用于處理與導管有關的生物膜的方法、裝置和系統的制作方法

專利名稱：用于處理與導管有關的生物膜的方法、裝置和系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及聲學醫療裝置領域，具體地講，涉及一種用于使用聲振動處理與導管有關的生物膜的方法和系統。
背景技術：
一根導管或管可通過例如身體孔口或通過外科手術插入一個內腔或器官等中，用于向和/或從內腔或器官流通、供給和/或排放空氣和/或液體。導管存在很大的感染危險和其他相關的醫療問題。例如，感染通常與導管表面上和/或內臟器官或內腔的壁上的病原微生物或生物膜的發展有關。
當微菌(microbe)在水環境中粘附在表面上并開始分泌一種能將它們固定在材料例如金屬、塑料、土壤顆粒、醫療移植材料和組織上的粘性膠狀物質時，可形成生物膜。生物膜可由單一種類的微菌形成，但通常是由許多種微菌以及真菌、水藻、原生動物、碎屑和腐蝕產物構成。本質上，生物膜可形成在暴露于微菌和一些水的任何表面上。一旦固定在表面上，生物膜微生物就會發生多種有害的或有益的反應(取決于人類標準)，具體反應取決于周圍環境條件。殺滅微菌的傳統方法(例如抗生素和消毒劑)對于生物膜微菌來說通常無效。而且，通常需要大劑量的抗菌藥來將生物膜微菌從人體系統中去除。
用于處理和/或防止與導管有關的感染的現有方法包含使用無菌技術插入導管、使用閉式引流法維持導管、使用專門的非標準導管和使用抗感染劑。使用抗感染劑的方法可包含在導管插入之前將其浸泡在抗感染藥的溶液中，將抗感染劑結合在導管表面上，用抗感染溶液連續灌注沖洗導管囊體，以及將抗感染藥插入導管收集袋中。
然而，現有技術方法沒能為導管的微菌孕育特別是長期處理找到正確的解決途徑。而且，由于使用了抗生素類抗感染藥，可產生抗生素毒性。此外，使用配有抗感染藥或不是標準導管的導管的成本非常高。最后，鑒于病人對藥物的潛在反應和弱的免疫系統等原因，對于每個病例來說，必須單獨考慮和監測將這些藥物輸送到病人身體中。
具有一種可使用標準導管而且又可在沒有使用抗感染劑的情況下更有效且低成本地抑制生物膜的形成的導管系統非常有利。

發明內容
根據本發明的一個實施例，提供了一種用于減少由與導管有關的生物膜的發展產生的病原微生物(感染)的裝置、系統和方法。根據本發明的一些實施例，一個聲學裝置可與標準導管整體形成，所述聲學裝置可包含至少一個壓電陶瓷元件和一個振動處理器。所述聲學裝置可使用電信號產生振動，以使微菌菌落分散，從而可防止或分散可引起感染的生物膜。例如，機械信號例如微振動可由所述壓電陶瓷元件產生。
根據本發明的一些實施例，所述振動處理器可用于在所述導管或穩定囊體內提供共振，從而，相對于所供給的能量可顯著地增強振動。
而且，根據本發明的一些實施例，所述壓電陶瓷元件可涂覆導電材料，并且可具有環形、圓盤形和閥形等形狀。所述壓電陶瓷元件可包含一個部件，其可將所述壓電陶瓷元件連接在所述導管上。所述振動處理器可包含至少一個兆赫振蕩器和/或千赫振蕩器，所述振蕩器可單獨或一起向和/通過所述壓電陶瓷元件供給電信號。
所述振動處理器可包含一個控制器、開關門、脈沖供給器和分析裝置。所述分析裝置可探測出可在所述導管中引起共振的波頻。所述波的強度、持續時間、模式、位置等可由所述振動處理器和其元件控制。
根據本發明的一些實施例，所述振動處理器可向所述壓電陶瓷元件提供這樣的電信號，即可使產生于所述導管內的聲振動防止微生物從外源進入。


通過參看附圖和下面所作的描述，可更好地理解根據本發明的系統、裝置和方法的原理和操作，應當理解，這些附圖僅用作示例目的，而非限定性的，附圖包括圖1A和1B分別是可與本發明的一個實施例使用的一種典型導管和一種典型導管的橫截面的示意圖；圖2是一種根據本發明的一些實施例的用于通過使用圖1A和1B中的所述導管防止生物膜形成和/或使生物膜形成分散的聲學裝置的示意圖；圖3是一個根據本發明的一些實施例的與至少一個壓電陶瓷元件連接的處理器的示意圖，其中，所述壓電陶瓷元件與所述導管的副(囊體膨脹/收縮)管連接；
