用于组织维护、修复和再生的促进细胞活性的系统和方法技术方案

通过具有多个换能器元件的超声波阵列换能器和控制器，执行刺激组织内的细胞活性，该控制器启动多个换能器元件沿扫描方向以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能。以扫略速率重复启动多个换能器元件沿扫描方向以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能，以便进行多个扫略循环，该扫略速率刺激细胞以获得最佳组织生长。

Systems and methods used to promote cell activity in tissue maintenance, repair and regeneration

Through the ultrasonic array transducer and controller with multiple transducer elements, the cell activity in the stimulation tissue is executed. The controller initiates multiple transducer elements, and sends out focused acoustic energy to the location of multiple focal points along the scanning direction in the scanning direction. At the rate of scanning, multiple transducer elements are repeatedly started to send focus acoustic energy to multiple focal areas along the scanning direction in the scanning direction, so as to carry out multiple sweeping cycles, which stimulates cells to get the best tissue growth.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于组织维护、修复和再生的促进细胞活性的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2015年3月9日提交的题为“用于组织修复和再生的促进细胞活性的系统和方法”的美国临时专利申请No.62/130,513的申请日的权益，其通过引用整体并入本文。政府权利本专利技术是在美国国立卫生研究院给予的R01AR52379和R01AR61821号拨款；美国陆军医学研究和装备司令部给予的W81XWH-07-1-0337号拨款；以及美国国家航天医学研究中心通过NASA合同NCC9-58的政府支持下进行的。美国政府对本专利技术具有一定权利。
本专利技术一般涉及用于治疗人和动物组织的治疗性超声波系统，更具体地，涉及治疗性超声波系统，该系统发射能够促进用于组织生长的细胞活性的超声波信号。
技术介绍
肌肉骨骼疾病是医疗保健系统的重大负担，并且严重影响经受这些疾病的人尤其是老龄化人群的生活质量。肌肉骨骼疾病包括硬组织恶化(如骨质疏松症)，软组织恶化(如骨关节炎)，硬组织损伤(例如骨折、骨折不愈和应力性骨折)，结缔软组织损伤(例如韧带、肌腱和肌肉的撕裂或拉伤)。为了使这些肌肉骨骼疾病的影响最小化，期望引发和加速组织生长，以及减缓组织恶化。然而，随着我们年龄增长，组织生长减缓，使得无法减轻恶化和修复损伤。这是由于形成组织的细胞不太能够分化(具有不同特性并成熟为组织细胞)、增殖(生长和繁殖)、更替(替换旧细胞或改变类型)和调节(维持稳态)。此外，身体活动减少导致血液流动和组织液流动(组织中的液体为细胞提供营养物以及物理切应力，并清除废物)减少。因此，优化组织维护、修复和再生的主要目标是增加感兴趣区域中的细胞分化、细胞穿孔、运动性、细胞调节、组织重塑、组织再生、矿化、血液流动和组织液流动。众所周知，身体内的细胞响应机械负载。细胞机制将机械负载转换为化学活性(力传导)，这提高了细胞分化和调节。多年来，低密度脉冲超声波(“LIPUS”)形式的声能用于向组织提供机械负载以加速康复(参见Duarte的美国专利No.4,530,360)然而，对超声波加速康复的结果进行调查的研究产生了不一致的结果。对于不一致的一个解释是缺少对在组织生长的复杂过程中起作用的生物机制的全面理解。研究者在过去几十年非常努力工作，试图弄懂物理刺激对组织生长的影响。最近的发现给出了对起作用的生物机制的更好理解。已经发现，除了细胞增殖和分化，钙释放、基因表达、细胞和分子途径信号及营养物质运输是组织生长的重要组成部分。在一项新研究中，已经发现机械负载与液流引起这些生物机制。参见Qin，Yi-Xian和Hu,Minyi的“肌肉骨骼组织再生的力传导：液流、负载和细胞分子途径的作用”，欣达维出版公司国际生物医学研究，2014年8月18日电子出版，PubMed数据库的唯一标识码：25215295，其通过引用并入此文。现有技术的超声波系统发射用于向组织和细胞提供负载的声压波，然而由这些系统发射的声压波不会在组织内诱发受控的液流。因此，需要提供一种超声波系统，其发出声能以提供机械负载并在组织内诱发受控的液流，以便获得增强并一致的组织维护、修复和再生。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供发出声能的超声波系统和方法，其方式为提供机械负载并诱发受控液流，以便获得增强并一致的组织维持、修复和再生。本专利技术目前优选的形式通过沿扫描方向以扫略速率向感兴趣区域(ROI)内的位置发出聚焦声能，以诱发受控液流，从而实现上述目的。