Полифункциональный волновой излучатель

Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к устройствам, формирующим звуковые и ударные волны, и может быть использовано в составе аппаратов для ударно-волнового и звукового воздействия на биообъекты, в частности, с целью стимуляции метаболических процессов, пролиферации клеток, реваскуляризации, стимуляции притока крови, уменьшения воспалительных явлений, а также с целью расслабления гладкомышечных элементов стенок внутренних органов и активации перистальтики.

В настоящее время в практике лечения хронических дегенеративно-дистрофических заболеваний с воспалительным компонентом успешно применяются аппараты ударно-волнового воздействия. Известно подтвержденное влияние низкоинтенсивного ударно-волнового воздействия на стимуляцию метаболических процессов, реваскуляризацию, пролиферацию клеток и иные положительные эффекты. Однако следует отметить, что о влиянии ударной волны на расслабление гладкомышечных элементов стенок внутренних органов и активацию перистальтики неизвестно.

Известно о применении ударно-волновой терапии, например в вертебрологии, при лечении грыжи межпозвонковых дисков (патент РФ на изобретение №2417800 «Способ неинвазивного лечения морфолого-анатомических патологий межпозвоночных дисков», МПК A61N 1/18, A61N 7/00, дата публ. 10.05.2011), что позволяет благодаря точному воздействию на целевую область сфокусированной низкочастотной ударной волной улучшить местное кровообращение, разрыхлить кальциевые отложения и фиброзные очаги, являющиеся причиной воспаления и болевого синдрома, при этом одним из важнейших эффектов является стимуляция развития нового микрососудистого русла в проблемной области.

Известно о применении воздействия расфокусированными ударными волнами:

в травматологии и ортопедии - аппараты ударно-волновой терапии фирмы Dornier MedTech:

«Dornier Aries» (информация о презентации изделия в октябре 2010 г., интернет-страница: http://xn--b1a6ab3b.xn--p1ai/files/Dornier/Aries%20ProdPres_e_1010%20v0%20short_rus.pdf),

«Dornier EPOS Ultra» (интернет-страница: http://vgsgroup.ru/index.php/ru/2011-07-25-23-11-17/-dornier-medtech/item/15-uwu/55-epos);

при лечении опорно-двигательного аппарата, при переломах и остеопорозе для обеспечения реваскуляризации, усиления кровообращения (патент США № US 7985189 B1 «Method for using acoustic shock waves in the treatment of medical conditions», МПК A61N 7/00, A61B 17/225, дата публ. 26.07.2011);

для воздействия, направленного на стимуляцию высвобождения факторов роста тканей (патент США № US 7841995 B2 «Pressure pulse/shock wave therapy methods and an apparatus for conducting the therapeutic methods», МПК A61N 7/00, A61B 17/225, дата публ. 30.11.2010);

для стимуляции метаболических процессов в тканях с целью ускорения заживления послеоперационных ран, трофических язв, стимуляции почечной деятельности (патент РФ на изобретение №2076641, МПК A61B 17/225, дата публ. 10.04.1997);

в физиотерапии для стимуляции обменных процессов при заболеваниях мочеполовой системы (патент РФ на изобретение №2482806, МПК A61B 17/225, A61N 5/00, дата публ. 27.05.2013);

для коррекции микроциркуляции при хроническом катаральном гингивите у человека (патент РФ на изобретение №2500365, МПК A61N 7/00, A61B 17/24, дата публ. 10.12.2013);

при лечении хронического простатита (патент РФ на изобретение №2400269, МПК A61N 7/00, A61K 31/47, дата публ. 27.09.2010).

При лечении одного из самых распространенных сегодня заболеваний - мочекаменной болезни (МКБ), при которой в мочевыделительной системе формируются конкременты, различные по составу и размерам, применяются различные типы лечения. Золотым стандартом при лечении МКБ считается дробление камней контактным и бесконтактным методами. Однако дробление сопровождается воспалительными процессами, повреждением сосудов, гематомами, отеками и т.д. Устранить эти негативные эффекты позволяет применение низкоинтенсивной ударно-волновой терапии. При этом на практике дробление камней не гарантирует их полного удаления.