圖4是根據本發明的一些實施例的大氣壓力與所供給的電信號的頻率之間關系的曲線圖；圖5是根據本發明的一些實施例的圖2中的所述處理器的較詳細的框圖；圖6A-6C示出了根據本發明的一些實施例的各種囊體形狀中的振源；圖7是根據本發明的一些實施例的與至少一個壓電陶瓷元件連接的處理器的示意圖，其中，所述壓電陶瓷元件連接在所述導管的主管體上；圖8A-8D是根據本發明的一些實施例的壓電陶瓷元件的操作的示意圖；圖9是根據本發明的一些實施例的與導管的本體連接的一個聲學裝置的示意圖；圖10示出了根據本發明的一些實施例的包含一個壓電陶瓷元件的導管的橫截面；圖11提供了一個流程圖，描述了根據本發明的一些實施例的使導管振動的方法；圖12A和12B示出了使用振動導管和無振動導管的實驗結果；以及圖13A、13B和13C示出了在動物的泌尿道中使用振動導管和無振動導管的實驗結果。
具體實施例方式
在以下描述中，將對本發明的各個方面進行描述。下面所作的描述可使本領域的任何一個普通技術人員制造和使用通過特殊應用場合及其要求所示出的本發明。對本領域的普通技術人員來說，顯然可以對所述實施例作出各種修改，并且在此限定的普遍原理可應用于其他實施例。因此，本發明并不局限于所示和所述的特殊實施例，而是具有符合在此所公開的原理和新穎技術特征的最寬范圍。
以下使用的名詞“微菌”可包含微生物、微菌、病毒、真菌、保藏物、顆粒、病原微生物、細胞以及其他生物活性材料。以下使用的名詞“病原微生物”可包含任何生物體，包括細菌或原生動物。這些生物體可以是有害的、傳染性的，或為無害的。以下使用的短語“穩定囊體”可包含任何類型的導管囊體。穩定囊體通常可用于使導管在管道、孔口或器官等內的位置穩定。也可使用其他導管囊體。
在以下描述中，名詞“導管”可指現有技術中所有類型的導管。例如，術語“導管”可包含尿導管、胃導管、心血管導管和肺導管等。而且，術語“導管”也可包含涂覆著化學預防藥物、生物殺滅劑、抗菌劑和抗感染藥物等的導管。聲學裝置可應用于用于醫學、獸醫或其他目的的導管上。盡管在此描述的導管通常指具有穩定囊體(可膨脹以對導管在體腔或器官等中的位置進行固定的囊體)的導管，但導管也可指不具有穩定囊體的導管。
下面，參看圖1A和1B，它們分別為一種典型導管和一種典型導管的橫截面的示意圖。在尿導管的情況下，例如，如圖1A所示，尿導管200通常可通過尿道插入膀胱202中。導管200沿著其長度可包含第一和第二平行內管。還在為導管200的橫截面的圖1B中示出了平行內管。第一內管207的一端和另一端上可分別具有一個第一閥203和一個囊體205。第二內管208的一端和另一端上可分別具有一個第二閥204和一個開口206。液體和/或氣體可通過第一內管207的第一閥203傳輸。所述液體/氣體可使囊體205發生膨脹，因此，可防止導管200從內腔202例如胃、膀胱等中滑落。來自內腔202的液體和/或氣體可進入開口206中，并可通過第二內管208和第二閥204流入用于收集它們的收集袋220中。作為一種替代性方法，導管200也可用于通過第二內管208向內腔202中提供營養物。上述閥可包含可通過打開、關閉或阻塞端口或通路等方法來調節氣體、液體或松散材料的流動的任何不同的裝置。
例如，由于可能會在導管200上或周圍形成微菌菌落，因此導管200可能會引起內壁感染，例如膀胱壁感染。這種感染可分為始于導管200的外表面的管腔外感染和始于導管200的內表面的管腔內感染。所述管腔外感染是開始于所述導管的外表面的感染，例如，它們可擴散至例如所述膀胱壁的外表面、囊體205或膀胱202。所述管腔內感染是開始于所述導管的內部區域例如開始于收集袋220或第二閥204中的感染。這些感染可例如通過開口206擴散至例如導管200的上部或膀胱202。所述管腔外感染和所述管腔內感染可進一步在體內擴散至例如腎、膀胱、胃、肝、結腸和血液中。
下面，參考圖2，其是根據本發明的一些實施例的功能上與導管200整體形成的聲學裝置400的示意圖。根據本發明的一個實施例，設有一個聲學裝置400，其可防止或處理微菌菌落的形成。這些微菌菌落可導致有害生物膜的發展，所述有害生物膜可包含各種不同的病原微生物或感染物。所述聲學裝置可包括至少一個壓電陶瓷元件和一個振動處理單元，所述振動處理單元當連接在一根標準導管上時可產生振動，例如微振動，所述振動可使微菌菌落分散。所述壓電陶瓷元件可連接在任何傳統的導管上，例如胃造口術導管、心血管導管、肺導管、尿導管等。也可使用其他任何導管。一個處理器例如振動處理器可提供電信號，所述電信號可通過所述壓電陶瓷元件轉換為機械振動，例如聲波。所述振動可使所述壓電陶瓷元件振蕩，從而，可在所述導管和/或相關內臟器官、體腔和通路等中產生振動。
