JP2017523891A - キャビテーション(cavitation)を伴うことなく、交互切替超音波伝達(Alternating Ultrasonic Transmissions)の効果を齎すための方法および装置。 - Google Patents
キャビテーション(cavitation)を伴うことなく、交互切替超音波伝達(Alternating Ultrasonic Transmissions)の効果を齎すための方法および装置。 Download PDFInfo
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Abstract
超音波の発生は、一般に、慣性および非慣性の音響キャビテーション(cavitation)の両方によって特徴付けられる、音響場を生成し、それにより、微小気泡およびその関連する微小流の非線形振動ならびに超音波によって生成された放射力が、従来の超音波伝達と接触する、材料、溶液または生体細胞において、強力な熱効果に導くプロセスである。通常、超音波信号は、超音波伝達を受ける材料が、伝達に応答して共鳴する、共鳴効果である、音響振動効果と、残念ながら、多くの応用において、キャビテーション(cavitation)損傷効果および熱損傷の効果との両方を含む。本発明は、熱効果と機械的効果の両方において、超音波の損傷効果を低減するため、ならびに、音響化学応用、材料科学および生物学または医学的応用で使用できる、より安全な超音波プロセスを提供するための方法と装置の両方である。
Description
関連出願の相互参照
この出願は、米国特許商標局で出願された以下の仮出願、すなわち、
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY PATCH WITH MULTIPLE ABSORBENT PADS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,623号);
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE OR PATCH AND METHOD OF DELIVERING INSULIN FROM SAID MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998/622号);
“METHOD FOR GLUCOSE CONTROL IN DIABETICS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,624号);
“ULTRASONIC TRANSDUCERS SUITABLE FOR ULTRASONIC DRUG DELIVERY VIA A SYSTEM WHICH IS PORTABLE AND WEARABLE BY THE PATIENT”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月7日に出願、米国仮特許出願第61/998,683号);
“METHOD FOR THE ATTENUATION ENHANCEMENT OF ABSORBENT MATERIALS USED IN BOTH PASSIVE AND ACTIVE TRANSDERMAL DRUG DELIVERY SYSTEMS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998,788号);
“MODIFICATION OF PHARMACEUTICAL PREPARATIONS TO MAKE THEM MORE CONDUCIVE TO ULTRASONIC TRANSDERMAL DELIVERY”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998/790号);
“METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE DOSE REMAINING UPON A TRANSDERMAL DRUG DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年8月1日に出願、米国仮特許出願第61/999,589号);
“ULTRASONICALLY ENHANCED SEED GERMINATION SYSTEM SOIL TREATMENT PROCESS”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年1月2日に出願、米国仮特許出願第62/124,758号);
“ULTRASONIC TREATMENT OF SEEDS DELTA SEED MACHINE”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,836号);
“METHOD AND APPARATUS FOR EFFECTING ALTERNATING ULTRASONIC TRANSMISSIONS WITHOUT CAVITATION”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,837号)
に関し、それらを基に優先権を主張し、そして、それらの利益を主張する。
この出願は、米国特許商標局で出願された以下の仮出願、すなわち、
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY PATCH WITH MULTIPLE ABSORBENT PADS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,623号);
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE OR PATCH AND METHOD OF DELIVERING INSULIN FROM SAID MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998/622号);
“METHOD FOR GLUCOSE CONTROL IN DIABETICS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,624号);
“ULTRASONIC TRANSDUCERS SUITABLE FOR ULTRASONIC DRUG DELIVERY VIA A SYSTEM WHICH IS PORTABLE AND WEARABLE BY THE PATIENT”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月7日に出願、米国仮特許出願第61/998,683号);
“METHOD FOR THE ATTENUATION ENHANCEMENT OF ABSORBENT MATERIALS USED IN BOTH PASSIVE AND ACTIVE TRANSDERMAL DRUG DELIVERY SYSTEMS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998,788号);
“MODIFICATION OF PHARMACEUTICAL PREPARATIONS TO MAKE THEM MORE CONDUCIVE TO ULTRASONIC TRANSDERMAL DELIVERY”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998/790号);
“METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE DOSE REMAINING UPON A TRANSDERMAL DRUG DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年8月1日に出願、米国仮特許出願第61/999,589号);
“ULTRASONICALLY ENHANCED SEED GERMINATION SYSTEM SOIL TREATMENT PROCESS”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年1月2日に出願、米国仮特許出願第62/124,758号);
“ULTRASONIC TREATMENT OF SEEDS DELTA SEED MACHINE”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,836号);
“METHOD AND APPARATUS FOR EFFECTING ALTERNATING ULTRASONIC TRANSMISSIONS WITHOUT CAVITATION”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,837号)
に関し、それらを基に優先権を主張し、そして、それらの利益を主張する。
従って、この出願は、米国特許商標局に、出願された以下の仮出願、すなわち、
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY PATCH WITH MULTIPLE ABSORBENT PADS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,623号);
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE OR PATCH AND METHOD OF DELIVERING INSULIN FROM SAID MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998/622号);
“METHOD FOR GLUCOSE CONTROL IN DIABETICS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,624号);
“ULTRASONIC TRANSDUCERS SUITABLE FOR ULTRASONIC DRUG DELIVERY VIA A SYSTEM WHICH IS PORTABLE AND WEARABLE BY THE PATIENT”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月7日に出願、米国仮特許出願第61/998,683号);
“METHOD FOR THE ATTENUATION ENHANCEMENT OF ABSORBENT MATERIALS USED IN BOTH PASSIVE AND ACTIVE TRANSDERMAL DRUG DELIVERY SYSTEMS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998,788号);
