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CN103118611B - 一种用于在医疗中使用水力空化的设备 - Google Patents

一种用于在医疗中使用水力空化的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将水力空化利用于医疗中诸如破坏肾结石或杀死受感染的癌细胞的设备。该设备包括：用作流体容器的水箱；压缩机，其连接到水箱以便维持流体的输入压力；管道，其中液体流过；探针，其中发生空化；阀，布置在管道内并允许流体流动到探针中；过滤器，其定位在管道内，防止预定尺寸微粒流入到探针中；装配件，其将探针连接到管道；流量计，其测量通过探针的流体的体积流率；影像捕捉单元，其捕捉气泡成长和气泡离开探针后的气泡破裂的连续影像；定位组件，其调整介于探针和目标表面之间的距离；以及控制器和数据采集单元。

Description

一种用于在医疗中使用水力空化的设备
技术领域
本发明涉及一种设备，其用于将水力空化利用于医疗中，诸如破坏肾结石、或杀死受感染的癌细胞。
背景技术
在许多国家的预算中医疗保健支出占据了显著大量的比重，并且经费开支远超过许多国家的国内生产总值的4％。应明智地管理这些巨大的分配用于医疗保健支出的预算，以便为威胁健康的主要疾病找到解决方案。
水力空化典型地利用局部静态压力减少到临界值以下而初始化。许多研究人员已经在某些文章和标准化多相教科书中对水力空化在多种涡轮机械中的影响进行了研究。已知的是，一旦观察到适当的空泡流(cavitating flow)条件，则每个液压装置容易受到由空化引起的损害。在大多数情况下，水力空化是不期望的，这是因为其限制了流体系统的性能、导致灾难性的破坏和流量哽塞、产生噪声、并降低效率。
存在两种源用于产生空泡流：水力和超声源。已经由各种研究者对超声空化在癌变组织的超声治疗中的使用进行了研究。此技术已广泛地应用于癌症治疗。它是非侵入式治疗，其中面临着某些困难以将治疗暴露于期望位置。与加热和电化学相关联的超声空化是昂贵的方法，并且需要大量的能量输入以初始化气泡空化和产生微/纳米气泡。
美国专利US20080194868已经公开了一种方法，其中水力空化用于将组分，特别是活性药物化合物实现结晶化。该文献中所公开的方法用于对化合物进行纯化/提纯。该方法的应用目标在于药物化合物的结晶化，并且适用于宏观尺度。
美国专利US19995860942已经公开了一种通过采用水力空化的牙科水冲洗器。在所述发明中该方法的应用在于将牙菌斑(plaque)从牙齿表面移除。水力空化用来产生自由基和水中离子以消除牙齿疾病。
美国专利US20060194868已经公开了一种通过使用水力空化而在液体中产生微气泡的装置和方法。在所述发明中，该方法的应用在于矿物恢复应用，用于清洁受污染的地下水，并且处理废水。该方法通常用于纯化/提纯。
发明内容
本发明的目的在于获得一种用于在医疗中使用水力空化的成本有效率/划算的设备。
本发明的另一目的在于获得一种用于在医疗中使用水力空化的能源有效率的设备。
附图说明
在附图中图释了用于将水力空化用于医疗以便实现本发明目的的设备，附图中：
图1是该设备的示意性表示。
附图中所示的元件的附图标记如下：
1.用于将水力空化用于医疗中的设备
2.水箱
3.压缩机
4.管道
5.探针
6.阀
7.过滤器
8.装配件
9.流量计
10.影像捕捉单元
11.定位组件
12.控制和数据采集单元
13.沟槽/通道
14.入口区域
15.排出区域
16.条带
17.加热器
18.电源
B：气泡
TS：目标表面
具体实施方式
一种将水力空化用于医疗治疗中的设备(1)，包括：
水箱(2)，用作流体的容器，
压缩机(3)，其连接到水箱(2)以便维持流体的输入压力，
管道(4)，其中流体流过，
探针(5)，其中发生空化，
阀(6)，其布置在管道(4)内，允许流体流动到探针(5)内，
过滤器(7)，其布置在管道(4)内，防止预定尺寸的微粒流进入到探针(5)中，
装配件(8)，其将探针(5)连接到管道(4)，
流量计(9)，其测量通过探针(5)的流体的体积流率，
影像捕捉单元(10)，捕获气泡(B)成长和气泡(B)离开探针(5)后的气泡(B)破裂的连续影像，
定位组件(11)，其调整介于探针(5)和目标表面(TS)之间的距离以及，
控制器和数据采集单元(12)。
探针(5)包括了在探针(5)两端之间延伸的通道/沟槽(13)。所述沟槽(13)包括：
入口区域(14)，在此处流体进入沟槽(13)并通过装配件(8)以及，
排出区域(15)，在此处由于空化而形成的气泡(B)从沟槽(13)中排出并暴露到目标表面(TS)。
在本发明的优选实施例中，沟槽(13)是微米或纳米尺度的。
