CN109453461B - 压电式超音波热电疗*** - Google Patents

Abstract

一种压电式超音波热电疗***包括第一压电元件、第二压电元件、质量块以及输出单元。质量块设置于第一压电元件与第二压电元件之间，第一压电元件藉由电源供电产生振荡，质量块传导振荡至第二压电元件，使第二压电元件产生一电力。输出单元包括连接端面以及尖端面，输出单元电性连接第二压电元件，其中连接端面连接第一压电元件，尖端面呈锥形，电力与振荡由尖端面输出。

Description

压电式超音波热电疗***

技术领域

本发明是关于一种压电式超音波热电疗***，特别是一种可同时提供物理电疗所需的电压与超音波治疗的振荡的压电式超音波热电疗***。

背景技术

通常压电元件的应用，是单纯地以机械能转为电能，或者以电能转为机械能；然而压电元件既然可以利用电压产生振荡，又可以利用振荡(造成形变)产生电力，如此一来在一个***中设计两个压电元件，一个作为振荡源，另一个作为电力源，利用振荡的特性产生电力当可有不同的应用变化。台湾发明专利号I500465已揭示在一个***中设计两个压电元件，一个作为振荡源，另一个作为电力源，利用振荡的特性产生电力的复合式压电***。但此复合式压电***并非针对超音波热电疗所设计，故此类压电系于应用层面上仍有值得进一步研究开发的部分。

传统使用的电针刺激会拥有一个手环或贴片，抑或由使用者握住金属导体作为负极回路，或使用者坐于含有电负极的椅子，产生电刺激回路。而不论是手环、贴片或坐于含有电负极的椅子，使得用于电疗的元件多且使用方式较为复杂，并且此类电疗元件无法同时提供超音波热疗，因此，此类电疗元件不论在使用的便利性与功能性上都有改进的空间。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可同时提供物理电疗所需的电压与超音波治疗的振荡的压电式超音波热电疗***。

为达成上述的目的，本发明的压电式超音波热电疗***包括第一压电元件、第二压电元件、质量块以及输出单元。第一压电元件设置于输出单元与质量块之间，质量块设置于第一压电元件与第二压电元件之间，第一压电元件藉由电源供电产生振荡，质量块传导振荡至第二压电元件，使第二压电元件产生一电力。输出单元包括连接端面以及尖端面，输出单元电性连接第二压电元件，其中连接端面连接第一压电元件，电力与振荡藉由尖端面输出。

本发明的压电式超音波热电疗***利用两组压电元件，其中第一压电元件做为致动器，经电源驱动产生高振幅的振荡，并透过质量块传输部份振荡能至第二压电元件并保留部份振荡机械能，第二压电元件接收从致动器发送功率的一部分，并利用正压电效应原理产生医疗应用所需的电能，以便在输出端同时产生振荡与放电而达成超音波热疗与电疗的功能。

附图说明

图1A为本发明的压电式超音波热电疗***的第一实施例的示意图。

图1B为本发明的压电式超音波热电疗***的方块示意图。

图2为本发明的压电式超音波热电疗***的第一实施例的使用状态示意图。

图3为本发明的压电式超音波热电疗***的第二实施例的示意图。

图4为本发明的压电式超音波热电疗***的第二实施例的使用状态示意图。

图5为本发明的压电式超音波热电疗***的第三实施例的示意图。

图6为本发明的压电式超音波热电疗***的第三实施例的结构***示意图。

图7为本发明的压电式超音波热电疗***的第四实施例的示意图。

图8为压电式超音波热电疗***的第四实施例的输出单元的局部示意图。

图9A为压电式超音波热电疗***的第四实施例的输出单元的输出端面的示意图。

图9B为压电式超音波热电疗***的第四实施例的输出单元的输出端面的剖视图。

图10为本发明的压电式超音波热电疗***的第五实施例的示意图。

图11为压电式超音波热电疗***的第五实施例的输出单元的局部示意图。

图12A为压电式超音波热电疗***的第五实施例的输出单元的输出端面的示意图。

图12B为压电式超音波热电疗***的第五实施例的输出单元的输出端面的剖视图。

图13为本发明的压电式超音波热电疗***的以三组共振频率点使用跳频控制实施例，经能量转换后所得模拟调幅(Amplitude Modulation)波形。

其中附图标记为：

压电式超音波热电疗***1、1a、1c、1d第一压电元件10

质量块20第一端面21

第二端面22第二压电元件30

输出单元40、40a、40b连接端面41

尖端面42、42a锥形输出体43

中空管体44端面441

输出面45驱动控制器50

微处理器60直径R₁、R₂、R₃、R₄

第一长度L₁第二长度L₂

电源100使用者90

斜向切面442

具体实施方式

为能让贵审查委员能更了解本发明的技术内容，特举较佳具体实施例说明如下。以下请一并参考图1A、图1B与图2关于本发明的压电式超音波热电疗***的第一实施例的示意图、***方块示意图以及使用状态示意图。