Как отмечалось выше, ударно-волновое воздействие не приводит к расслаблению гладкомышечных элементов и активации перистальтики, в связи с чем требуется использование дополнительных методов лечения, так как остающиеся после дробления фрагменты камней повышают риск рецидива МКБ.

Таким образом, при МКБ эффекты, получаемые в результате ударно-волновой терапии, являются необходимым, но недостаточным условием для выведения камней из мочевых путей. Для выведения камней и фрагментов, оставшихся после дробления, требуется достижение эффекта расслабления гладкомышечных элементов мочевыводящих путей и усиление их перистальтики.

Известно подтвержденное влияние звукового воздействия на расслабление гладкомышечных элементов, а также на активацию перистальтики (в т.ч. мочеточников). В медицинской практике, в частности в урологии, при лечении мочекаменной болезни уже длительное время применяют звуковые стимуляторы, воздействующие на биообъект звуковой волной.

Известен «Способ лечения мочекаменной болезни» (патент РФ на изобретение №2360679, МПК A61K 31/505, A61P 13/04, A61B 17/225, дата публ. 10.07.2009), который обеспечивает повышение эффективности камнеизгоняющей терапии при использовании звуковой стимуляции. При осуществлении известного способа выполняют комплексное воздействие альфа-адреноблокатора и звуковой стимуляции на проекцию почки звуковыми волнами, в результате чего наблюдается эффективное отхождение камней и их фрагментов после литотрипсии.

Известно устройство, создающее излучение звуковых волн, предназначенное для воздействия на биообъект: аппарат звуковолновой терапии по патентной заявке Германии № DE 102007014245 A1 («Sound wave apparatus for medical treatment has changeable part of delay block capable of influencing angle of radiation produced», МПК A61N 7/00, A61B 17/225, дата публ. 25.09.2008).

Известно применение в физиотерапии звукового стимулятора - аппарата «Интрафон-1» для восстановления или улучшения уродинамики при наличии камня в мочеточнике. При наличии мелких камней (с поперечным размером до 6 мм), а также остатков дробления (фрагментов камней), воздействие звуковыми волнами с помощью аппарата «Интрафон-1» способствует восстановлению активных сокращений мочеточников, в результате чего обычно происходит выведение мелких камней или фрагментов, оставшихся после дробления (интернет-страница: http://ilab.xmedtest.net/?q=node/5243, опубл. 21.01.2013). Конструкция звукового стимулятора была защищена патентом РФ на изобретение №2014061 «Звуковой стимулятор», МПК A61H 23/00, дата публ. 15.06.1994. Звуковой стимулятор, предназначенный для физиотерапевтического воздействия, содержит излучатель звуковых колебаний (излучатель звуковых волн), блок формирования управляющих импульсов, блок преобразования, блок установки параметров звуковых колебаний и блок индикации параметров, подключенные к блоку формирования управляющих импульсов. В качестве излучателя звуковых волн в известном устройстве предлагается использовать один из самых распространенных типов излучателя - электродинамический излучатель звука.

Известное устройство, в состав которого входит излучатель, формирующий звуковые волны, предназначено для осуществления воздействия только звуковыми волнами и имеет ограниченную область применения (так как не оказывает воздействия на стимуляцию метаболических процессов, пролиферацию клеток, реваскуляризацию).

Известно «Устройство для стимуляции метаболизма тканей ударно-волновыми импульсами» (патент РФ на изобретение №2151559, МПК A61B 17/225, дата публ. 27.06.2000), в состав которого входит излучатель фокусированных акустических ударно-волновых импульсов. Излучатель выполнен в виде электромагнитного генератора ударно-волновых импульсов, включающего электромагнитный индуктор, содержащий соосные катушки. Индуктор снабжен металлической мембраной. Также в состав излучателя входит фокусирующая система, на выходе которой установлена диафрагма с регулируемым отверстием. В процессе работы устройства в каждом импульсе ток, текущий в катушке индуктора, ударно ускоряет металлическую мембрану, контактирующую с жидкостью, которой предварительно заполняют внутреннюю полость генератора. При этом в жидкости формируется ударно-волновой акустический импульс, который фокусируется фокусирующей системой в зону воздействия.