在本发明的优选实施例中，微米/纳米沟槽(13)具有0.5-250μm的直径。具有纳米/微米尺寸内径的沟槽(13)具有标准外径，从而使得它们能够通过使用标准装配件(8)而连接到管道(4)。为了制备微米/纳米沟槽(13)，通过聚焦离子束或电子放电(EDM)法而钻出微米/纳米尺寸的孔(900nm-150μm)。所产生的微米/纳米尺寸内径的探针(5)的一端利用小装配件(8)而结合到管道(4)上，而另一端则是针对将要暴露给纳米/微米尺度气泡空化的目标表面。在制造微米/纳米探针(5)后，沟槽(13)被填充了纳米流体。在本发明的优选实施例中，使用孔同或铁基纳米流体。探针(5)被焦耳加热，从而使得纳米流体能够蒸发。作为蒸发的结果，铜或铁纳米颗粒被悬浮在沟槽(13)内壁上所沉积的纳米流体中。纳米/微米沟槽(13)壁上所产生的纳米结构便利于空化，从而使得需要更小的入口压力来用于产生微米/纳米尺寸气泡(B)。在该沉积后，探针(5)在乙醇溶液中清理。利用从多孔纳米结构的通道(13)壁出现的这些纳米结构和纳米/微米气泡(B)便利了空化。
定位组件(11)包括，
条带(16)，其固定在管道(4)的端部处，
加热器(17)，其与条带(16)相接触以及
电源(18)，其向加热器(17)提供必要电能。
在本发明的优选实施例中，条带(16)是T型硅条带(16)，其在两端处被固定、并接触着管道(4)，所述管道连接到探针(5)。加热器(17)沉积到条带(16)的硅层上。电源(18)向加热器(17)提供必要的电能。当电能从电源(18)提供到加热器(17)时，硅条带(16)由于温度上升后产生的热膨胀而弯曲，其导致将管道(4)推向目标表面(TS)并因而调整介于探针(5)与目标表面(TS)之间的距离。加热器(17)测量出所述条带(16)表面的温度，并且将包括条带(16)表面的温度数据的信号传输给控制器和数据采集单元(12)。
控制器和数据采集单元(12)连接到影像捕捉单元(10)、加热器(17)和电源(18)。它(12)从影像捕捉单元(10)接收影像数据，并针对目标表面(TS)的有效破坏而确定了在探针(5)与目标表面(TS)之间所需要的优选距离。所述控制器和数据采集单元(12)从加热器(17)接收条带(16)表面的温度数据。通过影像数据的帮助，控制器和数据采集单元(12)确定了该距离并且激活/启动了电源(18)。在电源(18)被激活后，控制器和数据采集单元(12)控制所述条带(16)的弯曲，以便通过使用来自加热器(17)的温度输入而调整探针(5)与目标表面(TS)之间的所述确定的优选距离。
当设备(1)启动时，压缩机(3)使水箱(2)内的流体达到预定压力。随后打开阀(6)，并且水箱(2)中的流体开始流入到管道(4)中。在流体进入到沟槽(13)内之前，它通过过滤器(7)从具有预定尺寸的非期望对象而过滤。因而，这防止了由流体内的大颗粒所产生的沟槽阻塞。在流体进入到沟槽(13)以后，它流动通过沟槽(13)并且经受严重和突然的压降。因此，流体的局部静态压力减小。如果在合适条件下压力减小到特定临界值，气泡(B)开始在流体内形成并且从沟槽(13)壁内出现。在沟槽(13)的排出区域(15)处，观察到气泡空化。随后，气泡(B)排出沟槽(13)并撞击所述目标表面(TS)。尽管它们从沟槽(13)中排出，但是它们的影像由影像捕捉单元(10)而捕获以便控制气泡(B)的尺寸和介于探针(5)与目标表面(TS)之间的距离。所捕获的影像数据被发送给控制器和数据采集单元(12)。控制器和数据采集单元(12)通过使用所接收的影像数据，确定了介于探针(5)与目标表面(TS)之间用于摧毁目标表面(TS)的最有效距离。如果介于探针(P)和目标表面(TS)之间的距离并不足够彼此靠近，所述单元(12)激活电源(18)，以及加热器(17)开始加热条带(16)的硅层。当硅条带(16)的温度增加时，它开始弯曲，这导致管道(4)以及与其连接的探针(5)的移动。当加热器(17)运转时，温度数据通过加热器(17)而发送给控制器和数据采集单元(12)。所述控制器和数据采集单元(12)通过使用温度输入而控制条带(16)的弯曲量，并随着从影像捕捉单元(10)获得的反馈(影像数据)而调整介于目标表面(TS)与探针(5)之间的有效摧毁距离。
由水化气泡空化所产生的气泡(B)在表面上一旦定位，则对于表面是高度破坏性的。由于该原因，它们用于诸如破坏肾结石或杀死受感染癌细胞这样的各种处理。
在本发明的优选实施例中，设备(1)中所使用的流体是去离子水和磷酸盐缓冲盐水(PBS)。去离子水用于肾结石治疗，其中环境与该液体相兼容，而用于杀死癌细胞的流体则应当是PBS，其是针对细胞培养物的兼容液体。
在本发明的优选实施例中，影像捕捉单元(10)是电荷耦合装置(CCD)照相机。
尽管本发明已经进行了详细描述和图释，但是应该清楚理解的是，其仅仅是借助于图释和示例的方式而不是采取任何形式限制，本发明的精神和范围仅通过所附权利要求书进行限定。