“MODIFICATION OF PHARMACEUTICAL PREPARATIONS TO MAKE THEM MORE CONDUCIVE TO ULTRASONIC TRANSDERMAL DELIVERY”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998/790号);
“METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE DOSE REMAINING UPON A TRANSDERMAL DRUG DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年8月1日に出願、米国仮特許出願第61/999,589号);
“ULTRASONICALLY ENHANCED SEED GERMINATION SYSTEM SOIL TREATMENT PROCESS”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年1月2日に出願、米国仮特許出願第62/124,758号);
“ULTRASONIC TREATMENT OF SEEDS DELTA SEED MACHINE”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,836号);
“METHOD AND APPARATUS FOR EFFECTING ALTERNATING ULTRASONIC TRANSMISSIONS WITHOUT CAVITATION”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,837号)”
の、要約書、明細書、図面および特許請求の範囲に開示される対象物の全内容を参照により本明細書に組み込む。
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY PATCH WITH MULTIPLE ABSORBENT PADS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,623号);
“MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE OR PATCH AND METHOD OF DELIVERING INSULIN FROM SAID MODIFIED TRANSDERMAL DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998/622号);
“METHOD FOR GLUCOSE CONTROL IN DIABETICS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月3日に出願、米国仮特許出願第61/998,624号);
“ULTRASONIC TRANSDUCERS SUITABLE FOR ULTRASONIC DRUG DELIVERY VIA A SYSTEM WHICH IS PORTABLE AND WEARABLE BY THE PATIENT”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月7日に出願、米国仮特許出願第61/998,683号);
“METHOD FOR THE ATTENUATION ENHANCEMENT OF ABSORBENT MATERIALS USED IN BOTH PASSIVE AND ACTIVE TRANSDERMAL DRUG DELIVERY SYSTEMS”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998,788号);
“MODIFICATION OF PHARMACEUTICAL PREPARATIONS TO MAKE THEM MORE CONDUCIVE TO ULTRASONIC TRANSDERMAL DELIVERY”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年7月9日に出願、米国仮特許出願第61/998/790号);
“METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE DOSE REMAINING UPON A TRANSDERMAL DRUG DELIVERY DEVICE”,Bruce K.Redding,Jr.(2014年8月1日に出願、米国仮特許出願第61/999,589号);
“ULTRASONICALLY ENHANCED SEED GERMINATION SYSTEM SOIL TREATMENT PROCESS”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年1月2日に出願、米国仮特許出願第62/124,758号);
“ULTRASONIC TREATMENT OF SEEDS DELTA SEED MACHINE”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,836号);
“METHOD AND APPARATUS FOR EFFECTING ALTERNATING ULTRASONIC TRANSMISSIONS WITHOUT CAVITATION”,Bruce K.Redding,Jr.(2015年2月2日に出願、米国仮特許出願第62/125,837号)”
の、要約書、明細書、図面および特許請求の範囲に開示される対象物の全内容を参照により本明細書に組み込む。
本発明は、音響伝達(acoustic transmission)と関連付けられた振動エネルギーを保持しながら、前記音響伝達(acoustic transmission)におけるキャビテーション(cavitation)力を低減または排除するための方法および装置に関する。また、本発明は、非キャビテーション(cavitation)超音波発生システムにも関する。
本発明の一態様は、音波伝達(sonic transmission)の波形の交互切替の結果としてのキャビテーション(cavitation)力または温度効果を低減するかまたは全く引き起こさない超音波デバイスに関する。
以下の刊行物を参照する。
The Temperature of Cavitation,Edward B.Flint and Kenneth S.Suslick,Science,New series,Volume 253,Issue 5026(Sep.20,1991),1397−1399;および
“Ultrasound,Cavitation bubbles and their interaction with Cells”,Junru Wu and Wesley L.Nyborg,Elsevier,Advanced Drug Delivery Review 60(2008)1103−1116,April,8,2008。
The Temperature of Cavitation,Edward B.Flint and Kenneth S.Suslick,Science,New series,Volume 253,Issue 5026(Sep.20,1991),1397−1399;および
“Ultrasound,Cavitation bubbles and their interaction with Cells”,Junru Wu and Wesley L.Nyborg,Elsevier,Advanced Drug Delivery Review 60(2008)1103−1116,April,8,2008。
前記参照された資料の再検討により、図1に示されるように、超音波は、一般に、単一の波形、正弦波、で形成されることが示されている。超音波範囲(20kHzを上回る周波数)における標準の音響伝達(acoustic transmission)は、圧縮波(compression wave)と呼ばれる波面(wave front)の正の部分を有し、その後、膨張セクション(expansion section)と呼ばれる波面(wave front)の負の部分が続く。
図1は、典型的な正弦波伝達の正および負の部分を示す。圧力の急速な低下は、図4のグラフに示されており、Suslickの論文で開示されるように、強力なキャビテーション(cavitation)効果を招く恐れがある。
再び、図1を参照すると、典型的な正弦波超音波伝達が、通常は、伝達の400マイクロ秒(m秒)の持続時間ポイントで、爆縮効果(implosive effect)まで成長することが分かる。400m秒に達した時点で、正弦波超音波伝達は、150ミクロンもの放射半径を有する超音波伝達に暴露された、溶液または基質中で気泡を形成し、次いで、衝撃波を発生させ、それにより、気泡が崩壊する。図1では、マイクロジェト衝撃波(microject shockwave)は気泡を崩壊させ、そして、その崩壊過程において、超音波伝達に暴露された、溶液または基質中で顕微鏡レベルで、ホットスポット(hot spot)または瞬間的な(instantaneous)温度上昇が起こる。
Suslickは、100万分の1秒以内における、5075+/−156°Kものキャビテーション(cavitation)温度範囲について説明している。
この強力なキャビテーション(cavitation)効果およびその結果生じる温度上昇は、材料、生物学的構造または細胞を損傷する効果および図3に示されるような医薬品を変性させる効果を有し得る。
超音波の基礎物理学のさらなる再検討により、図35に示されるように、非合焦平面進行超音波(ultrasonic plane−traveling wave)、平面波音源およびその波面(wave front)を示唆する。
WuおよびNyborgは、流体または軟組織で満たされている半空間(x>0)を考慮すると、流体中または生体組織中で、超音波は、キャビテーション(cavitation)効果を有し得ることを開示している。ほとんどの事例の場合、軟組織は、液体のような媒体と見なすことができる。x=0では、図35に示されるように、音波の波長(λ)よりはるかに大きい横寸法(x方向に垂直)を有する、薄い固体平面がある。この平面(音源)は、時間と共に、そして、x=0である、その最初の位置の周りの空間において、前後に正弦的に振動する。その振動は、領域x>0において、音波の発生を招く。x=0に対するこの音源平面の変位は、(方程式1)の通り記載することができる。
x(t)=A cos(2πft+φ0)