Однако известный излучатель предназначен только для формирования ударно-волновых импульсов, что ограничивает область его применения (так как не формирует излучения, влияющего на расслабление гладкомышечных элементов и активацию перистальтики).

В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению, предлагается выбрать электромагнитный излучатель ударных волн, входящий в состав известного «Устройства для ударно-волновой терапии» (патент РФ на изобретение №2420241, МПК A61B 17/225, B06B 1/02, дата публ. 10.06.2011), относящегося к физиотерапевтическим устройствам ударно-волнового воздействия и предназначенного для лечения методом ударно-волнового воздействия, в целях реабилитации больных с хроническими заболеваниями внутренних органов (почек, печени, желчного пузыря, предстательной железы и др.), а также в ортопедической практике.

Электромагнитный излучатель ударных волн (или генератор ударных волн) содержит корпус, внутри которого установлен электромагнитный индуктор, диафрагма (также называемая мембраной), прилегающая к индуктору и служащая для создания ударно-волнового импульса при прохождении тока в катушке индуктора, и длиннофокусная фокусирующая система. Фокусирующая система представляет собой собирающую акустическую линзу, установленную в корпусе после мембраны. Чехол, выполняющий функцию эластичной диафрагмы, ограничивает внутреннюю полость корпуса излучателя, обеспечивая герметичность, а также предназначен для обеспечения плотного контакта с телом пациента (с поверхностью биообъекта) при передаче ударной волны. Корпус снабжен штуцером для подвода воды в рабочую полость корпуса. Акустическая линза выполнена из полимерного материала и установлена с возможностью перемещения в осевом направлении. В известном техническом решении воздействие на объект осуществляется в периферической области ударной волны.

В отношении известного технического решения, также как и для указанных выше аналогов, необходимо отметить следующее. Известный излучатель, содержащий в своем составе только электромагнитный индуктор, обеспечивает формирование только ударной волны, не обеспечивающей расслабление гладкомышечных элементов внутренних органов и активацию перистальтики, что снижает эффективность лечения при использовании известного технического решения, в частности, при мочекаменной болезни.

Также следует отметить, что зазор между акустической линзой и мембраной обусловливает наличие двух границ раздела сред, при прохождении каждой из которых имеют место энергетические потери и искажение структуры ударной волны, вследствие чего снижаются стимулирующий эффект при воздействии ударной волны и эффективность лечения при использовании излучателя.

Кроме того, существует возможность перегрева мембраны вследствие того, что, хотя между мембраной и акустической линзой и имеется слой жидкости (зазор, заполненный жидкостью), но циркуляция жидкости в зазоре представляется недостаточной для обеспечения эффективного охлаждения мембраны. В результате нагревания поверхность мембраны может деформироваться (вплоть до механических повреждений), а при интенсивном нагреве может деформироваться и линза, что может усилить изменения структуры ударной волны: искажение распространения волны, снижение ее мощности, появление неравномерности плотности энергии на фронте волны, что приведет к снижению стимулирующего эффекта при воздействии ударной волны, а значит, и к снижению эффективности лечения при использовании излучателя.

При разработке новых медицинских аппаратов и устройств важными факторами, влияющими на повышение эффективности лечения, в частности, являются: расширение спектра терапевтического воздействия аппарата (т.е. увеличение систем организма, на которые аппарат оказывает воздействие), повышение (усиление) эффектов, обусловленных воздействием аппарата (например, стимуляции метаболических процессов, пролиферации клеток, реваскуляризации, расслабления гладкомышечных элементов, активации перистальтики).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности лечения за счет обеспечения возможности формирования излучателем как ударных, так и звуковых волн, а также усиление эффектов при воздействии устройства.

Для достижения указанного выше технического результата предлагается волновой излучатель, содержащий корпус с диафрагмой, ограничивающей внутреннюю полость корпуса и установленной с возможностью контактного взаимодействия с биообъектом. В корпусе установлены электромагнитный индуктор, мембрана и плоско-вогнутая акустическая линза. Мембрана установлена между электромагнитным индуктором и акустической линзой. Одной своей стороной мембрана прилегает к электромагнитному индуктору. При этом, согласно заявляемому техническому решению, другой стороной мембрана прилегает к плоской поверхности акустической линзы. В акустической линзе выполнены сквозные отверстия. На диафрагме размещен пьезоизлучатель звуковых волн.

