TWI790846B - 應用超音波裝置產生壓電刺激之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，包括：提供一包含透鏡及複數超音波傳感器之超音波裝置，其中，該透鏡具備相對之第一側及第二側，該複數超音波傳感器貼附於該第一側；以及利用該複數超音波傳感器產生震波，該震波從該第一側傳遞至該第二側並於該第二側產生橫向壓差及剪應力，以對位於該第二側上方之壓電材料提供剪應力刺激。
Description
本發明係有關一種應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，尤指一種應用超音波裝置產生壓電刺激以大幅提高生物體內的ERK(細胞外調節蛋白激酶)磷酸化反應之方法。
超音波技術係廣泛地應用在醫療領域，例如用於診斷，或是作為骨折或軟組織癒合的治療工具等。若要在生物體內特定部位激發膠原蛋白的壓電效應，超音波技術是目前已知的方法之一。然而，因為膠原蛋白屬於剪力型壓電材料，現今利用超音波技術所產生之壓力波來激發壓電效應的效率仍過低，導致在例如脊椎椎間盤退化、退化性關節炎之治療應用上，仍無法取得預期且有效的效果。
為解決上述課題，本發明之主要目的在於提供一種應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，包括：提供一包含透鏡及複數超音波傳感器之超音波裝置，其中，該透鏡具有相對之第一側及第二側，且該複數超音波傳感器貼附
於該第一側；以及利用該複數超音波傳感器產生震波，令該震波從該第一側傳遞至該第二側並於該第二側產生橫向壓差及剪應力，以對位於該第二側上方之壓電材料提供剪應力刺激。
於一實施例中，該壓電材料為硬骨、軟骨、硬骨內細胞/膠原蛋白或軟骨內細胞/膠原蛋白，且該剪應力刺激係用以活化該硬骨、該軟骨、該硬骨內細胞/膠原蛋白或該軟骨內細胞/膠原蛋白。
於一實施例中，該剪應力刺激更用以活化G蛋白偶聯受體。
於一實施例中，該透鏡之第二側上具有一凹槽。
於一實施例中，該凹槽為一球面凹槽。
於一實施例中，該凹槽內形成有複數傾斜聚焦部，且該複數傾斜聚焦部彼此相鄰且分別對應該複數超音波傳感器。
於一實施例中，各該複數傾斜聚焦部分別由一弧狀周緣段、一弧狀直徑段及一直線直徑段所圍繞界定，該弧狀周緣段及該弧狀直徑段的交點位於該透鏡之該第二側與該凹槽之交界處，該弧狀直徑段及該直線直徑段的交點位於該透鏡之中心處，該弧狀周緣段及該直線直徑段的交點位於該凹槽之周緣處並與該透鏡之該第二側之間具有一間距，且該弧狀直徑段及該直線直徑段的交點與該透鏡之該第二側之間的距離等於或大於該間距。
於一實施例中，以該複數傾斜聚焦部其中一者之該弧狀直徑段相鄰該複數傾斜聚焦部其中另一之該直線直徑段之方式，來使該複數傾斜聚焦部彼此相鄰。
於一實施例中，該超音波裝置用以產生分別控制該複數超音波傳感器之複數信號，該複數信號彼此之間係具有等量之相位差、不重疊且等量之工作週期，或部分重疊且等量之工作週期。
於一實施例中，該複數超音波傳感器產生之震波為1至15MHz，並以範圍在正負48V的輸入電壓來產生該震波。
本發明藉由產生具有等量之相位差、不重疊且等量之工作週期或部分重疊且等量之工作週期之複數信號來控制複數超音波傳感器，或是採用在其凹槽內具有複數傾斜聚焦部之透鏡，進而可對透鏡後方之壓電材料提供剪應力刺激，以同時利用壓力波及剪應力來共同激發壓電效應。相較於單純使用超音波激發壓電效應的情形，本發明可大幅提高生物體內的ERK磷酸化反應，有利於例如脊椎椎間盤退化、退化性關節炎之治療應用。
1,5:透鏡
100:超音波裝置
11,54:第一側
12,53:第二側
13,51:凹槽
2:超音波傳感器
31,32,33,41,42,43:信號
52:傾斜聚焦部
521:弧狀周緣段
522:弧狀直徑段
523:直線直徑段
6:固定件
7:螺絲
8:殼體
h:間距
S1~S2:步驟
圖1為本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法的流程示意圖。
圖2A及圖2B為本發明透鏡及超音波傳感器之不同視角之立體示意圖。
圖2C為本發明所採用之超音波裝置之整體示意圖。
圖2D為本發明所採用之超音波裝置之分解示意圖。
圖3為本發明第一實施態樣之波形示意圖。
圖4為本發明第二實施態樣之波形示意圖。
圖5為本發明第三實施態樣所採用之透鏡之立體示意圖。
圖6為本發明與先前技術之輸出電壓之比較示意圖。
圖7為先前技術之聲場分佈之示意圖。
圖8為本發明之聲場分佈之示意圖。
圖9為本發明與先前技術之細胞所反應出pERK強度之比較圖。
以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