式中、fは、振動の周波数であり、A(>0)は、振幅であり、φ0は、音源平面の初期の(t=0)条件を決定する初期位相である。例えば、φ0=0の場合、音源平面の変位および速度は、それぞれ、t=0のとき、x=Aおよびv=dx/dt=0である。線形音響学のレジーム(regime)(非線形音響学については後のセクションで論じる)では、媒体中をx方向に沿って伝搬する進行圧力波は、振動する音源によって発生する。
x(t)=A cos(2πft+φ0)
式中、fは、振動の周波数であり、A(>0)は、振幅であり、φ0は、音源平面の初期の(t=0)条件を決定する初期位相である。例えば、φ0=0の場合、音源平面の変位および速度は、それぞれ、t=0のとき、x=Aおよびv=dx/dt=0である。線形音響学のレジーム(regime)(非線形音響学については後のセクションで論じる)では、媒体中をx方向に沿って伝搬する進行圧力波は、振動する音源によって発生する。
すなわち、媒体中の圧力は、xおよびtの関数であり、大気圧付近で変動する(fluctuates)。音響圧p(x,t)を大気圧に対する過剰の全圧と定義した場合、(方程式2)の通り記載することができる。
p(x,t)=P0(x)cos(kx−ωt)=P0e−αxcos(kx0−ωt)
式中、P0(x)は、音響圧振幅であり、位置xの関数であり、P0e−αx(p0=P0(0)であり、x=0における圧力振幅である)に等しい。他のパラメータは、角周波数ω=2πf、伝搬定数(または波数)k=2π/λおよび媒体の減衰係数αを含む。
p(x,t)=P0(x)cos(kx−ωt)=P0e−αxcos(kx0−ωt)
式中、P0(x)は、音響圧振幅であり、位置xの関数であり、P0e−αx(p0=P0(0)であり、x=0における圧力振幅である)に等しい。他のパラメータは、角周波数ω=2πf、伝搬定数(または波数)k=2π/λおよび媒体の減衰係数αを含む。
水中では、αは、およそ、メガヘルツの範囲の周波数の線形増加関数である。
減衰係数αは、主に、吸収および散乱プロセスを通じた、音波から媒体へのエネルギー移動を記述する。吸収は、主に粘性摩擦を介して、音響エネルギーを熱に不可逆的に変換する。組織の内部または細胞の水性懸濁液において、不均質性が存在する。
散乱は、不均質性により、オリジナルの波伝搬経路の外側の領域へ、音波エネルギーの一部を、方向転換するプロセスである。不均質性の密度が高い場合は、多重散乱が起こり得る。言い換えれば、そのような例では、音波エネルギーは、吸収によって減退する前に、いくつかの不均質性の間で数回にわたって前後に散乱し得る。水中では、減衰係数αは無視できる場合が多く、そして、乗率e−αxは、方程式(2)において一定値(unity)であると見なすことができる。
周波数および波長は、音波において独立したものではない。それらは、fλ=cの関係によって関連し、式中、cは、位相速度と呼ばれる。水中では、20℃における位相速度は、およそ、1500m/sに等しい。
x=x0の場合、方程式(2)のp(x,t)は、以下のようになることに留意すると、
p(x,t)=P0(x)cos(kx0−ωt)=P0e−αx 0cos(kx0−ωt)
従って、x=x0の平面上の任意のポイントにおける音響圧は、時間内に正弦的に変化し、位相は、kx0−ωtに等しい。あらゆるポイントが同じ位相を有する平面または表面は、波面(wave front)と呼ばれる。その波面(wave front)として一連の平面を有し、方程式(2)によって表すことができる音響波は、非合焦平面進行波(non−focused plane−traveling wave)と呼ばれる場合が多い。周波数fが典型的な人間が聞き取れる範囲を上回る(f≧20kHz)場合は、このタイプの音波は、超音波(US)と呼ばれる。原理上、方程式(2)によって記述される進行波の平面波面(wave front)は、無限の寸法を有する。しかし、実際には、単純な音源は、圧電効果を呈し、有限の寸法の半径を有する、円形のセラミックディスクである場合が多く、それは、「ピストン」音源とも呼ばれる。ピストン音源によって発生した超音波の性質は、平面進行波とは全く異なり、それは、比率α/λに依存する。しかし、α≫λの条件の下、遠距離(far−field)領域における音波(後に定義する)は、円形断面を有する超音波ビームのように挙動する。ビーム内、特に、ビーム軸の近くでは、音響圧は、大体、方程式(2)によって記述することができる。
p(x,t)=P0(x)cos(kx0−ωt)=P0e−αx 0cos(kx0−ωt)
従って、x=x0の平面上の任意のポイントにおける音響圧は、時間内に正弦的に変化し、位相は、kx0−ωtに等しい。あらゆるポイントが同じ位相を有する平面または表面は、波面(wave front)と呼ばれる。その波面(wave front)として一連の平面を有し、方程式(2)によって表すことができる音響波は、非合焦平面進行波(non−focused plane−traveling wave)と呼ばれる場合が多い。周波数fが典型的な人間が聞き取れる範囲を上回る(f≧20kHz)場合は、このタイプの音波は、超音波(US)と呼ばれる。原理上、方程式(2)によって記述される進行波の平面波面(wave front)は、無限の寸法を有する。しかし、実際には、単純な音源は、圧電効果を呈し、有限の寸法の半径を有する、円形のセラミックディスクである場合が多く、それは、「ピストン」音源とも呼ばれる。ピストン音源によって発生した超音波の性質は、平面進行波とは全く異なり、それは、比率α/λに依存する。しかし、α≫λの条件の下、遠距離(far−field)領域における音波(後に定義する)は、円形断面を有する超音波ビームのように挙動する。ビーム内、特に、ビーム軸の近くでは、音響圧は、大体、方程式(2)によって記述することができる。
超音波と気泡形成および空洞との間の相互作用
自由気泡および微小気泡の基礎物理学は、音響波の励振の下、空気またはガスの気泡、ポケットおよび空洞と関連する活動を指す「音響キャビテーション(cavitation)」を招く。ソノポレーション(sonoporation)応用に関連する2つのタイプの気泡、すなわち、図2に示されるような自由気泡および封入微小気泡(EMB)がある。自由気泡は、通常、周辺の液体からの空気、他のガスまたはガス蒸気で満たされた空洞である。EMBとは異なり、自由気泡は、気泡からの空気またはガスの漏れを防ぐための人工的な境界を有さない。自由気泡は、様々な理由で、液体中では安定でない。自由気泡は、液体の上面に浮かび、重力の影響を受けて消滅することも、表面張力に起因するいわゆる「ラプラス圧力不均衡」が原因で液体中に溶解することも、また、合体してより大きな気泡になることもあり得る。微細な自由気泡は、固体表面上または小さな粉塵粒子もしくは不純物上の割れ目または他の凹凸部に安定して存在することができる。それらの微細な気泡のサイズは、図1に示されるように、超音波伝達の時間の延長と共に成長し得る。
自由気泡および微小気泡の基礎物理学は、音響波の励振の下、空気またはガスの気泡、ポケットおよび空洞と関連する活動を指す「音響キャビテーション(cavitation)」を招く。ソノポレーション(sonoporation)応用に関連する2つのタイプの気泡、すなわち、図2に示されるような自由気泡および封入微小気泡(EMB)がある。自由気泡は、通常、周辺の液体からの空気、他のガスまたはガス蒸気で満たされた空洞である。EMBとは異なり、自由気泡は、気泡からの空気またはガスの漏れを防ぐための人工的な境界を有さない。自由気泡は、様々な理由で、液体中では安定でない。自由気泡は、液体の上面に浮かび、重力の影響を受けて消滅することも、表面張力に起因するいわゆる「ラプラス圧力不均衡」が原因で液体中に溶解することも、また、合体してより大きな気泡になることもあり得る。微細な自由気泡は、固体表面上または小さな粉塵粒子もしくは不純物上の割れ目または他の凹凸部に安定して存在することができる。それらの微細な気泡のサイズは、図1に示されるように、超音波伝達の時間の延長と共に成長し得る。
従って、キャビテーション(cavitation)の形成は、超音波の波形動態に関係する。
慣性の(Inertial)(一時的な)および非慣性の(安定した)キャビテーション(cavitation)、伝達
2つのタイプの音響キャビテーション(cavitation)、すなわち、(1)「慣性」および(2)「非慣性」がある。「一時的な」キャビテーション(cavitation)と、以前は呼ばれた慣性キャビテーション(cavitation)は、音響圧の振幅が十分に高く、閾値レベルを上回る場合に起こる。この条件の下、EMBは、最初に体積が増大し、次いで激しく爆縮(implode)する。
2つのタイプの音響キャビテーション(cavitation)、すなわち、(1)「慣性」および(2)「非慣性」がある。「一時的な」キャビテーション(cavitation)と、以前は呼ばれた慣性キャビテーション(cavitation)は、音響圧の振幅が十分に高く、閾値レベルを上回る場合に起こる。この条件の下、EMBは、最初に体積が増大し、次いで激しく爆縮(implode)する。
EMBのコアが、高いκ(=Cp/Cv)のガスである場合は、爆縮(implosion)の間に高い温度が生じ得、そして、極めて反応性に富む遊離基が発生し得る。いくつかの生物学的および他の効果のためには、慣性キャビテーション(cavitation)が必要であると思われ、他の場合には、慣性キャビテーション(cavitation)は回避すべきである。
「安定した」キャビテーション(cavitation)と以前は呼ばれた、非慣性キャビテーション(cavitation)は、外部の音響場の圧力振幅がそれほど高くない際に、図2に示されるように、比較的に小から中等度のみの、半径の増加および減少を有して、液体中のEMBが、振動を強いられる場合に起こる(オフレゾナンスレジーム)。
液体または生体組織中の波形および超音波伝搬と関連する、音響マイクロストリーミング(microstreaming)およびせん断応力は、非線形連立偏微分方程式である。一般に、媒体中の進行平面波の伝搬速度は、媒体の粒子速度の関数である。
超音波の振幅がかなり大きくなる場合は(診断および治療への超音波応用の多くはそのカテゴリに属する)、線形近似はもはや維持できなくなり、音響流(acoustic streaming)を招き、この、音響場における定常の直流(direct current)(DC)フロー(flow)は、ふたたび、気泡の形成および崩壊ならびに強力な熱効果を齎し得る。ソノポレーションに関連する音響流の現象のうちの1つは、微小流であり、微小流は、液体中での爆縮、衝撃波およびホットスポット形成の繰返しを招き、その後、急速クエンチングが続き、そして、次いで、上記サイクルの繰り返しにより、衝撃波の成長に戻る。
超音波の振動効果は、多くの産業、化学、生物学および薬物デリバリー応用で歓迎されるが、しかし、キャビテーション(cavitation)効果は、超音波伝達の下で材料を損傷する恐れがあり、全体的な振動効果を損なう(detract)熱効果をもたらす恐れがある。