Включение в состав заявляемого устройства пьезоизлучателя звуковых волн, размещенного на диафрагме, обеспечивает возможность формирования излучателем звуковой стимулирующей волны, оказывающей эффект расслабления гладкомышечных элементов и активации перистальтики. Такое выполнение позволяет расширить спектр воздействия на биообъект при работе аппарата, в составе которого функционирует заявляемый излучатель, что, по сравнению с прототипом, обеспечивает повышение эффективности лечения, в частности при лечении МКБ, когда низкоинтенсивное ударно-волновое воздействие способствует стимуляции метаболических процессов, реваскуляризации, пролиферации и др., а звуковая стимуляция обеспечивает расслабление гладкомышечных элементов и активацию перистальтики мочеточников, что обеспечивает выведение небольших камней и фрагментов после дробления.

Выполнение сквозных отверстий в акустической линзе обеспечивает, по сравнению с прототипом, более эффективное охлаждение мембраны за счет более интенсивной циркуляции жидкости через отверстия в линзе, что позволяет получить ударную волну с равномерным распределением плотности энергии на фронте волны, это обеспечивает повышение эффективности стимулирующего воздействия ударной волны и повышает эффективность лечения при использовании заявляемого устройства.

Отсутствие зазора между мембраной и акустической линзой в заявляемом техническом решении, в отличие от прототипа, обеспечивает одну границу раздела сред при передаче ударно-волнового импульса от мембраны к акустической линзе, что позволяет уменьшить энергетические потери импульса и искажения структуры ударной волны, а следовательно, усилить эффективность стимулирующего воздействия ударной волны и повысить эффективность лечения при использовании заявляемого устройства.

С целью дополнительного снижения нагрева мембраны в процессе работы излучателя предлагается выполнение мембраны в виде кольца (т.е. с центральным отверстием), т.к. при наведении вихревых токов в кольцевой зоне происходит меньший нагрев.

Графические материалы содержат пример конкретного выполнения заявляемого технического решения.

На чертеже представлен полифункциональный волновой излучатель, главный вид, разрез.

Полифункциональный волновой излучатель содержит корпус 1, выполненный металлическим, например, из дюралюминия.

Внутреннюю полость корпуса 1 закрывает диафрагма 2. Соединение диафрагмы и корпуса по краю корпуса выполнено герметичным. Диафрагма выполнена эластичной - для обеспечения более плотного контакта с поверхностью биообъекта; из акустически прозрачного материала - для обеспечения передачи волнового воздействия в ткани биообъекта при работе устройства. Обычно применяют силиконовые диафрагмы.

На диафрагме 2 размещен пьезоизлучатель звуковых волн 3, который может быть расположен как на наружной, так и на внутренней поверхности диафрагмы. В представленном на чертеже примере конкретного выполнения пьезоизлучатель 3, находящийся в контакте с диафрагмой, прикреплен к внутренней поверхности диафрагмы 2 (на чертеже показано условно), а именно - приклеен. В качестве пьезоизлучателя звуковых волн может использоваться, например, пьезоизлучатель SPS-2220-03.

К пьезоизлучателю звуковых волн 3 подведен токопровод 4, обеспечивающий подачу питания при работе устройства.

Внутри корпуса установлен изоляционный вкладыш 5, обеспечивающий изоляцию внутренней поверхности корпуса 1. Внутренний изоляционный вкладыш может быть изготовлен, например, из текстолита.

В представленном примере плотное прилегание края диафрагмы 2 к внутренней поверхности фланцевого буртика 6 корпуса 1 обеспечено за счет прижима верхней торцевой частью вкладыша 5.

В корпусе 1 установлен электромагнитный индуктор 7, выполненный в виде электромагнитной катушки, витки которой уложены в пазы изолятора. К катушке индуктора подведен токопровод 8. Электромагнитный индуктор при работе устройства обеспечивает создание электромагнитного импульса, благодаря воздействию которого происходит формирование мембраной ударно-волнового импульса (ударной волны).

