуру с созданием резкого температурного градиента, так что границы объема, подвергающегося лечению, четко ограничены без причинения каких-либо повреждений окружающей ткани.

При миниинвазивном ультразвуковом лечении терапевтический ультразвуковой преобразователь вводится через небольшой разрез в коже пациента и продвигается к объекту, который нужно лечить. При неинвазивном ультразвуковом лечении терапевтический ультразвуковой преобразователь прикладывается к коже напротив таких тканей, как сухожилия и связки, например в плечах, коленях, локтях или ступнях. Как при миниинвазивном, так и при неинвазивном лечении максимум интенсивности (Р на фиг.6A) в ближнем ультразвуковом поле является нежелательным.

Устройство 1 для лечения, схематически показанное на фиг.1, предназначено для создания посредством по меньшей мере одного терапевтического ультразвукового преобразователя 2 (так называемого терапевтического преобразователя) ультразвукового поля 3, максимум F интенсивности которого должен располагаться в объекте 5 пациента 4 для лечения последнего. Этим объектом может, например, быть студенистое ядро 6 межпозвоночного диска 5 пациента 4, но им также может быть и другой объект, такой как связка или сухожилие, например, в плече, колене, локте или ступне. Однако в тексте описания ниже ссылка делается на лечение диска.

Терапевтический ультразвуковой преобразователь 2 в этом примере предназначен для введения через кожу пациента 4, например посредством разреза или посредством устройства для введения, такого как канюля 18, и контакта с диском 5, предпочтительно фиброзным кольцом 8, чтобы добиться локального повышения температуры в диске 5, в результате чего происходит усадка диска 5. Нагревание диска до температуры, например, 60-70 градусов Цельсия может непосредственно привести к усадке коллагена. Терапевтический ультразвуковой преобразователь 2 может быть помещен на диск 5 без протыкания фиброзного кольца 8 и оттуда излучать ультразвуковое поле 3, максимум F интенсивности которого сфокусирован в объеме, подлежащем лечению.

Устройство 1 может содержать жесткую трубку 18 с присоединенной внутренней частью и одним или несколькими индикаторами 19 положения. Трубка 18 может быть с помощью метода оптической навигации введена в направлении объекта 5, который нужно лечить. Внутренняя часть трубки 18 затем заменяется терапевтическим ультразвуковым преобразователем 2, причем указанная трубка 18 схематично показана на фиг.1 штриховыми линиями.

Терапевтический ультразвуковой преобразователь 2 может быть выполнен с обеспечением установки в нужное положение вручную или с обеспечением размещения на позиционирующем устройстве 40 для установки относительно диска 5, который нужно лечить. Устройство 1 может также содержать оптическое навигационное устройство с рентгеновской камерой (не показано). Позиционирующее и навигационное средства не являются частями настоящего изобретения.

Терапевтический ультразвуковой преобразователь 2 содержит зонд 10, который предпочтительно является удлиненным. Передняя часть или передние части зонда 10 могут располагаться в контакте с диском 5.

Передняя часть зонда 10 более подробно показана на фиг.2 и 3. Зонд имеет корпус 20, содержащий различные компоненты, такие как излучающий элемент 11, например пьезоэлектрический элемент, промывную трубку 22, переднюю крышку 23 и термистор 27.

В качестве излучающего элемента 11 подходит одиночный пьезоэлектрический элемент. Однако изобретение также применимо с матрицей из многих излучающих элементов. Как показано на чертеже, излучающий элемент имеет искривленную переднюю поверхность для фокусировки излучаемого ультразвукового поля. Также перед излучателем может быть помещен пассивный элемент, чтобы добиться фокусировки, который в этом случае может быть либо искривленным, либо плоским. Излучающий элемент 11 предпочтительно наклонен на угол α так, что фокус (F на фиг.1) смещен от продольной оси зонда, или конструкция пассивного элемента такова, что достигается указанное смещение. Это значит, что когда зонд вращается вокруг своей продольной оси, фокус F описывает окружность вокруг оси. Результатом этого является то, что интенсивность ультразвукового поля распространяется от объема вокруг фокуса F до объема, имеющего форму тора. Кроме того, зонд может также передвигаться вдоль продольной оси, в результате чего максимум интенсивности ультразвука распространяется по объему, имеющему форму спирали или цилиндра. Продольное перемещение может выполняться одновременно с вращением, так что фокус описывает спираль или ступеньки, так что фокус описывает ряд прилегающих параллельных окружностей. Нагревательный эффект достигается в центре торообразных или цилиндрических объемов также за счет объема фокусной области и теплопроводности. Настоящее изобретение также применимо к зонду без наклона (α=0).

Перемещение зонда достигается посредством позиционирующего устройства 40, работающего от двигателя. Перемещение может также осуществляться вручную.

Как наиболее ясно показано на фиг.5, излучающий элемент 11 имеет в центре отверстие 22. Направленность и, следовательно, способность создания резкого фокуса, по существу, определяются периферийными частями преобразователя. Известно, что большие когерентно излучающие поверхности создают интерференционные максимумы вблизи поверхности.