根據本發明的一個實施例，如果在所述導管、囊體和/或內部區域中到達了共振條件，為微振動的振動就可得到顯著增強。當所述聲學裝置受到頻率與其無阻尼自然頻率相同或非常接近的周期作用力時，共振條件就可使所述聲學裝置的振蕩的振幅增大。相對于由所述振動處理器提供的能量，所述共振可增強和/或延長由所述壓電陶瓷元件產生的聲振動。共振作用還有助于使已在所述導管和/或內臟器官的周圍聚集的微菌菌落或正要試圖聚集的微菌菌落分散。
參看圖2可以看出，聲學裝置400可包括至少一個壓電陶瓷元件例如元件410、420和/或430和一個處理器500，所述處理器500以下稱作“振動處理器”，其可分別通過電線510、520和530與對應的壓電陶瓷元件410、420和430連接。也可使用任意多個壓電陶瓷元件。
振動處理器500可包含控制器512、兆赫振蕩器514、千赫振蕩器516以及開關裝置518，所述開關裝置518可包含一個加法器、一個放大器和一個接收器等。振動處理器500連同一個接收器可接收來自壓電陶瓷元件410、420和430的數據，隨后可通過提供振幅和/或頻率可變的微振動對壓電陶瓷元件410、420和430的使用進行校正和使該使用最優化。控制器512可控制兆赫振蕩器514和千赫振蕩器516，它們可用于向壓電陶瓷元件410、420和430提供頻率為兆赫(MHz)和千赫(KHz)的電信號。開關裝置518可對向壓電陶瓷元件410、420和430供給MHz和/或KHz電信號進行控制。可向壓電陶瓷元件410、420或430的任何組合供給兆赫和/或千赫電信號的任何組合電信號。因此，振動處理器500可向壓電陶瓷元件410、420和/或430等供給指定頻率的電信號。為了在壓電陶瓷元件410、420和/或430中實現微振動，可采用壓電、壓磁以及其他合適的方法。
振動處理器500可產生電信號和將它們傳送至壓電陶瓷元件410、420和/或430。因此，所述電信號可產生機械振動，機械振動又可傳播通過導管材料和借助于內管207和208傳播至囊體205、內腔202和/或導管端部206等。每個壓電陶瓷元件410、420和430可單獨、一同或以任何組合方式振蕩。所述壓電陶瓷元件可緊固地連接在導管內或外表面上，通過這種連接，來自所述壓電陶瓷元件的振動就可通過導管材料、導管內表面和/或導管外表面傳播，從而可產生機械行波。這些機械微振動可防止在導管表面上形成生物膜和/或使生物膜的形成分散。
可在所述壓電陶瓷元件中創建的振動模式的類型例如可包含厚度、縱向、扭轉、撓曲(彎曲)—撓曲、縱向(徑向)—撓曲、徑向—縱向、撓曲(彎曲)—扭轉、縱向—扭轉和徑向—切變模式以及其他合適的振動模式等。這些振動模式可單獨或以任何組合方式創建。振動模式可通過改變所述壓電陶瓷元件的幾何形狀和/或相關電極的幾何形狀和放置而被使能。也可采用其他合適的波或振動模式。
源于所述壓電陶瓷元件的微振動可通過導管材料和/或導管內/外表面傳播。通過導管材料傳播的振動可具有的振動模式例如包含厚度、縱向、扭轉和撓曲振動模式。如下所述，這些振動模式可單獨或以任何組合方式實現。所實現的振動模式可通過選擇特殊的壓電陶瓷元件幾何形狀的或放置而被使能。通過導管材料傳播的振動可在材料上引起微弱的表面振動。通過組合壓電陶瓷元件的振動模式，可例如通過產生拉姆和/或雷利振動波來增強所述表面振動。
所述導管的一端可呈囊體形式或包含一個囊體。所述壓電陶瓷元件中的振動頻率和振動模式(以獨立或組合方式實現)可以以這種方式選擇，即可實現囊體體積的共振(如圖4中所示)。這樣，囊體本身就可變成一個振動源。這些振動可沿著不同方向例如沿著人體方向和導管的縱向(通過其內/外表面)傳播遠離人體等。
所傳播的波的頻率取決于導管類型或結構(例如，材料、制造等)，并且可與壓電陶瓷元件共振頻率不同。借助于振動處理器500，除了可選擇合適的壓電陶瓷元件共振頻率以外，也可在導管的表面上獲得有效振動。
源于所述壓電陶瓷元件和導管表面的振動可傳播至與所述壓電陶瓷元件接觸的液體或材料。這些液體和材料可接收微振動能量，從而可防止生物膜的形成。