К электромагнитному индуктору 7 прилегает мембрана 9, установленная во внутренней полости корпуса через уплотнительное кольцо 10. В качестве мембраны может быть применена, например, пластина одностороннего фольгированного текстолита, которую размещают на электромагнитном индукторе, располагая пластину диэлектрической поверхностью к индуктору.

Над мембраной 9 во внутренней полости корпуса установлена плосковогнутая акустическая линза 11, являющаяся собирающей и формирующая в процессе работы низкоинтенсивную волну. Плоская поверхность линзы 11 прилегает к мембране 9. Контакт поверхности мембраны и плоской поверхности линзы может быть обеспечен, например, при установке акустической линзы 11 в упор к опорной поверхности выступа, выполненного в изоляционном вкладыше 5, за счет фиксации прижима мембраны к линзе элементами, установленными после мембраны (как это выполнено в примере, представленном на чертеже) или, например, линза своей плоской поверхностью может быть зафиксирована на мембране с помощью клея. В линзе 11 выполнены сквозные отверстия 12 диаметром от 1,5 до 3 мм, расположенные по трем концентрическим окружностям (отверстия выполнены с увеличивающимся диаметром от центра к периферии). При работе устройства отверстия 12 обеспечивают возможность охлаждения мембраны 9, прилегающей к плоской поверхности акустической линзы 11, за счет циркуляции жидкости, заполняющей полость между мембраной 9 и диафрагмой 2 (рабочую полость). Мембрана 9 выполнена в виде кольца (т.е. с центральным сквозным отверстием), что обеспечивает уменьшение нагрева мембраны при возбуждении токов Фуко в процессе работы устройства.

Токопровод 4 проходит через изолирующий штуцер 13, установленный в центральных сквозных отверстиях мембраны 9 и акустической линзы 11.

Прижим электромагнитного индуктора 7 к мембране 9, прижим мембраны 9 к акустической линзе 11, а также плотное прилегание края диафрагмы 2 к буртику 6 корпуса 1 обеспечиваются при установке корпусного элемента - держателя 14 (соединенного с корпусом 1 посредством резьбового соединения) и кольца 15 (установленного в корпусе между держателем 14 и индуктором 7) с последующей фиксацией их положения резьбовым зажимным кольцом 16.

Токопроводы 4 и 8 проходят через сквозные отверстия, выполненные в держателе 14, кольце 15, индукторе 7, мембране 9, линзе 11.

При функционировании устройства рабочая полость должна быть заполнена жидкостью, в которой происходит распространение ударной волны. В корпусе установлен клапан для подвода жидкости (на чертеже не показан). Благодаря клапану также обеспечена возможность замены жидкости в процессе эксплуатации устройства.

Герметичность рабочей полости обеспечивается установкой уплотнительного кольца 10 и герметичным соединением диафрагмы 2 с корпусом 1 по фланцевому буртику 6, а также изолирующим штуцером 13 (обеспечивающим герметичность на участке прохождения токопровода через мембрану и линзу).

Функционирование заявляемого полифункционального волнового излучателя осуществляется в составе аппарата волновой терапии.

Аппарат содержит установленные в корпусе блок питания и блок управления, подключенные к внешнему соединяющему кабелю. К кабелю также подключен полифункциональный волновой излучатель (находящийся вне корпуса аппарата).

Для работы аппарата рабочая полость излучателя должна быть заполнена жидкостью, например дистиллированной водой.

Блок питания обеспечивает подачу энергии для работы электромагнитного индуктора 7, а также для работы пьезоизлучателя звуковых волн 3.

С помощью блока управления устанавливают рабочие параметры для работы электромагнитного индуктора 7 и пьезоизлучателя звуковых волн 3 в зависимости от типа процедур: напряжение, частоту импульсов и количество импульсов (время воздействия) - для электромагнитного индуктора 7, а также длительность воздействия звуковой волны пьезоизлучателя 3. В блок управления также заложена функция экстренной остановки.