請同時參閱圖1、圖2A及圖2B，係為本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法流程與所應用之透鏡及超音波傳感器之示意圖，於步驟S1中，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法是先提供一包含透鏡1及複數超音波傳感器2之超音波裝置100，其中，透鏡1具備相對之第一側11及第二側12，複數超音波傳感器2貼附於第一側11。
於步驟S2中，利用複數超音波傳感器2產生震波，震波從第一側11傳遞至第二側12並於第二側12產生橫向壓差及剪應力，以對位於第二側12上方之壓電材料提供剪應力刺激。於一實施例中，壓電材料可以是硬骨、軟骨、硬骨內細胞/膠原蛋白或軟骨內細胞/膠原蛋白，而剪應力刺激可活化硬骨、軟骨、硬骨內細胞/膠原蛋白、軟骨內細胞/膠原蛋白，細胞活化可透過ERK磷酸化反應檢驗。於一實施例中，剪應力刺激更用以活化G蛋白偶聯受體。
如圖2C及圖2D所示，超音波裝置100可更包含一固定件6、複數螺絲7及一殼體8。殼體8例如可以呈現錐體狀，透鏡1可容設於殼體8內，固定件6貼附複數超音波傳感器2，複數螺絲7穿設固定件6並鎖固至透鏡1，以防止超音波傳感器2從透鏡1上脫落。於一實施例中，超音波裝置100可以是一超音波設備的探頭，但並不以此為限。
本發明用以提供剪應力刺激之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法有多種實施態樣，以下將分別詳述之。
於第一實施態樣中，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法是採用圖2A及圖2B所示之透鏡1，透鏡1之第二側12上具有一凹槽13。於一實施例中，凹槽13可以是球面凹槽，但並不以此為限。如圖3所示，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法是讓超音波裝置100用以產生分別控制複數超音波傳感器2之複數信號31、32、33。複數信號31、32、33彼此之間具有等量之相位差。例如超音波傳感器2之數量為三個時，信號31、32、33彼此之間的相位差即為120度，若數量為四個時，相位差則為90度，但本發明並不以此為限。
於第二實施態樣中，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法係採用與第一實施態樣中相同之透鏡1，並讓超音波裝置100用以產生分別控制複數超音波傳感器2之複數信號。如圖4所示，與第一實施態樣不同的是，第二實施態樣中的複數信號41、42、43彼此之間具有不重疊且等量之工作週期，例如超音波傳感器2之數量為三個時，在一個完整的工作週期(100%)中，信號41、42、43各自的工作週期即為約33%(合計100%)。在其他實施例中，信號41、42、43的頭尾也可以部分重疊，例如信號41、42、43各自的工作週期為50%(部分重疊後合計100%)，但信號41、42、43各自的工作週期必須小於100%(即不可完全重疊)。不重疊之工作週期可較重疊之工作週期更節省能量。
於第三實施態樣中，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法則是採用與第一、二實施態樣不同的透鏡與信號，如圖5所示，透鏡5之第一側54上貼附有複數超音波傳感器2，第二側53上具有一凹槽51，凹槽51內形成有複數傾斜聚焦部52，且複數傾斜聚焦部52彼此相鄰且分別對應複數超音波傳感器
2。傾斜聚焦部52由一弧狀周緣段521、一弧狀直徑段522及一直線直徑段523所圍繞界定，弧狀周緣段521及弧狀直徑段522的交點位於透鏡5之第二側53與凹槽51之交界處，弧狀直徑段522及直線直徑段523的交點位於透鏡5之中心處，弧狀周緣段521及直線直徑段523的交點位於凹槽51之周緣處並與透鏡5之第二側53之間具有一間距h，且弧狀直徑段522及直線直徑段523的交點與透鏡5之第二側53之間的距離等於或大於間距h(即透鏡5之中心處自第二側53凹陷了等於或大於間距h的距離)。另外，複數傾斜聚焦部52彼此相鄰，是以複數傾斜聚焦部52其中一者之弧狀直徑段522相鄰複數傾斜聚焦部52其中另一之直線直徑段523之方式來達成，即複數傾斜聚焦部52可共同填滿凹槽51的底面。透過透鏡5具有複數傾斜聚焦部52之設計，不需要讓超音波裝置100產生如前述第一、二實施態樣中的複數信號31、32、33、41、42、43，只需要一般的信號，同樣也可對第二側53上之壓電材料提供剪應力刺激。
前述第一、二、三實施態樣中，複數超音波傳感器2產生之震波為1至15MHz，並以範圍在正負48V的輸入電壓來產生震波。於一實施例中，超音波傳感器2產生之震波最佳為1MHz，但本發明並不以此為限。