この発明の目的は、キャビテーション(cavitation)または熱効果が低減された、超音波振動を得るための方法および装置を提供することである。これは、超音波伝達における以下の要因を阻止することによって遂行される。
(1)400m秒以下に伝達時間を低減することによって、超音波伝達(UT)のタイミングシーケンス(timing sequence)を阻止する。図1は、400m秒以下の超音波と関連する電流波形動態(current waveform dynamic)である、典型的な正弦波超音波において、爆縮−衝撃波−ホットスポット熱効果の形成を最小化することができることを示す。最適なキャビテーション(cavitation)の回避は、サイクルを、400m秒以下に低下させることである。任意に、以下で説明される装置では、400m秒のサイクルの代わりに100m秒のサイクルの使用が選択されたが、しかし、そのサイクルは、200もしくは300または400m秒以下の他のいくつかの変形例でもあり得た。他の非限定的な例は、400m秒以下の超音波タイミングを、例えば、第1の波形に対して、約50m秒〜約90m秒に、第2の波形に対して、約10m秒〜約50m秒に(第1の先導する波形に対して80m秒および第2の続く波形に対して20m秒、または、第1の先導する波形および第2の続く波形に対して、70/30m秒もしくは90/10m秒のそれぞれを含む他の変形例など)変化させることを含む。
(2)従来の超音波は正弦波波形に制限されるが、その理由は、それがトランスデューサの限界であるためである。従来のトランスデューサは、図13に示されるような波形に基づいて、正弦波を放射(emit)し、図13は、トランスデューサに送達される電子信号の波形にかかわらず、機械的な力は、正弦波波形として放射されることを示す。キャビテーション(cavitation)のない超音波伝達を提供するため、トランスデューサ設計は、図14に示されるように、トランスデューサに送達される電子(electronic)信号とその結果生じる機械的な波形との一致を可能にするために見直される必要がある。
(3)キャビテーション(cavitation)のない超音波伝達を提供するためのさらなる手段は、波形を交互に切り替えることである。図1では、正の圧縮と負の膨張との間の音響圧の変形例は、最終的には、爆縮、衝撃波、熱効果(すなわち、キャビテーション(cavitation))を招く。通常の400m秒の時間内では、キャビテーション(cavitation)効果の蓄積がある。その蓄積されたパターンを阻止することにより、第1のサイクルおよび後続の音響サイクルにおいて、キャビテーション(cavitation)超音波伝達を最少化することも、形成しないように強いることもできる。正弦波波形の代わりに、交互切替波形動態を使用することは、キャビテーション(cavitation)形成を阻止するために使用することができる。図5は、少なくとも2つの波形(波形Bとは異なる波形動態である波形A)の使用を通じて、図1に示されるようなキャビテーション(cavitation)成長を低下させるために、交互切替信号の使用を示す。図5では、波形Aは、100m秒以下(理想的には、50m秒)のタイミング機能(timing function)を有する、のこぎり状の波形であり得る。図1に示されるように、キャビテーション(cavitation)成長パターンのいかなる徴候が形成される直前に、波形Aは、全く異なる波動態の波形Bに変換される。図5では、波形Bは、方形波形である。図1に戻ると、この波形の交互切替(のこぎり状または正弦などのある波形から、方形などの別の波形へ)は、キャビテーション(cavitation)の形成を妨害し、超音波伝達におけるキャビテーション(cavitation)成長トラックを排除する。
図5は、4つのコンポーネントに依存するキャビテーション(cavitation)のない超音波伝達を示す。
コンポーネント1:材料、化学剤または生物学的構造を、超音波に対して、準備するために使用できる、丁度30m秒の間に示される、1つの波形(のこぎり状波形など)の準備シーケンス(priming sequence)。薬物デリバリーでは、図28に示されるように、皮膚の毛穴を拡張するために、のこぎり状の波形が使用される。
コンポーネント2:波形「A」伝達。
コンポーネント3:波形「A」伝達とは異なる波形であるべき、波形「B」伝達。
超音波伝達を緩和するための、波形間のゼロ隙間(null gap)、それにより、さらなるキャビテーション(cavitation)を回避する。
(A)図6:正弦からのこぎり状、
(B)図7:正弦から方形、
(C)図8:のこぎり状から方形、
(D)図10:三角から方形
を含む、交互切替波形動態に影響を及ぼすために、様々な組合せを使用することができる。キャビテーション(cavitation)超音波を最少化するために、交互切替波形の種々の組合せを使用することができる。本発明によるトランスデューサは、第1の波形から他の任意の第2の波形に、トランスデューサに電子的に供給された波形を、機械的に送達することが可能であり、その波形は、正弦波形、のこぎり状の波形、方形波形および三角波形のいずれか1つである。好ましくは、第1の波形および第2の波形は異なる。
(B)図7:正弦から方形、
(C)図8:のこぎり状から方形、
(D)図10:三角から方形
を含む、交互切替波形動態に影響を及ぼすために、様々な組合せを使用することができる。キャビテーション(cavitation)超音波を最少化するために、交互切替波形の種々の組合せを使用することができる。本発明によるトランスデューサは、第1の波形から他の任意の第2の波形に、トランスデューサに電子的に供給された波形を、機械的に送達することが可能であり、その波形は、正弦波形、のこぎり状の波形、方形波形および三角波形のいずれか1つである。好ましくは、第1の波形および第2の波形は異なる。
(4)キャビテーション(cavitation)超音波を最少化するための代替の方法は、伝達段階の間にエネルギーを自動的に失う波形伝達を使用することであり、そして、それにより、通常、正弦波超音波と関連する爆縮、衝撃波およびホットスポット効果に決して達することはない。波形が周波数範囲を通じてスライドし、振幅の低下を招く、図9に示されるような三角波形動態の使用もまた、キャビテーション(cavitation)形成を回避するために使用することができる。
(5)図11では、キャビテーション(cavitation)低下は、超音波伝搬と関連するデューティサイクル(Duty Cycle)またはタイミングサイクル(Timing Cycle)を変更することによって超音波波形を切り替えることによって生じる。図11では、デューティサイクル(Duty Cycle)が、何ミリ秒ごとに波形が切り替わるように変化する。図12では、タイミングサイクル(Timing Cycle)が、交互切替波形がサイクルを繰り返す前の隙間時間に、交互切替波動態が不活性化されるように、交互に切り替えられる。その隙間時間は、完全に不活性化された信号であり、それは、再度、最初に図1で示される成長パターンを停止し、そして、キャビテーション(cavitation)の形成を停止する。
交互切替波形または波形の組合せの使用の他の変形例は、キャビテーション(cavitation)超音波を回避するために採用することができ、そして、本発明者は、本明細書に示される組合せによって制限されることを望まない。
本発明のこれらのおよび他の目的は、対象とするキャビテーション(cavitation)のない超音波の目的を達成するために、超音波の振動効果を使用して、キャビテーション(cavitation)のない超音波伝達を達成するために経皮流束(transdermal flux)の大きさを制御して、様々な超音波周波数、強度、振幅および/または位相変調を適用することによって達成することができる。
本発明の一態様は、キャビテーション(cavitation)または熱効果をほとんどまたは全く呈しない、より効果的な超音波伝達を達成するための、位相変調、交互切替波形、タイミングサイクル(timing cycles)および周波数変調の使用である。
本発明の別の態様は、超音波デバイスにおいてキャビテーション(cavitation)のない超音波を提供する方法であって、それにより、超音波信号が、2つ以上の波形の組合せを採用し、そして、それにより、音響信号の成長が、キャビテーション(cavitation)になるのを妨害する、方法である。
本発明の別の態様は、トランスデューサに送達された電子波形を、機械的に伝搬するトランスデューサである、超音波伝達デバイスを介して、キャビテーション(cavitation)のない超音波をもたらすための、交互切替波形の組合せである。
本発明のさらなる別の態様は、第1の波形から他の任意の第2の波形に、トランスデューサに電子的に供給された波形を、機械的に送達することが可能なトランスデューサであって、当該波形が、正弦波形、のこぎり状の波形、方形波形および三角波形のいずれか1つである、トランスデューサである。
本発明のさらなる別の態様は、キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、超音波信号をターゲットに反射し返すために、トランスデューサの上面に反射板を採用する、トランスデューサである。
本発明の別の態様は、キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、ステンレス鋼面板上に配置された、1つまたは複数の個々のトランスデューサ ディスクまたはエレメントをアレイの形態で採用し、そして、面板に取り付けられたトランスデューサ ディスクから送達される超音波に共鳴して、面板がハーモニック超音波(harmonic ultrasound)を照射するようにする、トランスデューサであり、それにより、トランスデューサの全体的な強度を増強し、そして、全体的な音波伝達まで表面エリアの直径を増大する、ステンレス鋼の面板とブロックハウジングとの間の軟質フォームゴム層を含むブロックによって、面板およびトランスデューサ ディスク アレイがカバーされている、トランスデューサである。
本発明のさらなる別の態様は、キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達する方法であって、ターゲットに対して、球形の音波パターンを生成し、そして、ビームプロファイル(beam profile)におけるトラフ(trough)を回避し、それにより、超音波伝達に付されるターゲット材料に対するキャビテーション(cavitation)効果を回避する、方法である。
本発明の別の態様は、キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達する方法であって、1つの波形が、波面(wave front)の周波数および振幅が時間と共に減退する三角波面(wave front)である、1つまたは複数の交互切替音波波形を採用し、それにより、超音波伝達に対するキャビテーション(cavitation)の成長または熱効果を防ぐ、方法である。