由于市場上所售的導管由不同材料制成且制造精度不同，而且每個病人具有不同的生物膜微生物學特征，因此對上述振動模式進行組合十分必要。為了得到預期結果，需要為每個病人使用振動模式的一種特殊組合。此外，為了在囊體中產生共振，需要為每個囊體使用振動模式的一種特殊組合。由于不同囊體具有不同體積且由不同材料制成以及其他因素等，每個囊體的外部裝填可不同。因此，需要使用振動模式的組合來產生與囊體的自然振動模式相似的振動模式，這樣，所述囊體就可實現共振。
所述囊體的振動可充當位于所述導管的內端上的另一個壓電陶瓷元件。由所述囊體引起的振動的方向可以不同或與由壓電陶瓷元件引起的表面振動的方向相反。通過這種方式，生物膜可與排出液體一同移出人體。
根據本發明的一些實施例，振動處理器500可產生頻率通常在MHz范圍內的電信號來作用于所述壓電陶瓷元件的電極上。這些電信號可激勵所述壓電陶瓷元件以不同振動模式或振動模式的組合振動。
根據本發明的一些實施例，振動處理器500可將電信號傳送至壓電陶瓷元件的電極，從而可引起壓電陶瓷元件振動和將這些振動以透過波和微弱表面波的形式傳播至導管材料。增強表面振動例如可產生雷利波和/或拉姆波等。可以理解，根據需要，也可以以單獨或彼此組合的方式施加其他類型的電信號，并且可以實現其他任何波或波的組合。
在導管表面上激發的振動的振幅在十分之幾納米范圍內。也可采用其他任何合適的振動范圍。微振動在應用和/或拔出導管時對防止發生外傷具有積極作用。為了實現上述這些目的，也可以作用振幅在幾百納米范圍內的振動。也可采用其他任何合適的振動范圍。
在本發明的一個實施例中，壓電陶瓷元件410、420和430可涂覆著合適的傳導層，例如銀、金、鎳、導電橡膠或其他任何相容的導電材料。
振動處理器500可借助于將壓電陶瓷元件410、420和/或430與其連接起來的電線與壓電陶瓷元件410、420和/或430連接起來。上述這些電連接可使由振動處理器500產生的電信號到達壓電陶瓷元件410、420和/或430，從而，可在壓電陶瓷元件410、420和/或430中引起機械振動。所產生的聲振動可例如包含透過波和表面波等。透過波例如可包含以下波中的一種或多種撓曲(彎曲)—撓曲波、縱向(徑向)—撓曲波、徑向—縱向波、撓曲(彎曲)—扭轉波、縱向—扭轉波和徑向—切變波等。表面波可例如包含雷利波和/或拉姆波中的一種或多種。可以理解，根據需要，也可以單獨或以彼此組合的方式施加其他類型的電信號，以產生任何類型的振動。
下面，參看圖3，圖3示出了與用于通過使用氣體或液體使導管囊體205膨脹/收縮的副管例如第一內管207連接的壓電陶瓷元件420的操作。作為對由振動處理器500產生的電輸入的響應，壓電陶瓷元件420可發生振蕩，從而可在供液體和/或氣體進入的第一內管207中產生如箭頭310所示的振動(聲波)，所述振動沿著囊體205、內腔202和/或導管端部206等的方向行進。這些振動可處于兆赫范圍內，因此病人感受不到，但可使導管200顯著振動，以防止在導管200中或周圍形成生物膜和/或使生物膜分散，從而可防止或抑制感染發展。
壓電陶瓷元件410、420和430可具有任何期望的形狀，例如環形、圓盤形等。所述壓電陶瓷元件的形狀可影響產生于導管200中的振源或方向。因此，壓電陶瓷元件420可呈能應用于傳統導管或其他任何導管的環形、圓盤形或其他任何形狀。在本發明的一個實施例中，壓電陶瓷元件420可呈閥203的形狀，從而可用來代替導管閥203。
當向壓電陶瓷元件420施加了由振動處理器500產生的電信號時，壓電陶瓷元件420可發生振蕩，進而可在充滿第一內管207和/或囊體205的液體或氣體中產生如箭頭310所示的振動。所述振動可通過施加MHz頻率電信號、KHz頻率電信號或MHz和KHz頻率電信號的組合來產生。所述振動可防止或抑制生物膜在第一內管207內和/或在導管200的外表面上發展。而且，作為振動310的結果，例如也可在囊體205和內腔202的區域中引起振動。上述這些振動可防止或抑制生物膜在囊體205中和內腔202的壁上發展。而且，可在囊體205和/或導管200中產生具有共振頻率的聲振動，從而可在導管200、囊體205和/或內腔202中產生共振，進而可顯著地增加振動沖擊作用。當囊體自然自振和激振相同時可實現共振。所述囊體的共振取決于恒定/和可變參數。在應用了振動組合的情況下，一種模式可與囊體自然自振對應，從而可使其發生共振。