如图1A与图1B所示，在本实施例中，本发明的压电式超音波热电疗***1包括第一压电元件10、质量块20、第二压电元件30、输出单元40、驱动控制器50以及微处理器60，第一压电元件10设置于输出单元40与质量块20之间，质量块20位于第一压电元件10与第二压电元件30之间。驱动控制器50与第一压电元件10电性相连，以使第一压电元件10产生多个共振频率，多组共振频率为三组共振频率或五组共振频率，根据本发明之一实施例，多组共振频率包括50.3kHz、200.8kHz及408.2kHz。由于利用驱动控制器(例如波形产生器及调节器与放大器等电路)产生交错的数个共振频率为已知的技术，故不在此多赘述。微处理器60电性连接第一压电元件10，并使用跳频(Frequency-Hopping)技术，将多组共振频率的弦波，利用控制输出的频率周期性跳频达到FM(Frequency Modulation)效果。

如图1A所示，在本实施例中，第一压电元件10与第二压电元件30都使用PZT-8(VP-A80)压电材料。第一压电元件10藉由电源100供电产生振荡。也就是利用逆压电效应，对第一压电元件10施加电场(电压)，因电场作用时电偶极矩会被拉长，使第一压电元件10产生抵抗变化，沿着电场方向伸长的机械形变，以产生振荡，在此第一压电元件10为致动器。由于压电元件的振荡原理为熟悉本项技术者所知悉，故未在此多赘述。

质量块20传导第一压电元件10的振荡至第二压电元件30，以使第二压电元件30产生电力。也就是利用正压电效应，振荡所产生的物理压力(位移)施加在第二压电元件30时，第二压电元件30的电偶极矩会因压缩而变短，于表面上产生等量正负电荷，以保持原状，而产生电力，在此第二压电元件30为发电器。如图1A与图2所示，在压电式超音波热电疗***1的第一实施例中，输出单元40包括连接端面41与尖端面42，锥形的尖端面42可用于非侵入式针灸并针对使用者90进行单点电疗。

以下请参考图3与图4关于本发明的压电式超音波热电疗***的第二实施例的示意图以及第二实施例的使用状态示意图。

如图3与图4所示，在压电式超音波热电疗***1a的第二实施例中，输出单元40a包括一输出面45，输出面45呈圆盘型且与尖端面42连接，压电式超音波热电疗***1a产生的电力与振荡藉由尖端面42经输出面45输出，其中，根据本发明的一实施例，输出面45可应用于加速涂抹药物的扩散与使用者90皮肤表层的吸收，且压电式超音波热电疗***1a的输出面45仅用于超音波热疗。

以下请参考图5与图6关于本发明的压电式超音波热电疗***的第三实施例的示意图以及第三实施例的使用状态示意图。

如图5与图6所示，在压电式超音波热电疗***1b的第三实施例中，输出单元40b包括连接端面41、尖端面42、锥形输出体43以及中空管体44，锥形输出体43套接于中空管体44内。输出单元40电性连接第二压电元件30，其中连接端面41连接第一压电元件10，以便将第二压电元件30产生的电力以及第一压电元件10产生的振荡藉由尖端面42输出，其中在本实施例中，尖端面42为电力的正极输出端，尖端面42在此提供电疗效果，中空管体44的端面441为电力的负极输出端，端面441的输入符合超音波热疗规格的高频振动。在本实施例中，端面441为平面，端面441将负极环绕于正极端点强化面状放电效果，可增加放电效率，同时尖端面42与端面441复合作用增进疗效，于人体穴道点位经电刺激达到针捻效果，经超音波振动刺激达到热灸效果。

以下请一并参考图7、图8、图9A与图9B关于本发明的压电式超音波热电疗***的第四实施例的示意图、输出单元的局部示意图、输出单元的输出端面的示意图以及第四实施例的使用状态示意图。