本発明の追加の目的、利点および新規な特徴は、以下に続く説明においてある程度記載されており、そして、以下を検査することにより当業者にある程度明らかになるか、または、本発明の実践により学習することができる。
前述の要約および本発明の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、より良く理解されよう。本発明を示す目的で、図面には、現在好ましい実施形態が示されている。しかし、本発明は、示されるものと完全に同じ構成および手段に限定されないことを理解すべきである。
トランスデューサ設計
図13では、電子信号を機械的な振動エネルギーに変換する、圧電結晶を採用して、従来通り設計された、従来の圧電トランスデューサの機能を示す。トランスデューサに送達される電子信号波形にかかわらず、正弦波超音波波形の機械的な力が発生し、図1および2で描写されるキャビテーション(cavitation)効果を生み出す。
図13では、電子信号を機械的な振動エネルギーに変換する、圧電結晶を採用して、従来通り設計された、従来の圧電トランスデューサの機能を示す。トランスデューサに送達される電子信号波形にかかわらず、正弦波超音波波形の機械的な力が発生し、図1および2で描写されるキャビテーション(cavitation)効果を生み出す。
図14は、修正されたトランスデューサの機能を示し、当該トランスデューサに送達される電子信号は、トランスデューサの出力に基づき、純粋に、機械的な力として繰り返される。正弦波電子伝達は、超音波の正弦波波形の機械的な力の出力として送達される。同様に、のこぎり状の、三角または方形波形の電子伝達は、それぞれ、超音波ののこぎり状の、三角または方形波形の機械的な力の出力として送達される。このタイプのトランスデューサは、薬物または皮膚に損傷を与える恐れのある、微小気泡、およびキャビテーションおよびその結果生じる熱の形成を排除または最小化する。
図15は、図14で描写されるような、交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)を生み出す、修正されたトランスデューサの概略設計であり、ここで、機械的な音波波形は、圧電結晶に送達された電子波形を引き継ぐ。
具体的には、図15では、トランスデューサは、結晶(1)から放出される、機械的な力の振動方向を制御する、2つのカバー層に挟まれた圧電結晶または磁気制限結晶(magnetorestrive crystal)(1)からなる。トランスデューサの底部では、音波膜層(5)が、音波信号が、阻止されることなく、それを通過できるようにする。結晶(1)の上部では、反射性の非音波透過性の材料(2)が、膜カバー(2)および(5)の両方の間にある、空隙(7)を通して、機械的な力を反射し返す。カバー(2)および(5)は、結晶(1)を封入し、そして、上部カバー(5)と底部カバー(2)との間に配置される、スポンジフォームコネクタ(3)などの軟質ゴムコネクタによって接続される。ゴム栓またはガスケット(4)は、両側に配置され、トランスデューサ全体を所定の位置に密閉する。
結晶(1)に送達された電気エネルギーは、結晶(1)を機械的に振動させ、超音波力を起こす。その機械的な力は、空隙を通じて、トランスデューサの上部に進行し、その上部では、上部カバー(2)の材料によって、上部の空隙(7)を通じて、下方のトランスデューサの底部に向かって反射され返され、その底部では、機械的エネルギーは、底部カバー(5)を通過し、そして、超音波力(8)としてトランスデューサから抜け出る。結晶(1)が振動すると、ゴム栓(4)およびスポンジフォームコネクタ(3)を柔軟にし、上部(2)と底部カバー(5)の両方の上で、カバー全体が、結晶(1)の振動と共に調和的に振動することを許容する。その結果、強力な超音波伝達が得られ、それにより、図26Bに見られるように、トランスデューサに送達された電気波形と同一の(commensurate)波形形状が送達される。
上部カバー(2)は、トランスデューサの底部を通じて、超音波エネルギーを下方に反射し返すように設計される。従来のトランスデューサは、超音波を、あらゆる方向に送達し、それらの全体的な強度を低下させる。上部カバー(2)の好ましい材料は、チタン箔である。箔の内側には、剛性、および結晶(1)から発せられる超音波に対する非調和的反応性を維持する、チタン箔の能力を強化するため、エポキシ樹脂の絶縁コーティングがなされる。音波エネルギーを再び下方に集中させることにより、上部カバーは、音波伝達の強度を強化し、エネルギーの浪費を回避する。ゴム栓(4)と結合された、上部カバー(2)と底部カバー(5)との間に配置される、スポンジフォームコネクタ(3)の使用は、超音波伝達(8)と共に、トランスデューサが、スピーカーのように柔軟になることを許容し、それにより、再度、より強く、より強力な伝達を齎す。カバー(2)および(5)と結晶(1)との間の、わずかな空隙(7)により、トランスデューサの完全な剛性が避けられ、その弾力性能力(flexing capacity)を強化する。その結果、それに供給するエネルギーが少なくて済み、そして、トランスデューサに送達された電気波形と一致する機械的な超音波波形を送達する機能を実行する高強度のトランスデューサが得られる。
図16では、ほとんどのエネルギーが、トランスデューサの底部から下方に向けられ、方向性の超音波伝達を形成する一方で、トランスデューサは、トランスデューサの上部または側部からは、ゼロまたはほんの少しの超音波を送達することが分かる。
図17では、トランスデューサ ディスクは、一般に、単一の平面上に構築される。図17は、すべてが、1つのレヴェルで、ステンレス鋼の面板上に取り付けられた2つのトランスデューサ ディスク(標準トランスデューサ アレイと呼ばれるものを作成する)を描写する。
図18は、2つのトランスデューサからなり得る、積層アレイ(二層積層アレイ)またはいくつかのトランスデューサが互いに積み重ねて配置された積層アレイを示す。積層アレイは、超音波伝達の強度を増大することができる。積層トランスデューサ(基本的には、互いに積み重ねて取り付けられたトランスデューサ)の使用は、所定の周波数レベルを維持しながら、超音波の強度を増大させる。この発明で使用されるように、積層トランスデューサ構造は、トランスデューサ システムの電力利用を改善する一方で、強度を増大させることを意図する。
図19は、「C」型のトランスデューサ ディスクが、本発明のトランスデューサ エレメントのための、コンパクトで極めて小型のサイズを可能にすることを示す。トランスデューサのサイズは、丁度0.5インチの直径で得られた。小型のサイズのトランスデューサは、本発明では、トランスデューサが、薬物送達応用のための経皮パッチの寸法内に収まるようにするために使用されたが、他の多くの用途も有し、他のサイズを有することもできる。それに加えて、小型のサイズは、トランスデューサのより低い重量の可能性をもたらし、また、本発明の携帯性に寄与した。
トランスデューサ ディスクは、電力ケーブルに接続された「C」型の構造である。トランスデューサ ディスクは、ポリマーハウジングで覆われており、ポリマーハウジングは、理想的には、URALITE(商標)という、ウレタン樹脂から構成され、Echo−Seal樹脂と呼ばれ、2つの金属キャップ(図15)間の短絡を回避するために使用され、そして、音波伝達における音響結合(acoustic coupling)を提供する。
トランスデューサ エレメントまたはディスクの設計
図15は、本発明のトランスデューサ エレメントの好ましい実施形態である、超音波トランスデューサの設計を示す。図15から、トランスデューサ40は、これに制限されないが、好ましくは、チタン箔から構成される2つの金属キャップ(2)および(5)間に接続された、PZT4(Piezokinetics Corp.Bellefonte,PA)として入手可能な、圧電ディスク(1)に基づくことが分かる。空洞(7)は、圧電ディスク(1)とエンドキャップ(2)および(5)との間にある。エンドキャップ(2)および(5)は、トランスデューサに対して、接合された層状の構造(4)を形成するために、非導電性接着剤(3)によって圧電ディスク(1)に接続される。ポリマーコーティング(6)は、上部および底部のエンドキャップ(2)および(5)の内側に配置され、そして、ディスク(1)から発生する超音波に対する、エンドキャップの調和反応(harmonic reaction)を最小化する上で役立つ。エンドキャップ(2)は、内部コーティング(6)の助けで、トランスデューサの底部側で、超音波を、一方向(矢印(8)によって示される)に向ける反射板として機能する。
図15は、本発明のトランスデューサ エレメントの好ましい実施形態である、超音波トランスデューサの設計を示す。図15から、トランスデューサ40は、これに制限されないが、好ましくは、チタン箔から構成される2つの金属キャップ(2)および(5)間に接続された、PZT4(Piezokinetics Corp.Bellefonte,PA)として入手可能な、圧電ディスク(1)に基づくことが分かる。空洞(7)は、圧電ディスク(1)とエンドキャップ(2)および(5)との間にある。エンドキャップ(2)および(5)は、トランスデューサに対して、接合された層状の構造(4)を形成するために、非導電性接着剤(3)によって圧電ディスク(1)に接続される。ポリマーコーティング(6)は、上部および底部のエンドキャップ(2)および(5)の内側に配置され、そして、ディスク(1)から発生する超音波に対する、エンドキャップの調和反応(harmonic reaction)を最小化する上で役立つ。エンドキャップ(2)は、内部コーティング(6)の助けで、トランスデューサの底部側で、超音波を、一方向(矢印(8)によって示される)に向ける反射板として機能する。
トランスデューサは、ポータブルな超音波薬物デリバリー装置に、より適した、薄く、コンパクトな構造を提供する。それに加えて、このトランスデューサは、電力を音響放射力に変換する場合に、より優れた効率を提供する。また、このトランスデューサの設計は、電池式およびその小型かつ軽量という特徴の可能性からも選択された。
図16は、図15に示される設計が、トランスデューサから一方向に発する(上部または側部ではない)音波エネルギーを有することを示す。
図20は、音波トランスデューサに基づく、従来のキャビテーション(cavitation)が、一般に、18%しか効率を有さない際に、図15に示される設計は、キャップの使用を通じて、電気から機械への音波エネルギーの変換の高効率(88%もの)を達成することを示す。反射板エンドキャップは、振動を一方向に向ける。
図15に示される、「C型」のトランスデューサ標準構造の製作
部品リストおよび段階的製造
部品リスト
1.圧電セラミック材料:
PZT4 ディスク 0.5インチ直径、1mm厚さ(PKI402)
SD 0.500−0.000−0.040−402
実際の供給業者:Piezo Kinetics Inc.