Фиг.6A и 6B являются схематическими графиками интенсивности ультразвукового поля в зависимости от расстояния от излучателя, соответственно без центрального отверстия и с центральным отверстием согласно изобретению. Как можно видеть на фиг.6а, излучающий элемент без отверстия согласно прежней технологии имеет желательный максимум на расстоянии x, расположенный в объекте, который нужно лечить, и нежелательный максимум Р на расстоянии y, расположенный в ближнем поле. Как можно видеть, ультразвуковое поле содержит несколько более узких максимумов Р', но только максимум Р создает проблему. Место на этом расстоянии у может быть расположено в коже пациента, и нежелательный максимум Р может вызывать боль, как упомянуто во введении.

С другой стороны, создание центрального отверстия в излучающем элементе 11 уменьшает влияние нежелательного максимума Р путем смещения максимумов ультразвукового поля, как можно видеть на фиг.6B. Если место на расстоянии y располагается в положении повышенной чувствительности, максимум Р смещается в положение z, где излучаемый ультразвук причиняет меньше вреда или не причиняет его вовсе. Положению у теперь соответствует низкая интенсивность ультразвукового поля. Также более узкие максимумы Р' сместились и изменили форму. Так как центральная часть излучающего элемента также дает вклад и в нужный максимум М, этот максимум М будет также отчасти смещен и уменьшен с излучающим элементом 11 согласно изобретению. Потеря в площади поверхности довольно мала и может компенсироваться небольшим увеличением рабочего напряжения, увеличивая, таким образом, излучаемую мощность ультразвука на единицу площади поверхности излучающего элемента. Такое увеличение является безопасным, особенно ввиду изменения положения нежелательного максимума Р.

В моделировании результатов, показанных на фиг.6A и 6B, излучатель имел радиус кривизны 15 мм и частоту излучаемого ультразвука 4 МГц. На фиг.6В диаметр центрального отверстия был 3 мм.

Точный вид распределения интенсивности ультразвукового поля зависит от длины ультразвуковой волны, акустических свойств различных задействованных тканей, фокусного расстояния и диаметра излучающей системы, а также соотношения между площадью поверхности центрального отверстия и внешним диаметром. Обычно вид распределения интенсивности ультразвукового поля может регулироваться путем изменения любого из этих факторов, но центральное отверстие имеет дополнительные преимущества, как описано ниже.

Такое же уменьшение достигается и при твердом излучателе без отверстия, но с центральной областью, не имеющей излучающей способности. Однако центральное отверстие может использоваться для введения приборов, для всасывания жидкости или для промывания излучателя, как описано ниже. Центральное отверстие может быть образовано одним или несколькими расположенными на расстоянии друг от друга отверстиями.

Площадь поверхности центрального отверстия составляет 1-25%, предпочтительнее 5-15%, а в предпочтительном варианте около 10% общей площади поверхности излучающего элемента. Диаметр излучающего элемента находится в пределах 2-100 мм, обычно 2-20 мм, и около 5 мм в случае мини-инвазивного лечения. Диаметр не является критическим в случае неинвазивного лечения.

Во время работы сам излучающий элемент 11 нагревается, так что он также создает тепло вблизи себя. Это тепло вообще нежелательно, и излучающий элемент требует охлаждения. С этой целью перед излучающим элементом подается жидкость. Жидкость также служит акустической связью и не дает возможности воздушным пузырям прерывать ультразвуковое поле. Излучающий элемент соответственно имеет канал в центральном отверстии 22 для протекания жидкости. В принципе, жидкость может свободно течь перед излучателем, но предпочтительно, чтобы конец зонда был закрыт гибкой стенкой или перфорированной крышкой 23 из подходящего материала, ограничивающей камеру 24 между излучающим элементом 11 и крышкой 23.

Фиг.3 показывает примеры таких крышек 23. Крышка имеет одну или несколько перфораций или отверстий 25 соответствующего размера, предпочтительно распределенных равномерно на передней поверхности крышки. На чертеже в качестве примера показаны шесть отверстий. Отношение площади поверхности перфораций 25 ко всей площади обычно находится в пределах 0,1-0,9, благоприятным является значение 0,1-0,7, предпочтительнее 0,1-0,5, а в предпочтительном варианте выполнения 0,1-0,3. Соответствующий диапазон зависит от вязкости среды, которая может быть жидкостью или гелем, и от выполняемого лечения. Перфорированная крышка 23 способствует равномерному распределению жидкости перед излучающим элементом 11, так что тепло не может увеличиваться сверх меры. Вместо размещения крышки на зонде, она может быть помещена на канюлю для введения зонда.