另外，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法可採用第一、二、三實施態樣中其中一者來實現，亦可以採用第一、二、三實施態樣之任意組合來實現，例如以第三實施態樣中的透鏡5來取代第一、二實施態樣中的透鏡2，本發明並不以此為限。
請參閱圖6，在相同輸入電壓下，通過本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法產生之超音波(壓力波)及剪應力所輸出的電壓，明顯低於先前技術中只產生超音波所輸出的電壓，這兩者之間會有差距是因為已產生了
剪應力，即輸入電壓的一部分已被轉換成剪應力。相同地，如圖7及圖8所示的透鏡1的中心處，圖7使用如圖2A之透鏡1及一般信號產生超音波，圖8則使用如圖2A之透鏡1及圖3之具有等量之相位差之複數信號31、32、33產生橫向壓差、超音波(壓力波)及剪應力，而圖8所展現的超音波示意圖明顯較圖7所展現的超音波示意圖來的集中，此亦證明有橫向壓差及剪應力的產生。
如圖9所示，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法所產生之超音波(壓力波)及剪應力，可於髓核細胞內產生相對於控制組約1.6倍的ERK磷酸化反應，而先前技術中只產生超音波者僅產生約1.2-1.3倍ERK磷酸化反應，由此可見本發明已確實突破了先前技術對細胞ERK的磷酸化反應的刺激極限。
綜上所述，本發明應用超音波裝置產生壓電刺激之方法可利用超音波(壓力波)及剪應力共同引導生物體內壓電效應的產生，相較於單純使用超音波激發壓電效應的情形，本發明可大幅提高生物體內的ERK磷酸化反應，有利於例如脊椎椎間盤退化、退化性關節炎之治療應用。
上述實施形態僅為例示性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。
S1~S2:步驟
Claims (10)
- 一種應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，包括：提供一包含透鏡及複數超音波傳感器之超音波裝置，其中，該透鏡具有相對之第一側及第二側，且該複數超音波傳感器貼附於該第一側；以及利用該複數超音波傳感器產生震波，令該震波從該第一側傳遞至該第二側並於該第二側產生橫向壓差及剪應力，以對位於該第二側上方之壓電材料提供剪應力刺激。
- 如請求項1所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，該壓電材料為硬骨、軟骨、硬骨內細胞/膠原蛋白或軟骨內細胞/膠原蛋白，且該剪應力刺激係用以活化該硬骨、該軟骨、該硬骨內細胞/膠原蛋白或該軟骨內細胞/膠原蛋白。
- 如請求項2所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，該剪應力刺激更用以活化G蛋白偶聯受體。
- 如請求項3所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，該透鏡之第二側上具有一凹槽。
- 如請求項4所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，該凹槽為一球面凹槽。
- 如請求項4所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，該凹槽內形成有複數傾斜聚焦部，且該複數傾斜聚焦部彼此相鄰且分別對應該複數超音波傳感器。
- 如請求項6所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，各該複數傾斜聚焦部分別由一弧狀周緣段、一弧狀直徑段及一直線直徑段 所圍繞界定，該弧狀周緣段及該弧狀直徑段的交點位於該透鏡之該第二側與該凹槽之交界處，該弧狀直徑段及該直線直徑段的交點位於該透鏡之中心處，該弧狀周緣段及該直線直徑段的交點位於該凹槽之周緣處並與該透鏡之該第二側之間具有一間距，且該弧狀直徑段及該直線直徑段的交點與該透鏡之該第二側之間的距離等於或大於該間距。
- 如請求項7所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，以該複數傾斜聚焦部其中一者之該弧狀直徑段相鄰該複數傾斜聚焦部其中另一之該直線直徑段之方式，來使該複數傾斜聚焦部彼此相鄰。
- 如請求項3所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，該超音波裝置用以產生分別控制該複數超音波傳感器之複數信號，該複數信號彼此之間係具有等量之相位差、不重疊且等量之工作週期，或部分重疊且等量之工作週期。
- 如請求項3所述之應用超音波裝置產生壓電刺激之方法，其中，該複數超音波傳感器產生之震波為1至15MHz，並以範圍在正負48V的輸入電壓來產生該震波。
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