С помощью блока управления задают определенные режимы работы аппарата волнового воздействия:

- одновременное (совместное) воздействие ударных и звуковых волн,

- чередующееся воздействие ударных и звуковых волн,

- изолированное воздействие (воздействие только ударных волн или воздействие только звуковых волн).

Питание от блока питания по токопроводу 8 передается на электромагнитный индуктор 7. При протекании электрического тока по виткам электромагнитной катушки индуктора 7 происходят возбуждение вихревых токов Фуко в металлической мембране 9 и резкое импульсное колебание мембраны 9, в результате чего образуется ударно-волновой импульс, передаваемый в прилегающую к мембране акустическую линзу 11. Линза 11 формирует сходящийся низкоинтенсивный ударно-волновой пучок, который далее распространяется в жидкой среде до диафрагмы 2. Выполнение в линзе сквозных отверстий 12 обеспечивает интенсивный доступ воды к мембране, вследствие чего обеспечивается ее эффективное охлаждение. Кроме того, дополнительный вклад в снижение нагрева мембраны в процессе работы вносит ее выполнение в виде кольца (в результате особенностей вихревых токов, возникающих в кольцевой зоне). Эластичная акустически прозрачная диафрагма 2 плотно прилегает к поверхности биообъекта и передает ударно-волновое воздействие в ткани биообъекта (для лучшего прохождения волны между наружной поверхностью диафрагмы и биообъектом должен быть нанесен слой звукопроводящего геля). Ударная волна проходит через ткани биообъекта до целевой (таргетируемой) области, являющейся зоной воздействия. Воздействие на таргетируемую область происходит по всему фронту низкоинтенсивной ударной волны. Вследствие воздействия в таргетируемой области возникают эффекты: стимуляции метаболических процессов, пролиферации клеток, реваскуляризации, стимуляции притока крови, уменьшения воспалительных явлений и др.

При работе пьезоизлучателя звуковых волн 3 на него подается питание от блока питания по токопроводу 4. Пьезоизлучатель звуковых волн работает с постоянными значениями напряжения и частоты. Блок управления регулирует длительность воздействия звуковой волны. Пьезоизлучатель 3 формирует звуковую волну, которая проходит через диафрагму 2, слой звукопроводящего геля, нанесенного между диафрагмой и поверхностью биообъекта, и проникает в ткани биообъекта, вызывая расслабление гладкомышечных элементов внутренних органов и усиление перистальтики.

Включение в состав заявляемого технического решения пьезоизлучателя звуковых волн, размещенного на диафрагме, по сравнению с прототипом, позволяет обеспечить формирование излучателем не только ударных волн, но также и звуковых волн, что расширяет спектр воздействия устройства. При работе устройства обеспечиваются стимуляция метаболических процессов, пролиферация клеток, реваскуляризация, стимуляция притока крови, уменьшение воспалительных явлений и другие эффекты, обусловленные ударно-волновым воздействием, а также расслабление гладкомышечных элементов и активация перистальтики, обусловленные звуковым воздействием. Применение заявляемого устройства позволяет расширить спектр воздействия на биообъект при работе аппарата, в составе которого функционирует заявляемый излучатель, что способствует повышению эффективности лечения.

Контакт мембраны и плоской поверхности линзы (когда имеется одна граница раздела сред) по сравнению с выполнением в прототипе мембраны и линзы, разделенных слоем жидкости (когда имеются две границы раздела сред), обеспечивает снижение энергетических потерь при передаче ударно-волнового импульса и уменьшение искажений структуры ударной волны, что положительно влияет на эффективность стимулирующего воздействия ударной волны и, следовательно, повышает эффективность лечения при использовании заявляемого устройства.

Выполнение, в отличие от прототипа, сквозных отверстий в линзе, а также выполнение мембраны в виде кольца обеспечивают уменьшение нагревания мембраны (по сравнению с прототипом), что позволяет получить ударную волну с равномерным распределением плотности энергии на фронте волны, что уменьшает искажения структуры ударной волны и также оказывает положительное влияние на эффективность стимулирующего воздействия ударной волны при воздействии на таргетируемую область биообъекта и повышает эффективность лечения при использовании заявляемого устройства.