以一致地刺激ROI中细胞活性的扫略速率重复发出集中声压波和诱导液流的循环。不同于现有技术的液流可意外和随机产生的系统，本专利技术中的超声波系统和方法产生的液流是可控和一致的。本专利技术的超声波系统和方法以对于钙释放、基因表达、细胞和分子途径信号激活和营养物质运输所必需的频率产生压力梯度、剪应力、组织液流动、应变速率、应变梯度和负载，由此为组织维护、修复和再生提供增强和一致的细胞刺激。本专利技术包括用于实现上述目的的方法、系统和控制器。该系统包括具有多个换能器元件和控制器的超声波阵列换能器。在不同的实施例中，超声波阵列换能器可以具有包括线性阵列和相控阵列的线性形式；或包括二维矩阵和环形的二维形式。控制器设定为启动换能器以发射如下所述的聚焦声能。本专利技术的方法包括将具有多个换能器元件的超声波阵列换能器定位在ROI附近，并启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率向多个焦点区位置发出聚焦声能。以扫略速率，重复启动多个换能器元件以向多个焦点区位置发射聚焦声能，以进行多个扫略循环。在各种实施例中，对于交替的扫略循环，扫描方向是相反的。在一些实施例中，焦点区位置在整个感兴趣区域内均匀间隔开。在一些实施例中，启动多个换能器元件以向多个焦点区位置发射聚焦声能在两个空间维度或三个空间维度上执行。在各种实施例中，聚焦的声能可以在感兴趣的区域具有5mW/cm2至180mW/cm2范围内的强度，以提供治疗性处理。在各种实施例中，焦点区扫描速率可以在0.2kHz至0.5MHz的范围内，并且扫略速率可以在0.2Hz至1kHz的范围内。在各种实施例中，在可能具有5分钟至60分钟的时间范围的治疗期内可以执行多个扫略循环。在一些实施例中，治疗期可包括休息期。可以在几天内重复治疗性处理以促进组织生长。附图说明图1示出了将聚焦声能发射到感兴趣区域的示例性超声波系统的图示。图2示出了发出聚焦声能以刺激分子和细胞机制的示例性超声波阵列换能器的高水平图示。图3A示出了示例性线性阵列换能器及其最大扫略距离的附图。图3B示出了图示负载响应的曲线图。图4A示出了示例性线性阵列换能器的附图和相应的多个扫略循环产生的震荡声能模式曲线图。图4B示出了示例性线性阵列换能器的附图和相应的多个扫略循环产生的正弦声能模式曲线图。图5A示出了示例性二维矩阵和从该二维矩阵发出的示例性声能焦点区的附图。图5B示出了示例性二维矩阵和从该二维矩阵发出的示例性声能焦点区的附图。图5C示出了多个换能器元件产生图5A和图5B中示出的示例性声能焦点区的启动顺序序列。图6A示出了具有编号换能器元件的示例性二维矩阵的附图。图6B示出了图6A中的二维矩阵为不同的焦点区容量提供聚焦声能的附图。图6C示出了说明编号换能器元件产生图6B中所示的焦点区的启动顺序曲线图。图7示出了本专利技术一个实施例中的多个换能器元件的声能参数和时间的曲线图。图8示出了说明本专利技术的系统的实施例的框图。图9示出了说明刺激组织内细胞活性的方法的实施例的流程图。具体实施方式本专利技术将结合附图详细描述一种目前优选的实施例。参考图1，示出了向感兴趣区域(“ROI”)发出聚焦声能25的超声波系统1的实施例。本专利技术的超声波系统1具有超声波阵列换能器5，超声波阵列换能器5具有多个换能器元件10和控制器20，控制器20设定为启动多个换能器元件10，以提供机械负载和诱发受控液流的方式发出聚焦声能25，以便使组织维护、修复和再生增强并一致。超声波阵列换能器5能通过有线连接或无线连接与控制器20通信。超声波阵列换能器5能够通过手持保持在合适的位置进行治疗，或者作为可穿戴设备的一部分在治疗期间保持在适当位置。该超声波阵列换能器5能够与身体15的皮肤表面耦合，或直接与组织表面耦合，例如与本领域技术人员熟知的骨组织或软骨组织相连接。通过图示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刺激感兴趣区域的组织内细胞活性的方法，所述方法包括：将超声波阵列换能器定位在感兴趣区域附近，所述超声波阵列换能器包括多个换能器元件；启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能；且以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.09 US 62/130,5131.一种刺激感兴趣区域的组织内细胞活性的方法，所述方法包括：将超声波阵列换能器定位在感兴趣区域附近，所述超声波阵列换能器包括多个换能器元件；启动多个换能器元件，沿扫描方向以焦点区扫描速率，向多个焦点区位置中的每个发出聚焦声能；且以扫略速率重复启动步骤，以便进行多个扫略循环。2.根据权利要求1所述的方法，其中交替扫略循环的所述扫描方向相反。3.根据权利要求1所述的方法，其中在两个空间维度，启动多个换能器元件向多个焦点区位置发出聚焦声能。4.根据权利要求1所述的方法，其中在三个空间维度，启动多个换能器元件向多个焦点区位置发出聚焦声能。5.根据权利要求1所述的方法，其中感兴趣区域的聚焦声能的强度在5mW/cm2至180mW/cm2范围内。6.根据权利要求1所述的方法，其中焦点区扫描速率在0.2kHz至0.5MHz的范围内。7.根据权利要求1所述的方法，其中焦点区位置在整个感兴趣区均匀分布。8.根据权利要求1所述的方法，其中扫略速率在0.2Hz至1kHz的范围内。9.根据权利要求1所述的方法，其中在治疗期内以扫略速率执行多个扫略循环，所述治疗期在5分钟至60分钟的时间范围内。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述治疗期还包括休息期。...

【专利技术属性】
技术研发人员：钦逸仙，
申请(专利权)人：纽约州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US