下面，參看圖4，其為大氣壓力與所供給的電信號的頻率之間關系的曲線圖。由于振動處理器500向壓電陶瓷元件420供給了電信號，因此可在球形囊體205內產生壓力。上述曲線圖示出了當施加頻率在近似8MHz以下的電信號時，可在球形囊體205中產生小于1個大氣壓的壓力。球形囊體的共振頻率通常不處于上述頻率范圍之內。所述曲線圖還示出了當施加頻率在10-20MHz左右的電信號時，可在球形囊體中產生4個大氣壓左右的壓力。球形囊體的共振頻率可處于上述頻率范圍之內。
通過使供給的電信號頻率與球形囊體的共振頻率一致，可使所述球形囊體內的液體中所產生的壓力比在供給的電信號頻率不是共振頻率時的壓力大很多。因此，在所述球形囊體中產生的振動可更強，并且可比在供給的電信號不能在所述球形囊體中引起共振時更高效地防止或抑制生物膜的形成。
可以理解，囊體205可具有不同于球形的形狀。例如，根據所處理的管道、脈管、通路或體腔，囊體205可為橢圓形、卵形等。如下所述，囊體205的形狀是為在囊體205中實現共振所要求的頻率的決定因素之一，并且可決定振動在囊體205中的振源的位置。
根據本發明的一些實施例，在囊體205中實現共振所要求的信號頻率可例如通過將聲振動傳播至囊體205并監測回收到的振動強度而得到。當接收到的波的強度最大時，囊體205通常處于共振狀態。因此，可使所述壓電陶瓷元件傳遞高強度振動的信號頻率也是共振所要求的信號頻率。
下面，參看圖5，其示出了根據本發明的一些實施例的與一個或多個壓電陶瓷元件(410、420和/或430)操作性連接的振動處理器500的元件。振動處理器500可包含一個電源511(內部或外部)、一個控制器512、MHz振蕩器516、KHz振蕩器514、一個脈沖供給器517和一個分析裝置519。控制器512可控制振動處理器500的各個元件，從而例如可對信號的產生、傳送、接收和/或處理以及振動進行管理。控制器512可控制脈沖供給器517，所述脈沖供給器517可傳送具有已知頻率的電信號，例如電脈沖。振動可撞擊囊體205的內壁(圖2和3)，并且可被分析裝置519反映出來和接收。分析裝置519可發送脈沖和合成頻率脈沖，并且可分析脈沖和振動等，以便能夠提供共振頻率。所述分析裝置可包含開關裝置(圖2中的附圖標記518)。控制器512可接收來自分析裝置519的上述輸入信號，并可控制MHz振蕩器514和KHz振蕩器516，以提供為在囊體205中獲得頻率共振所需要的電信號頻率。上述元件可放置在一個外部盒子中，或放置在一個可連接在壓電陶瓷元件上的“芯片”中，或包含在其他任何合適的元件組合結構中。可以理解，控制器512可單獨或以任何組合的方式操作一個或多個壓電陶瓷元件和/或與一個或多個壓電陶瓷元件相互作用。
下面，參看圖6A-6C，它們示出了各種囊體形狀中的振動的振源的一些位置的實例。囊體205的形狀可由制造決定，且/或可通過控制液體和/或空氣至囊體205的流動而改變。囊體205所產生的聲振源或方向例如取決于囊體205的形狀。如圖6A所示，當囊體205為球形形狀時，箭頭310所示的振動會在所有方向上均勻傳播。如圖6A和6B中箭頭310所示，當囊體205的形狀不對稱時，振動在所有方向上就會不均勻傳播。
圖6B和6C示出了非對稱囊體的實例，其中，對稱軸由箭頭313示出。從圖6B和6C中可以看出，如箭頭310所示，振動在這些非對稱囊體中以非對稱方式傳播。當在囊體205中產生共振時，囊體205可發生振動，從而，可產生如箭頭311和312所示的振動。箭頭311示出了通過排出液體和/或通過一根內管的內外表面傳播的振動的方向。由于箭頭311的方向(遠離人體)，生物膜和微菌污染物等就可排出人體。根據本發明的一些實施例，各種不同的囊體振動可通過向一個或多個壓電陶瓷元件輸送各種不同的電信號來實現。
通過改變囊體205的形狀，可集中和掃描微振動的振源能量。例如，在導管例如導管200中，一個壓電陶瓷元件不僅可在囊體205的方向上提供振動310，而且可調節囊體205的形狀。壓電陶瓷元件例如圖3中的壓電陶瓷元件420可連接在第一內管207上，所述第一內管207可充滿著液體或氣體。由于囊體205中的壓力與囊體205的形狀有關，因此當壓電陶瓷元件例如壓電陶瓷元件420的尺寸膨脹或收縮時，例如，可影響囊體205中的液體和/或氣體的壓力。圖6B和6C還示出了囊體205的對稱軸313相對于導管200的位置關系。