Claims (10)

1.一种将水力空化利用于医疗中的装置，包括：
水箱，其用作流体的容器，
压缩机，其连接到水箱以保持流体的输入压力，
管道，其中流体流过，
探针，其中发生空化，
阀，其布置在管道内，允许流体流动到探针中，
过滤器，其布置在管道内，防止预定尺寸微粒流入到探针中，
装配件，其将探针连接到管道，
流量计，其测量通过探针的流体的体积流率，
影像捕捉单元，其捕获气泡成长和气泡离开探针后的气泡破裂的连续影像，
定位组件，其调整探针和目标表面之间的距离以及，
控制器和数据获取单元。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述探针包括在探针两端之间延伸的沟槽，所述沟槽包括：
入口区域，其中在此处流体进入沟槽并通过装配件以及，
排出区域，其中在此处由于空化而产生的气泡从沟槽中排出并暴露到目标表面。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述定位组件包括：
条带，其固定在管道的端部，
加热器，其与条带接触以及
电源，其为加热器提供必要电能。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述沟槽是微米或纳米级的。
5.如权利要求4所述的装置，其中在制备所述沟槽时，通过聚焦离子束或电子放电法（EDM）为探针钻出微米/纳米尺寸的孔。
6.如权利要求5所述的装置，其中所使用的条带是T型硅条带。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述控制器和数据获取单元连接到所述影像捕捉单元、加热器和电源。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述控制器和数据获取单元从影像捕捉单元接收影像数据，并针对目标表面的有效破坏而确定探针和目标表面之间所需的最佳距离。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述控制器和数据获取单元从加热器接收条带表面的温度数据。
10.如权利要求8或9所述的装置，其中所述控制器和数据获取单元通过使用温度数据控制条带的弯曲量并根据从影像捕捉单元获得的影像数据调整目标表面和探针之间的有效摧毁距离。
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