如图7与图8所示，在本实施例中，中空管体44包括端面441与斜向切面442，斜向切面442位于端面441，针对超音波热疗部分，斜向切面442用于结构聚焦。如图9A与图9B所示，端面441带负电，输出单元40b的尖端面42带正电，于人体表面藉由正负电交互作用产生电信号回路进行电疗效果，端面441与尖端面42皆碰触人体，且端面441与尖端面42的输入符合超音波热疗规格的高频振动。此外，斜向切面442能将高频振动信号导向聚焦，并与尖端面42复合作用增进疗效，于人体穴道点位经电刺激达到针捻效果，经超音波振动刺激达到热灸效果。在此须注意的是，斜向切面442的倾斜角度并没有特别的限制，***设计者可视实际需要改变斜向切面442的倾斜角度，以达到将高频振动信号导向聚焦，并期与电疗作用区域复合作用增进疗效，于人体穴道点位经电刺激达到针捻效果，经超音波振动刺激达到热灸的效果即可。

与第三实施例相比，藉由输出单元40b的尖端面42以及斜向切面442的设计，可使输出单元40b的输出聚焦于欲治疗的目标区域，并针对该目标区域进行超音波热疗且结合电疗，进行双重疗效，加强效果。压电式超音波热电疗***1c的电疗与热疗复合效果的目标为针灸式单点效果，所以压电式超音波热电疗***1c能将声波聚焦于穴道点，并于穴道点进行电信号刺激，电信号实现电刺激电疗，负责针捻刺激穴道的效果，声波信号实现热疗效果活化目标区域细胞，负责热灸效果。

与先前技术提及的电针刺激会拥有一个手环抑或贴片，将负电导向于手腕担任负极以形成电回路不同之处在于，本发明的压电式超音波热电疗***1c将端面441(负极)直接利用机构环绕在尖端面42(正电极)接触端周围，加强正负极单点作用效果。而关于本发明的压电式超音波热电疗***1c的振动效果，则利用斜向切面442以斜切角进行方向变化使本发明的压电式超音波热电疗***1c的输出聚焦于欲治疗的目标区域亦有助于活化目标区域细胞以提供热疗效果。

以下请再参考图1A。如图1A所示，质量块20包括第一端面21以及相对第一端面21的第二端面22，其中第一端面21直径R1的大小取决于第一压电元件10的直径大小，而第二端面22直径R2的大小则是根据应用的对象进行选择，通常R₁>R₂。本发明的压电式超音波热电疗***1乃用于超音波热疗与电疗，所以直径R1与R2间的建议比例为，

但本发明不以此为限。在此需注意的是，因为第一压电元件10端面的振动幅度很小(几微米)，须藉由变幅杆放大第一压电元件10端面的振动，以提升输出推力。在本发明的压电式超音波热电疗***1用于超音波热疗与电疗的实施例中，质量块20与输出单元40都是放大第一压电元件10端面的振动的变幅杆，但因为质量块20与输出单元40的功用不同，所以质量块20与输出单元40有不同的设计限制。

如图1A所示，在本实施例中，做为变幅杆的一的质量块20具有第一长度L1，第一长度L1藉由下方算式求得：

其中c为纵波声速，f为压电式超音波热电疗***1的操作频率，根据本发明的一具体实施例，压电式超音波热电疗***1的操作频率可以是第一压电元件10产生的多组共振频率的平均值。在一具体实施例中，c＝6300m/s，R₁＝30mm，R₂＝15mm，f＝150kHz，

将前述各参数带入公式即可得出第一长度L1为21.5mm。

因输出单元40也是放大第一压电元件10端面的振动的变幅杆，故连接端面41、尖端面42以及输出单元40的尺寸也有所限制，其中连接端面41直径R3的大小取决于第一压电元件10的直径大小，尖端面42直径R4的大小则是根据应用的对象来进行选择，其中根据本发明的一实施例，因本发明的压电式超音波热电疗***1、1a、1b乃用于超音波热疗与电疗，所以直径R3与R4间的比例可以是，

但本发明不以此为限。此外，输出单元40具有第二长度L2，其中第二长度L2藉由右方算式求得：

其中c为纵波声速，f为该压电式超音波热电疗***的操作频率，根据本发明的一具体实施例，压电式超音波热电疗***1、1a、1b的操作频率可以是第一压电元件10产生的多组共振频率的平均值。根据本发明的一具体实施例，c＝6300m/s，R₁＝30mm，R₂＝3mm，f＝150kHz，