箭頭310示出了通過被指定用于吹囊體的一個內管從壓電陶瓷元件傳播的聲波。例如，在一根尿導管中，一個內管可被指定用于使囊體充滿液體。這些振動可激勵囊體振動，并且可選擇性地使囊體到達共振，從而，可形成一個附加的振動發生器。箭頭312可反映因囊體共振所產生的振動方向。
下面，參看圖7，其示出了壓電陶瓷元件410，所述壓電陶瓷元件410與導管200的第二內(主)管208和振動處理器500連接。壓電陶瓷元件410可呈能應用于傳統導管或其他任何導管的環形、圓盤形或其他任何形狀。在本發明的一個實施例中，壓電陶瓷元件420可呈閥203的形狀，從而可用來代替導管閥203。壓電陶瓷元件410可呈其他任何形狀。可為壓電陶瓷元件410涂覆至少一層傳導層。
壓電陶瓷元件410可被放置得與導管200的閥204鄰近(或整體形成)。導管200可具有一個用于排放液體的第二內管208，所述第二內管208在導管的功能中起著至關重要的作用。例如，在一根尿導管中，所述第二內管208可用于從泌尿道中排放尿液。用于排放尿液的尿道的方向可用箭頭315表示。
當向壓電陶瓷元件410施加了由振動處理器500產生的電信號時，壓電陶瓷元件410可發生振蕩，從而可產生振動。如上所述，這些振動的形式可包含透過型(縱向、彎曲、厚度和它們的組合)振蕩和表面(例如，拉姆和雷利)振動。這些機械振動可通過第二內管208的內和/或外表面和通過第一內管207中的液體/氣體傳播。
這些振動可通過導管200傳播至囊體205、內腔202和/或導管端部206等，并且例如可在囊體205中產生共振頻率。在囊體205中的這種共振頻率可使囊體205產生振動，所述振動可例如在由箭頭312和311所示的方向上散開。在一個實施例中，壓電陶瓷元件410可以這種方式連接在導管200的閥204上，即可使振動在囊體205的方向上通過第二內管208傳播，而沒有振動通過導管200的外表面傳播。
在振動借助于第二內管208傳送至囊體205、內腔202和/或導管端部206等的情況下和在囊體205中產生能在相反方向上產生振動的共振頻率之后，在相反方向(例如在第一內管207中向著導管閥420的方向)上出現的振蕩可能不同步，從而可產生非故意的作用。因此，要控制脈沖的產生，以避免出現這種異步振動作用。例如，由振動處理器500產生的脈沖可周期性地或在囊體205正在產生或期望產生共振的時間內停止。而且，如箭頭315所示，壓電陶瓷元件410可向遠離所述導管的方向傳播振動，例如向著收集袋220傳播。這種振動可防止在例如尿液收集袋220中形成生物膜。
壓電陶瓷元件410可被構造成這種形狀，即可產生與例如泵送動作相似的振動，以抽取排出液體。壓電陶瓷元件410可呈環形或圓柱形形狀，并且可在環形/圓柱形形狀中激勵產生駐波，所述駐波例如在更換所述收集袋的過程中可(通過“鎖閉”)防止微菌進入所述導管中。可以使用所有上述振動模式。
所述振動可通過施加MHz頻率電信號、KHz頻率電信號或MHz和KHz頻率電信號的組合產生。所述振動可防止和/或抑制生物膜例如在第二內管208內、導管200的外表面上、內腔202中和/或收集袋220中發展。
可能出現感染的一個位置是閥204。當閥204打開以允許更換收集袋220時，例如由于從外部環境中引入了微生物，因此可引起感染。根據本發明的一些實施例，壓電陶瓷元件410可發生振動，以在閥204打開時防止含有微生物的氣體或液體通過第二內管208流動。
下面，參看圖8A-8D，它們分別示出了根據本發明的各個不同實施例的用于阻止或限制病原微生物通過導管流動的導管閥結構的非限定性實例。上述各種不同結構可例如通過由所述壓電陶瓷元件在所述導管中產生的聲振動的波頻和波模式實現。圖8Ai示出了一個壓電陶瓷元件410，其具有一個由壓電材料制成或部分由壓電材料制成的內閥或替代性壓電陶瓷元件320。如圖8Aii所示，這種閥320的振動可部分地阻塞內管。
圖8Bi示出了來自振動處理器500的脈沖(電信號)在閥320中產生了振動行波(可為縱向、彎曲、扭轉行波或它們之間任何組合的行波)的根據本發明的一些實施例的情況。在這種情況下，所述行波的方向由箭頭333表示，并且如圖8Bii所示，閥320的這種振動具有阻塞內管的相當大部分的作用。