Mill Road and Pine St.
PO Box 756
Bellefontte PA 16823
2.チタンキャップ
材料:Alfa Aesar、チタン箔、厚さ0.25mm、金属素地(metal basis)5%、アイテム#10385
実際の供給業者:Alfa Aesar,A Johnson Matthey Company 30 Bond Street
Ward Hill,MA 01835−8099,USA
3.接合層
材料:Eccobond 45LV+触媒15LV
実際の供給業者:Emerson & Cuming
46 Manning Road
Billerica,MA 01821
4.低温はんだ
材料:Indalloy Solder #1E、0.30”直径×3ft長さ
実際の供給業者:The indium corporation of America 1676 Lincoln AVE
UTICA NY 13502
5.ワイヤ
材料:標準ワイヤ、ゲージ/AWG:30
カタログ番号(Digikey):A3047B−100−ND
注:最大温度:80C
導体ストランド:7/38
電圧範囲:300V
導体の数:1
実際の供給業者:Alpha Wire Corporation
6.ハウジングポリマー
材料:ウラライトFH3550パートA/B
実際の供給業者:HB Fuller Company
7.エチルアルコール
注:アルコール度200(少なくとも)
8.紙やすり
部品リストおよび段階的製造
部品リスト
1.圧電セラミック材料:
PZT4 ディスク 0.5インチ直径、1mm厚さ(PKI402)
SD 0.500−0.000−0.040−402
実際の供給業者:Piezo Kinetics Inc.
Mill Road and Pine St.
PO Box 756
Bellefontte PA 16823
2.チタンキャップ
材料:Alfa Aesar、チタン箔、厚さ0.25mm、金属素地(metal basis)5%、アイテム#10385
実際の供給業者:Alfa Aesar,A Johnson Matthey Company 30 Bond Street
Ward Hill,MA 01835−8099,USA
3.接合層
材料:Eccobond 45LV+触媒15LV
実際の供給業者:Emerson & Cuming
46 Manning Road
Billerica,MA 01821
4.低温はんだ
材料:Indalloy Solder #1E、0.30”直径×3ft長さ
実際の供給業者:The indium corporation of America 1676 Lincoln AVE
UTICA NY 13502
5.ワイヤ
材料:標準ワイヤ、ゲージ/AWG:30
カタログ番号(Digikey):A3047B−100−ND
注:最大温度:80C
導体ストランド:7/38
電圧範囲:300V
導体の数:1
実際の供給業者:Alpha Wire Corporation
6.ハウジングポリマー
材料:ウラライトFH3550パートA/B
実際の供給業者:HB Fuller Company
7.エチルアルコール
注:アルコール度200(少なくとも)
8.紙やすり
製造手順:段階的
図4Bを参照する。
図4Bを参照する。
1.チタン箔をいくつかのディスクにダイカット(Dye cut)する。
材料:チタン箔(2)、
丸のこ 10.7mm直径。
材料:チタン箔(2)、
丸のこ 10.7mm直径。
2.ギザギザの縁部を紙やすりで磨く。ディスクの片面に縁部が生じる。それらの縁部は、紙やすり(目の細かい)で取り除くべきである。
材料:紙やすり(8)。
材料:紙やすり(8)。
3.アルコール浴を施して、ディスクを紙やすりで磨くことによって発生した粉塵を取り除く。
材料:アルコール(7)。
材料:アルコール(7)。
4.高圧(12000torr)の成形ツールに、ディスクを入れる(磨いた面を上に向けて)。このステップでは、図2で報告される寸法にディスクを成形するための、特注のパンチダイ(punch dye)を設計すべきである。
5.再びギザギザの縁部を紙やすりで磨く。
材料:紙やすり(8)。
材料:紙やすり(8)。
6.アルコールに浸漬して、粉塵を取り除く。
材料:アルコール(7)。
材料:アルコール(7)。
7.拭いて、アルコールと粉塵を、ディスクから取り除く。
8.特別な測定ペンで、キャップの厚さを測定する。
9.一致するキャップを特定する(厚さによって)。2つのキャップ間のわずかな違いが、C型へのスプリアス共振(spurious resonance)を生み出すため、このステップは正確であるべきである。
10.圧電ディスクセラミックを、アルコールで洗浄する。
材料:圧電ディスク(1)およびアルコール(7)。
材料:圧電ディスク(1)およびアルコール(7)。
11.エポキシ樹脂接着剤で、両面にスクリーン印刷を行う。
材料:エポキシ樹脂接着剤(3)およびスクリーン印刷(Tシャツ スクリーン印刷のような)用のツール。ディスクとキャップを接着するために、エポキシ樹脂のリングを生成すべきである。スプリアス共振(spurious resonance)を回避するため、このリングは、正確で、一定であるべきである。
材料:エポキシ樹脂接着剤(3)およびスクリーン印刷(Tシャツ スクリーン印刷のような)用のツール。ディスクとキャップを接着するために、エポキシ樹脂のリングを生成すべきである。スプリアス共振(spurious resonance)を回避するため、このリングは、正確で、一定であるべきである。
12.C型をセラミックディスク上に置く。
13.プレス機に入れる。このプレス機は、単に、製造されたC型を所定の位置に保持するものであるべきである。それは、いくつかのC型を所定の位置に保持する特注のツールであり得る。
14.プレス機を、少なくとも4時間、70℃のオーブンに入れる。
15.1枚あたり4つのポイントにおいて、最大270℃で、はんだ付けする。
材料:ワイヤ(5)および低温はんだ(4)。
材料:ワイヤ(5)および低温はんだ(4)。
上記の手順によって生成されたトランスデューサは、標準の構造である。積層アレイ構造トランスデューサを形成するため、図4Cに示されるように、2つ以上のトランスデューサは、互いに直接積み重ねて配置され、組み合わさる。アレイを形成するため、トランスデューサは、図6に示されるように、一般に、単一エレメントの形態で、または積層構造形式で、ポリマーまたはエポキシ樹脂接着材料内で電気的に並列接続される。
図21は、9つのトランスデューサ ディスクが、エポキシ樹脂ブロックに入れられたトランスデューサ アレイのオリジナルの設計を示す。
図22は、4つのトランスデューサ ディスクが、ステンレス鋼の面板に取り付けられた、最終的な設計を示す。図21に示される設計では、各トランスデューサ ディスク上に、ブロックを形成する9つの別個の超音波伝達がある。図22では、4つのトランスデューサ ディスクは、それらの個々の伝達間の調和を生み出し、面板をして、より大きな伝達エリア上で、均一で、単一の、より大きな伝達を送達させる。
トランスデューサ ブロック
図23は、図5で描写されるような交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)を生み出す、修正されたトランスデューサの概略設計である。図17は、ステンレス鋼の面板に取り付けられ、面板を通って、そして、ターゲットに向かう超音波伝達の方向性をアシストする、ブロック材料によってカバーされる、2つのトランスデューサ ディスクのアレイである。図23A、BおよびCは、このブロック トランスデューサ アレイの組み立てステップを示す。
図23は、図5で描写されるような交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)を生み出す、修正されたトランスデューサの概略設計である。図17は、ステンレス鋼の面板に取り付けられ、面板を通って、そして、ターゲットに向かう超音波伝達の方向性をアシストする、ブロック材料によってカバーされる、2つのトランスデューサ ディスクのアレイである。図23A、BおよびCは、このブロック トランスデューサ アレイの組み立てステップを示す。
実験1:
水道水における、正弦波超音波伝達と交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)との温度比較
図24で描写される配置を参照する。1,000mlの水道水(40)を含む、ガラスビーカー(30)を、磁気撹拌機(31)上に置いた。ビーカーの中では、磁気攪拌子(32)を水中でゆっくり回転させた。
水道水における、正弦波超音波伝達と交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)との温度比較
図24で描写される配置を参照する。1,000mlの水道水(40)を含む、ガラスビーカー(30)を、磁気撹拌機(31)上に置いた。ビーカーの中では、磁気攪拌子(32)を水中でゆっくり回転させた。
超音波単一トランスデューサ チップ(34)を使用して、超音波プローブ(35)を水の中に入れた。チップは、正弦波超音波チップでも、または、超音波の交互切替波形伝達(38)を生み出す、本発明を実践するものでもよい。超音波ジェネレータ(37)は、ケーブル(36)を通じて、超音波プローブ(35)に動力を供給した。
超音波ジェネレータ(37)として、正弦波超音波ジェネレータおよびプローブである、Sonics and Materials Inc.,Newtown,CTによって製造された、Sonic Vibra Cell Model No VCX 130 pbを使用して、Transdermal Specialties,Inc.,Broomall,PAによって、本発明に従って作成された、B2交互切替超音波ジェネレータに対する温度比較テストが行われた。従来のプローブは、1つのチップに、1つのエレメントのみを有する一方、前記交互切替システムは、図22で描写される超音波の4−エレメント アレイを採用した。