将前述各参数带入上式即可得出第二长度L2为26mm。

以下请参考图10、图11、图12A与图12B，关于本发明的压电式超音波热电疗***的第五实施例的示意图、输出单元的局部示意图、输出单元的输出端面的示意图以及输出单元的输出端面的剖视图。

如图10与图11所示，在本实施例中，输出单元40b整体呈锥形的尖端面42a成针状，其余细节与第一实施例相同，中空管体44包括端面441与斜向切面442，斜向切面442位于端面441，针对超音波热疗部分，斜向切面442用于结构聚焦。如图9A与图9B所示，端面441带负电，输出单元40b的尖端面42带正电，于人体表面藉由正负电交互作用产生电信号回路进行电疗效果，端面441与尖端面42皆碰触人体，端面441与尖端面42的输入符合超音波热疗规格的高频振动。此外，斜向切面442能将高频振动信号导向聚焦，并与尖端面42复合作用增进疗效，于人体穴道点位经电刺激达到针捻效果，经超音波振动刺激达到热灸效果。在此须注意的是，斜向切面442的倾斜角度并没有特别的限制，***设计者可视实际需要改变斜向切面442的倾斜角度，以达到将高频振动信号导向聚焦，并期与电疗作用区域复合作用增进疗效，于人体穴道点位经电刺激达到针捻效果，经超音波振动刺激达到热灸的效果即可。

针对超音波热疗部分，尖端面42a设计结构聚焦，如图12B所示。靠近尖端面42a的区域为尖端正极(尖端面42a)与环状负极(端面441)交互作用区，其系输入符合电刺激的波形信号进行浅层电疗，端面441与尖端面42a皆碰触人体，其输入符合超音波热疗规格的高频振动。此外，斜向切面442能将高频振动信号导向聚焦，并与电疗作用区域复合作用增进疗效，于人体穴道点位经电刺激达到针捻效果，经超音波振动刺激达到热灸效果。

以下请参考图1B并一起参考图13，其中图13为本发明的压电式超音波热电疗***的以三组共振频率点使用跳频控制，经能量转换后所得模拟调幅(Amplitude Modulation)波形。

如图1B所示，第一压电元件10藉由电源100供电产生振荡，并藉由驱动控制器50使第一压电元件10产生多组共振频率。经实验测量可得50.3kHz、200.8kHz及408.2kHz三组共振频率点，将50.3kHz、200.8kHz及408.2kHz三种频率的弦波，利用由微处理器60控制输出，经能量转换后可得模拟调幅(Amplitude Modulation)波形，形成如图13所示的效果。利用微处理器60控制第一压电元件10实现调幅波形输出，并切换第一压电元件10与第二压电元件20于不同模态间操作，再将输出不同振幅的电压并予以合成，以便模拟输出最佳的全调幅波形，同时本实施例的压电式超音波热电疗***1设计时一并参考电疗规格，以便达到满足超音波电疗与热疗需求的频率与电压标准。

在此需注意的是，控制第二压电元件20产生调幅理想波形，有两种主要方法，其一为控制电源100输入第一压电元件10的电压，由逆压电效应可知当输入较大电压，第一压电元件10可产生类线性正相关位移输出，当位移输出增大，第二压电元件20受力也会因此上升而使发电量产生变化。第二种方法是找到压电式超音波热电疗***1的共振频率后予以切换，在固定输入电压的情况下不同的共振频率会产生不同的位移输出量，然此为输出量的变化为非线性，造成第二压电元件30受力变化进而达到发电量变化。由于人体接受固定频率信号其细胞会产生适应作用而无法触发生物电位作动，所以必须由压电式超音波热电疗***1的频率变化下手，所以在本发明的一实施例中，压电式超音波热电疗***1选用第二种方法。

如前述，由于第一压电元件10与第二压电元件30尺寸设计不同，两者的共振频率也有差异，使得压电式超音波热电疗***1作动时发生下列三种情形：1.第一压电元件10共振，第二压电元件30非共振，此方式第二压电元件30受力大但发电效率较低。2.第一压电元件10非共振，第二压电元件30共振，此方式第二压电元件30受力较小但发电效率高。3.第一压电元件10共振，第二压电元件30共振，此方式第二压电元件30位移变化大且发电效率高。