圖8Ci示出了來自振動處理器500的連續電信號可在閥320中產生振動駐波(可為縱向、彎曲、扭轉駐波或它們之間任何組合的駐波)的根據本發明的一些實施例的情況。這種駐波的幅度可與壓電陶瓷元件410的內徑相同，從而，如圖8Cii所示，可阻塞整個內管。這種波可用作一個“閉鎖”，以例如在更換收集袋220的過程中防止微菌進入所述導管中。可通過在選定時刻向所述導管施加選定強度的短時間應力例如周期脈沖實現附加功能，以將微菌(生物膜)從導管表面上“抖落”(例如n次/天)。如上所述，生物膜可借助于其他振動排出。
圖8D示出了一種根據本發明的一些實施例的生物膜處理系統，其連接在例如一根尿導管500上。壓電陶瓷元件410可產生行波，從而，可在所述導管中引起不同的氣壓。例如，當P2處的壓力大于P1處的壓力時，所述生物膜處理系統可像一個泵那樣工作，從而，可防止微菌從收集袋220進入到導管500中。
下面，參看圖9，其示出了壓電陶瓷元件430的操作，所述壓電陶瓷元件430連接在導管200的本體的外表面上的一點上，并且在本發明的一個實施例中與振動處理器500操作性連接。壓電陶瓷元件430可呈能應用于傳統導管或其他任何導管的環形、圓盤形或其他任何合適的形狀。壓電陶瓷元件430可包括一個附件例如環432，其可對壓電陶瓷元件430與導管200的連接進行調節，并可將振動從壓電陶瓷元件430傳播至導管表面。所述附件可由任何合適的材料例如橡膠、塑料和硅等制成。可為壓電陶瓷元件430涂覆至少一層傳導層。
當向壓電陶瓷元件430施加了由振動處理器500產生的電信號時，壓電陶瓷元件430就可發生振蕩，從而，可在充滿第一內管207和第二內管208的空氣和/或液體中和/或在導管200表面(見圖1B)上產生如箭頭311所示的振動。振動311可通過施加MHz頻率電信號、KHz頻率電信號或MHz和KHz頻率電信號的組合產生。振動311可防止和/或抑制生物膜在內管207、208內和在導管200的外表面上發展。而且，振動311可在囊體205中和在器官(例如膀胱等)202中產生。振動311可防止和/或抑制生物膜在囊體205中、在內臟器官中和在內臟器官或體腔等的內腔202的壁上發展。
根據本發明的一些實施例，壓電陶瓷元件430可在圖中所示的與壓電陶瓷元件410和420鄰近的所述導管的外源中的至少一個外源方向上產生振動。壓電陶瓷元件430可引起微振動(如上所述，為透過波和表面波)，并且還可產生行波。這些波可部分或完全阻塞內管207和/或208，從而，可實現圖8B和/或圖8C中所示的功能。
為了使囊體205具有較高的微振動能量，需要將壓電陶瓷元件430連接在所述導管的第一內管207的一側上。為放置壓電陶瓷元件430所選定的距離(壓電陶瓷元件與導管表面之間的距離)可使最強聲波作用在第一內管207的中心。上述目的可通過適當地選擇聲層材料、幾何形狀、物理性能以及由壓電陶瓷元件430產生的振動波的波長實現。由壓電陶瓷元件430產生的機械振動波的波長可由振動處理器500調節，從而可使同一壓電陶瓷元件連接在由不同材料制成的且具有不同直徑的導管上。
下面，參看圖10，其示出了包括例如壓電陶瓷元件430的導管200的橫截面。壓電陶瓷元件430例如可為連接在環432上的正方形盤狀，或可具有其他任何合適的形狀。環432例如可由非導電材料例如橡膠、硅酮、塑料等制成。環432可具有一個切口434，其可使這種振動元件很容易地安裝到不同直徑的導管上。環432可將壓電陶瓷元件連接在導管上和將機械振動從所述壓電陶瓷元件傳播至所述導管。
可以理解，壓電陶瓷元件430可單獨或與其他壓電陶瓷元件組合操作。還可以理解，根據需要，壓電陶瓷元件430可由其他不同的替代性材料構造而成，并且可以以各種不同的形狀形成。
可以理解，另外的壓電陶瓷元件可應用在導管200上，或與導管200整體形成，以沿著所述導管和在相關的管道、脈管、通路或體腔中實現各種振動。而且，另外的振動模式也可應用在壓電陶瓷元件410、420和430等上，以實現可在導管200內外和在相關管道、脈管、通路或體腔中沿著各個不同方向行進的振動。
根據本發明的一些實施例，參看圖11可以看出，提供了一種用于使導管振動的方法。因此，至少一個壓電陶瓷元件可連接在一根導管上(111)。電信號可由一個振動處理器產生(112)。所述電信號可傳送至所述壓電陶瓷元件(113)。所述電信號可在所述壓電陶瓷元件中轉換為機械波(114)，并且這些機械波可在所述導管中產生振動(115)。所述振動可作用在至少一個微菌菌落上，以防止在所述導管之上、之中或周圍形成生物膜(116)。所述振動可作用在所述導管上，以防止微生物從外源進入到所述導管中(117)。所述振動處理器可產生與共振條件匹配的振動(118)。