超音波を、1,000mlの水道水に、5分間当てた後、Vibracellシステムは、5.5℃の上昇を呈しており、これは、強力なキャビテーション(cavitation)の証拠である。
超音波を、1,000mlの水道水に、5分間当てた後、B2交互切替超音波ジェネレータは、−0.9℃の温度変化(−0.9度の低下)を齎した。基本的に、ビーカー内の水の温度変化はなく、水の滞留による、わずかな温度下降であった。交互切替システムから、いずれかのキャビテーション(cavitation)が生成されていれば、温度は上昇したであろう。
実験2
正弦波トランスデューサと、交互切替超音波トランスデューサによって生じる流体流動性とにおける温度比較
図25を参照すると、この実験は、1グラムの水道水をトランスデューサの表面に置き、その効果を観察した。
正弦波トランスデューサと、交互切替超音波トランスデューサによって生じる流体流動性とにおける温度比較
図25を参照すると、この実験は、1グラムの水道水をトランスデューサの表面に置き、その効果を観察した。
正弦波超音波ジェネレータおよびプローブの温度比較テストである、最初の実験においては、1グラムの水に対してどのような視覚効果があるかを判断するために、1つのエレメントのみを1つのチップに有する、従来のプローブである、Sonics and Materials Inc.,Newtown,CTによって製造されたSonic Vibra Cell Model No VCX 130 pbを、上下逆に使用した。観察により、液体状態から水蒸気状態への非常に速い変換が示されており、これは、強力なキャビテーション(cavitation)を示唆した。
図22で描写される超音波の4−エレメント アレイを採用した、交互切替システムである、Transdermal Specialties,Inc.,Broomall,PAによって、本発明に従って、作成されたB2交互切替超音波ジェネレータを使用して、実験を繰り返すと、トランスデューサの表面から実際に水を押し出す噴水が生じた。感知できる熱は検出されず、そして、水蒸気の発生は観察されなかった。
これらのテストは、交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)は、再度、キャビテーション(cavitation)力がないことが証明されただけではなく、トランスデューサ アレイから液体を、垂直に移動させる振動力が存在することも証明されたことを示す。
実験3
正弦波超音波伝達または交互切替超音波波形伝達のいずれかに付された、リスプロ インスリンの一連のHPLCスペクトログラフが得られた。
図26Aのグラフでは、インスリンは超音波に付されていないという点で、1グラムのリスプロ インスリンは、対照として示される、HPLCスペクトルを有することが分かる。図26Bのグラフでは、1グラムのリスプロ インスリンは、8時間の連続暴露にわたって、50m秒ののこぎり状の波形に続く、50m秒の方形波形での、交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)に付された。この実験は、対照と同一のHPLCスペクトルを生成しており、これは、インスリンの劣化がなかったことを示す。
正弦波超音波伝達または交互切替超音波波形伝達のいずれかに付された、リスプロ インスリンの一連のHPLCスペクトログラフが得られた。
図26Aのグラフでは、インスリンは超音波に付されていないという点で、1グラムのリスプロ インスリンは、対照として示される、HPLCスペクトルを有することが分かる。図26Bのグラフでは、1グラムのリスプロ インスリンは、8時間の連続暴露にわたって、50m秒ののこぎり状の波形に続く、50m秒の方形波形での、交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)に付された。この実験は、対照と同一のHPLCスペクトルを生成しており、これは、インスリンの劣化がなかったことを示す。
図27は、正弦波超音波ジェネレータである、従来の音波チップを使用する、前記の実験で記載されている、Sonic Vibra Cell Model No VCX 130 pbを使用して、1グラムのリスプロ インスリンに対して行われたような、正弦波超音波伝達によって生じたインスリンに対する損傷を示す。暴露は、丁度1分であった。この事例では、インスリンHPLCスペクトルは、薬物の深刻な分解を示した。これは、キャビテーション(cavitation)に起因する。薬物の温度は、1分間の暴露において、4.3℃上昇した。
実験4
大きな分子物質のすべての送達のために、皮膚の毛穴拡張の効果を齎すための交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)の使用
図28は、交互切替超音波波形の使用による効果によって、齎される、人間の皮膚の毛穴拡張を示す。死体の顔の皮膚を使用すると、のこぎり状のコンポーネントは、皮膚に対して水平力を及ぼし、それは、皮膚の毛穴を拡張し、5ミクロンから10ミクロンに開口部を拡大するように機能すると信じられている。
大きな分子物質のすべての送達のために、皮膚の毛穴拡張の効果を齎すための交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)の使用
図28は、交互切替超音波波形の使用による効果によって、齎される、人間の皮膚の毛穴拡張を示す。死体の顔の皮膚を使用すると、のこぎり状のコンポーネントは、皮膚に対して水平力を及ぼし、それは、皮膚の毛穴を拡張し、5ミクロンから10ミクロンに開口部を拡大するように機能すると信じられている。
実験5
キャビテーション(cavitation)超音波伝達と交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)とのビーム分析および比較
図29は、図5で描写される設計に従って、50m秒ののこぎり状の波に続いて、50m秒の方形波の交互切替伝達を伝搬する、図22で描写される本発明による、4−エレメント トランスデューサ設計に従って構成された単一エレメント トランスデューサのビーム伝達を示す。
キャビテーション(cavitation)超音波伝達と交互切替超音波伝達(alternating ultrasonic transmission)とのビーム分析および比較
図29は、図5で描写される設計に従って、50m秒ののこぎり状の波に続いて、50m秒の方形波の交互切替伝達を伝搬する、図22で描写される本発明による、4−エレメント トランスデューサ設計に従って構成された単一エレメント トランスデューサのビーム伝達を示す。
図15および16で描写されるように、着色された水中における超音波伝達(図29)は、伝達が、トランスデューサから一方向に発されたことを示す。
紙との接触時の超音波伝達のビームプロファイル(beam profile)を見ると、図30に示されるように、25kHzおよび40kHz周波数における交互切替伝達は、2つの別個の実験において、ほぼ均一の球形の伝達パターンを示す。
図31は、正弦波超音波伝達を使用した、24および40kHzでのビームプロファイル(beam profile)を示す。このビームプロファイル(beam profile)は、不規則な形状をしており、パターンの交点における強力な熱効果が明らかである。キャビテーション(cavitation)は、25kHzではより強力であり、そして、40kHzではより弱かった。
図32および図33は、60、80および100kHzの複数のキャビテーション(cavitation)スパイクポイント(cavitation spike points)を有する正弦波ビームパターンを示す。
ビーム分析により、正弦波超音波(低周波数でさえも)は、ターゲットに対して、不規則なパターンを生成することが示され、そして、音波伝達のトラフ(trough)において、強力なキャビテーション(cavitation)および熱効果が観察された。
装置設計
図34は、本発明による、キャビテーション(cavitation)のない超音波ジェネレータをトランスデューサ(モデル番号BKR−1011−27)に送達することが可能な、超音波ジェネレータの回路図である。
以下の部品リストは、本発明による、図34に示される、23〜30kHz周波数で、500mW/sq.cmの総パワー出力のための、4−エレメント アレイにおいて、1つのトランスデューサ エレメントあたり、125mW/sq.cmの強度で、50m秒の のこぎり状の波形/50m秒方形波形で、特別なトランスデューサへの動力を供給することが可能な、キャビテーション(cavitation)のない回路のためのものである。
図34は、本発明による、キャビテーション(cavitation)のない超音波ジェネレータをトランスデューサ(モデル番号BKR−1011−27)に送達することが可能な、超音波ジェネレータの回路図である。
以下の部品リストは、本発明による、図34に示される、23〜30kHz周波数で、500mW/sq.cmの総パワー出力のための、4−エレメント アレイにおいて、1つのトランスデューサ エレメントあたり、125mW/sq.cmの強度で、50m秒の のこぎり状の波形/50m秒方形波形で、特別なトランスデューサへの動力を供給することが可能な、キャビテーション(cavitation)のない回路のためのものである。
以下は、図34に示される、トランスデューサへのキャビテーション(cavitation)のない超音波ジェネレータ用の、交互切替超音波ドライバ基板のための部品リストである。