于实际运作时，本发明的压电式超音波热电疗***1不需要在最理想的第三种情况下操作，因为调幅波形需要一些相对低的电压输出予以合成调幅，其第三种情况发生于调幅峰值，并将第一、二种情况予以参考混合。微处理器60合成时并不一定只有三种频率，对人体来说，渐进式信号会较为舒适，故可采用五种频率以上予以合成。此外，因为一般电疗仪器并非只有调幅波形输出，驱动控制器50的设计也含有脉冲信号以及间歇性变化的设计，藉由频率控制令压电式超音波热电疗***1振动频率达750kHz，以满足超音波热疗的振动频率规范。

本发明的压电式超音波热电疗***1、1a、1c、1d利用两组压电元件，其中第一压电元件10做为致动器，经电源驱动产生高振幅的振荡作用，并透过质量块20传输部份振荡能至第二压电元件30并保留部份振荡机械能，第二压电元件30接收从第一压电元件10发送功率的一部分，并利用正压电效应原理产生医疗应用所需的电能，以便在尖端面42同时产生振荡与放电而达成超音波热疗与电疗的功能。

本发明的压电式超音波热电疗***1、1a、1c、1d的设计不同于传统电子式电针。传统电子式电针大多要一个手腕电环作为电回路的传导，或使用者要坐于含有电负极的椅子，产生电刺激回路。本发明的压电式超音波热电疗***1、1a、1c、1d的输出端面41与尖端面42、42a、42c强调单点效果，能针对小范围的区域进行电刺激传导。本发明的压电式超音波热电疗***1、1a、1c、1d的输出端面41(负极)与尖端面42、42a、42c(正电极)间输出，能针对遇治疗的目标区域进行电刺激交互作用，并导入超音波热疗机制，不但能活化刺激目标细胞并提升药物经皮吸收机转，同时，本发明的压电式超音波热电疗***1、1a、1c、1d能同时提供电刺激与超音波热疗，使本发明的压电式超音波热电疗***1、1a、1c、1d具有复合作用以便增进疗效。

需注意的是，上述仅为实施例，而非限制于实施例。譬如此不脱离本发明基本架构者，皆应为本专利所主张的权利范围，而应以专利申请范围为准。

Claims (7)

1.一种压电式超音波热电疗***，其特征在于，该压电式超音波热电疗***用于一人体表面，该压电式超音波热电疗***包括：

一第一压电元件，藉由一电源供电产生一振荡；

一第二压电元件；

一质量块，设置于该第一压电元件与该第二压电元件之间，该质量块传导该振荡至该第二压电元件，使该第二压电元件产生一电力；以及

一输出单元，包括一中空管体、一连接端面以及一尖端面，该尖端面套设于该中空管体内，其中该尖端面为该电力的正极输出端，该中空管体的一端面为该电力的负极输出端，该第一压电元件设置于该输出单元与该质量块之间，该输出单元电性连接该第二压电元件，其中该连接端面连接该第一压电元件，该尖端面呈锥形，该电力与该振荡藉由该尖端面输出，且于该压电式超音波热电疗***运作时，该尖端面及该端面皆接触该人体表面。

2.如权利要求1所述的压电式超音波热电疗***，其特征在于，该中空管体包括一斜向切面，该斜向切面位于该端面。

3.如权利要求1所述的压电式超音波热电疗***，其特征在于，包括一驱动控制器，电性连接该第一压电元件，将该第一压电元件驱动于多组共振频率。

4.如权利要求3所述的压电式超音波热电疗***，其特征在于，该多组共振频率为第一压电元件与第二压电元件相互耦合的共振频率。

5.如权利要求1所述的压电式超音波热电疗***，其特征在于，该质量块包括一第一端面以及相对该第一端面的一第二端面，该第一端面包括直径R₁，该第二端面包括直径R₂，该质量块包括一第一长度L₁，其中该第一长度L₁藉由右方算式求得：

其中c为纵波声速，f为该压电式超音波热电疗***的操作频率，

N為該第一端面與該第二端面的直徑比值。

6.如权利要求1或5所述的压电式超音波热电疗***，其特征在于，该连接端面包括直径R₃，该尖端面包括直径R₄，该输出单元包括一第二长度L₂，其中该第二长度L₂藉由右方算式求得：

其中c为纵波声速，f为该压电式超音波热电疗***的操作频率，

N为该连接端面与该尖端面的直径比值。

7.如权利要求3所述的压电式超音波热电疗***，其特征在于，包括一微处理器，电性连接该第一压电元件，并使用跳频技术，将该多组共振频率的弦波，利用控制输出的频率周期性跳频达到FM效果。

Images