В предпочтительном варианте выполнения зонд, кроме того, снабжен предохранительным выключателем, который предназначен для прерывания работы излучающего элемента 11 в случае проблемы с орошением. Предохранительный выключатель содержит температурный датчик 27, например термистор. Термистор предпочтительно расположен в контакте с металлической трубкой 26, проводящей жидкость для промывания излучающего элемента. Таким образом, термистор расположен позади излучающего элемента 11, не в жидкости, но в хорошем тепловом контакте с излучающим элементом посредством теплопроводящей трубки 26. Трубка соответственно выполнена из металла, предпочтительно из серебра. Благодаря этому температурный датчик 27 будет срабатывать в доли секунды, когда возникает проблема с контуром промывания. Предохранительный выключатель предназначен для выключения излучающего элемента, когда температура, воспринимаемая датчиком, отклоняется от установленного заранее значения, например, более чем на +10°С. При обычно используемых мощностях излучающего элемента не существует риска травмирования пациента, так как предохранительный выключатель действует заранее.

Описанное устройство может использоваться в методах лечения дисков, но также для лечения других объектов в теле. В качестве таких других объектов могут быть упомянуты сухожилия и связки в плечах, коленях, локтях или ступнях. Объем изобретения ограничивается только формулой изобретения.

1. Ультразвуковое устройство для лечения объекта в теле пациента, содержащее удлиненный зонд для введения через кожу пациента к объекту и имеющий переднюю часть, выполненную для расположения в контакте с объектом и содержащую корпус (20) и излучающий элемент (11) для создания сфокусированного ультразвукового поля, максимум (F) интенсивности которого расположен в объекте (5), для нагревания последнего, отличающееся тем, что излучающий элемент (11) имеет переднюю поверхность для излучения ультразвукового поля, указанная передняя поверхность имеет по меньшей мере одно отверстие (22), выполненное в центре излучающего элемента для улучшения распределения интенсивности излучения, излучающий элемент (11) также имеет канал в указанном по меньшей мере одном отверстии для протекания жидкости через излучающий элемент (11), площадь поверхности указанного по меньшей мере одного отверстия выбрана между 1% и 25% общей площади поверхности излучающего элемента, чтобы уменьшить влияние нежелательных максимумов интенсивности ультразвукового поля в ближнем поле перед излучающим элементом (11).

2. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающий элемент (11) имеет искривленную переднюю поверхность.

3. Ультразвуковое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит перфорированную крышку (23), образующую камеру (24) перед излучающим элементом (11).

4. Ультразвуковое устройство по п.3, отличающееся тем, что крышка (23) имеет несколько перфораций (25), распределенных по ее передней поверхности.

5. Ультразвуковое устройство по п.4, отличающееся тем, что отношение площади поверхности перфораций (25) ко всей площади находится в пределах 0,1-0,9.

6. Ультразвуковое устройство по п.4, отличающееся тем, что отношение площади поверхности перфораций (25) ко всей площади поверхности находится в пределах 0,1-0,7.

7. Ультразвуковое устройство по п.4, отличающееся тем, что отношение площади поверхности перфораций (25) ко всей площади находится в пределах 0,1-0,5.

8. Ультразвуковое устройство по п.4, отличающееся тем, что отношение площади поверхности перфораций (25) ко всей площади находится в пределах 0,1-0,3.

9. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что канал содержит теплопроводящую трубку (26), а зонд дополнительно содержит температурный датчик (27), расположенный позади излучающего элемента (11) и находящийся в тепловом контакте с трубкой (26), причем температурный датчик (27) присоединен к средству управления для прерывания работы излучающего элемента (11), когда температура, измеряемая датчиком, отличается от установленного заранее значения.

10. Ультразвуковое устройство по п.9, отличающееся тем, что средство управления предназначено для прерывания работы излучающего элемента (11), когда температура, измеряемая датчиком, отличается от предварительно установленного значения больше чем на +10°С.

11. Ультразвуковое устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что температурный датчик (27) является термистором.

12. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающий элемент (11) выполнен так, что фокус ультразвукового поля смещен под углом (α) от продольной оси корпуса (20) зонда.

13. Ультразвуковое устройство по п.12, отличающееся тем, что излучающий элемент (11) наклонен под углом α к продольной оси корпуса (20) зонда.

14. Ультразвуковое устройство по п.12, отличающееся тем, что излучающий элемент (11) содержит пассивный элемент, имеющий конструкцию, благодаря которой достигается указанное смещение.

15. Ультразвуковое устройство по пп.12, 13 или 14, отличающееся тем, что корпус (20) зонда выполнен с возможностью поворота вокруг указанной продольной оси.

16. Ультразвуковое устройство по п.15, отличающееся тем, что корпус (20) зонда выполнен с возможностью смещения вдоль указанной продольной оси.

17. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь поверхности отверстия, выполненного в центре излучающего элемента, составляет соответственно 5-15% от общей площади поверхности излучающего элемента.

18. Ультразвуковое устройство по п.17, отличающееся тем, что площадь поверхности отверстия, выполненного в центре излучающего элемента, составляет приблизительно 10% общей площади поверхности излучающего элемента.

19. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что общий диаметр излучающего элемента находится в пределах от 2 до 20 мм.

20. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающий элемент (11) содержит один пьезоэлектрический кристалл.

21. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающий элемент содержит матрицу из пьезоэлектрических кристаллов.

22. Применение ультразвукового устройства по любому из пп.1-21 в качестве устройства для лечения объектов (5) в теле пациента (4), таких как диски или сухожилия и связки, например, в плечах или локтях.