以下は、図34に示される、トランスデューサへのキャビテーション(cavitation)のない超音波ジェネレータ用の交互切替超音波配電盤(power board)において、使用された電子機器のための部品リストである。
以下は、図34に示される、トランスデューサへの、キャビテーション(cavitation)のない超音波ジェネレータ用の交互切替超音波シャシ(chassis)のための部品リストである。
この発明のデバイスは、ある特定の主要な機能を提供することを意図する。
a)1つまたは複数の異なる超音波波形を生成する、新しいトランスデューサ設計およびトランスデューサのアレイの使用は、超音波に付されるターゲット材料における、キャビテーション(cavitation)および強力な熱効果を生み出すという、超音波の傾向を低減または排除することができる。
b)1つまたは複数の異なる超音波波形を生成する、新しいトランスデューサ設計およびトランスデューサのアレイの使用により、より高い電力利用効率を提供し、そして、ターゲット材料に対する過度のキャビテーション(cavitation)の損傷効果の回避に役立てることができる。
c)超音波伝達において、1つまたは複数の異なる交互切替音波波形を使用する際に、いずれか1つの波形に存在する時間のタイミングを変化させることにより、キャビテーション(cavitation)形成および成長を妨害することができる。
d)さらに、超音波伝達において、異なる交互切替音波波形間に、タイミングサイクル(timing cycle)における不活性化期間(deactivation period)をインストールすることにより、キャビテーション(cavitation)形成および成長を妨害することができる。
e)単一のエレメント トランスデューサ、およびトランスデューサのアレイを通じて、の両者において、キャビテーション(cavitation)のない超音波の提供が可能なトランスデューサ設計について、それらの手段または製作と共に開示されており、そして、当該デバイスに送達された電子信号と同様の機械的な波形をトランスデューサに生じさせることについて開示されている。
f)薬物相互作用における、キャビテーション(cavitation)超音波の損傷効果が示されており、リスプロ インスリンは、正弦波超音波である、従来の単一波形音波エネルギーによって劣化することが見出された。従来の超音波のビームプロファイル(beam profile)は、音波パターン内の強力な熱効果を有するが、しかし、交互切替超音波波形伝達の使用を通じて発見されたパターンを有しない、不規則な形状の伝達エネルギーを呈する。
a)1つまたは複数の異なる超音波波形を生成する、新しいトランスデューサ設計およびトランスデューサのアレイの使用は、超音波に付されるターゲット材料における、キャビテーション(cavitation)および強力な熱効果を生み出すという、超音波の傾向を低減または排除することができる。
b)1つまたは複数の異なる超音波波形を生成する、新しいトランスデューサ設計およびトランスデューサのアレイの使用により、より高い電力利用効率を提供し、そして、ターゲット材料に対する過度のキャビテーション(cavitation)の損傷効果の回避に役立てることができる。
c)超音波伝達において、1つまたは複数の異なる交互切替音波波形を使用する際に、いずれか1つの波形に存在する時間のタイミングを変化させることにより、キャビテーション(cavitation)形成および成長を妨害することができる。
d)さらに、超音波伝達において、異なる交互切替音波波形間に、タイミングサイクル(timing cycle)における不活性化期間(deactivation period)をインストールすることにより、キャビテーション(cavitation)形成および成長を妨害することができる。
e)単一のエレメント トランスデューサ、およびトランスデューサのアレイを通じて、の両者において、キャビテーション(cavitation)のない超音波の提供が可能なトランスデューサ設計について、それらの手段または製作と共に開示されており、そして、当該デバイスに送達された電子信号と同様の機械的な波形をトランスデューサに生じさせることについて開示されている。
f)薬物相互作用における、キャビテーション(cavitation)超音波の損傷効果が示されており、リスプロ インスリンは、正弦波超音波である、従来の単一波形音波エネルギーによって劣化することが見出された。従来の超音波のビームプロファイル(beam profile)は、音波パターン内の強力な熱効果を有するが、しかし、交互切替超音波波形伝達の使用を通じて発見されたパターンを有しない、不規則な形状の伝達エネルギーを呈する。
本発明を、上記に詳細に説明してきたが、当業者であれば、デバイスの設計や機能に対する多くの変形形態があるが、そのような設計や機能の変形形態は、本開示の範囲内に収まることが意図されることが認識されよう。
当業者であれば、その広い発明概念から逸脱することなく、上記で説明された実施形態を変更できることが理解されよう。従って、この発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の精神および範囲内で、変更形態を包含することが意図されることが理解される。
Claims (15)
- 超音波デバイスにおいて、キャビテーション(cavitation)のない超音波を提供する方法であって、超音波信号が2つ以上の波形の組合せを採用し、そして、音響信号の成長が、キャビテーション(cavitation)を生成させることから妨害する、方法。
- 第1の波形がのこぎり状の波形であり、続いて、第2の方形波形が続く、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波が、継続して適用される、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波が、パルス状に適用される、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波が、20kHzより大きい周波数を有する、請求項1に記載の方法。
- 各波形に利用可能なタイミングが、400ミリ秒以下に維持される、請求項1に記載の方法。
- 各波形が存在する前記タイミングが、400ミリ秒未満の時間の任意の組合せから変化する、請求項6に記載の方法。
- 前記超音波タイミングが、前記第1の波形に対して、約50ミリ秒〜約90ミリ秒に、そして、前記第2の波形に対して、約10ミリ秒〜約50ミリ秒に変化する、請求項7に記載の方法。
- 各波形に利用可能な前記タイミングが、400ミリ秒以下に維持され、続いてに、前記キャビテーション(cavitation)の形成を回避するために、再度、十分な時間の不活性化期間(deactivation period)が続き、そして、その後に、交互切替音波伝達のサイクルが、繰り返し(re−cycling)、順番に続く(in series)、請求項6に記載の方法。
- 第1の波形から他の任意の第2の波形に、トランスデューサに、電気的に供給された波形を、機械的に送達することが可能な、トランスデューサであって、前記波形が、正弦波形、のこぎり状の波形、方形波形および三角波形のいずれか1つである、トランスデューサ。
- 中心にある圧電または磁気制限結晶を使用して構築され、前記結晶の上下が空隙によって取り囲まれ、その底部がアルミ箔で、そして、その上部がチタン箔で覆われ、前記結晶から発する音波エネルギーが、捨てられていた超音波信号を低減して、ターゲットに向けて一方向に伝搬することを可能にするゴムのガスケットに取り付けられ、それにより、機械的音波デバイスからのより優れた音波変換効率を可能にし、トランスデューサが電気制御回路(electronic control circuit)によって、トランスデューサに送達された、前記電気波形と一致する機械的な波形を送達できるようにする、請求項10に記載のトランスデューサ。
- キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、超音波信号を、ターゲットに反射し返すために、トランスデューサの上面に反射板を採用する、トランスデューサ。
- キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、ステンレス鋼の面板上に配置された、1つまたは複数の個々のトランスデューサ ディスクまたはエレメントをアレイで採用し、そして、面板に取り付けられた前記トランスデューサ ディスクから送達される前記超音波に共鳴して、前記面板が、ハーモニック(harmonic)超音波を照射するようにした、トランスデューサであり、トランスデューサの全体的な強度を増大し、全体的な音波伝達まで、表面エリアの直径を増大する、前記ステンレス鋼の面板とブロックハウジングとの間の軟質フォームゴム層を含むブロックによって、前記面板およびトランスデューサ ディスク アレイがカバーされている、トランスデューサ。
- キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達する方法であって、ターゲットに対して、球形の音波パターンを生成し、そして、ビームプロファイル(beam profile)におけるトラフ(trough)を回避し、それにより、前記超音波伝達に付された、前記ターゲット材料に対するキャビテーション(cavitation)効果を回避する、方法。
- キャビテーション(cavitation)のない超音波を送達する方法であって、1つの波形が、波面(wave front)の周波数および振幅が時間と共に減退する三角波面(wave front)である、1つまたは複数の交互切替音波波形を採用し、それにより、前記超音波伝達に対するキャビテーション(cavitation)の成長または熱効果を防ぐ、方法。
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