根據本發明的另一個實施例，可以使用聚氨酯管導管，也可使用其他任何材料的導管。對于本領域的普通技術人員來說，知道各種不同的材料具有不同的性能，所述性能例如可對聲振動被所述導管吸收和/或傳播開的程度產生影響。盡管，已參照了尿導管描述了本發明，但本發明的范圍可包含應用于各種不同應用場合的其他任何合適的導管類型，這些應用場合包括但不限制在以下方面


根據本發明的一些實施例，有效應用微振動已顯現出積極有利的效果。下面，對最近所做的通過使用壓電陶瓷在導管中產生微振動的幾個實驗進行描述。這些實驗、所使用的裝置和結果并不是限制性的；合適的改變、其他實驗和過程仍屬于本發明的范圍之內。在一個實驗中，PMG醫學實驗室(以色列那施PMG醫學有限公司)的Zadik Hazan博士提供了最少培養基，其含有富含異養微菌的水；控制管(1)和振動管(2)。上述這兩根管放置在溶液中保持14天。結果顯示振動管(2)在使用了振幅為數納米的微振動的情況下保持著其最初的顏色和透明度，而控制管(1)則會深深地覆蓋著混合微菌生物膜。示出了上述實驗的結果的照片可參看圖12A，圖12A示出了微振動對控制管210和振動管211的作用。
在第二實驗中，PMG醫學實驗室(以色列那施PMG醫學有限公司)的Zadik Hazan博士提供了一根控制乳汁管(直徑為16mm)，其浸沒在含有異養微菌的最少培養基中保持10天。一根相似的乳汁管放置在相似的培養基中保持100天，但要被振幅為數納米的微振動振動。結果顯示在所述振動管上沒有出現任何微生物的跡象。結果還顯示所述控制管覆蓋著一層非常厚的生物膜和污垢。示出了上述實驗的結果的照片可參看圖12B，圖12B示出了微振動對控制管310和振動管311的作用。
在由PMG醫學實驗室(以色列那施PMG醫學有限公司)的Zadik Hazan博士和(以色列希巴醫學中心)的Gad Lavy博士于2003年3月12-19日所做的第三實驗中，使用了4只白兔，每只白兔重4.5Kg。上述實驗旨在對在新西蘭白兔中使用微振動導管以防止在感染了E.Coli的導管上形成生物膜的安全性和初始功效進行評價。因此，F8弗利氏尿導管(由UNO制造)插入所有的4只兔子中。在所述導管上的插入4只兔子中的每只兔子的尿道內的部分上擦拭每1ml有尿道致病性E.Coli 106株的病菌液體，以使所述導管感染。所述感染在第一個連續三天重復三次(由以色列特爾海秀摩希巴醫學中心的微生物學實驗室提供懸架)。兔子關在專門設計的籠子中，所述籠子可防止動物弄掉所述導管，同時又允許它們可以做一些活動。為兔子喂食標準兔食和隨意選擇的水(無限制)。
在兩只兔子(1和2)中，所述F8導管與PZT元件連接，所述PZT元件用以產生振幅為數納米的微振動。動物3和4使用的是常規無振動F8乳汁弗利氏導管。然后，觀察動物8天。在第8天，對動物進行麻醉和鎮定，并取下泌尿道(尿道和膀胱)和進行肉眼檢查。一只動物(2)被排除在實驗之外，這是由于其在實驗終止之前的48小時時弄掉了導管48。
示出了上述實驗結果的照片可參看圖13A，圖13A示出了微振動對兔子1、3和4的泌尿道的影響。左側和中間泌尿道來自于所述導管沒有振動的控制動物。右側膀胱來自于所述導管振動的動物。從圖中可以看出，導管振動的動物#1的膀胱的正常尺寸為4×2cm(圖13A的右側分格)。具有無振動的常規尿導管F8的動物#3的膀胱尺寸為9×3.5cm，并且具有較輕的組織和較厚的膨脹壁(圖13A的左側分格)。具有無振動的常規尿導管F8的動物#4的膀胱擴大很多，尺寸為11×4.4cm，并且具有膨脹的薄壁和顯示具有大量膿液的白色組織(圖13A的中間圖片)。在piourea清除之后，發現動物3和4的膀胱壁非常薄和松軟，并且發現血管堵塞、發炎紅腫和擴大。
接著，為第三實驗(上述)提供了一份基于PATHOLAB的病理學教授、醫學博士B.Czemobilsky進行的宏觀檢驗的病理學報告。參看圖13B和13C可以看出，通過對比動物1(振動導管)和4(無振動導管)，可以得到以下1、2、3、4和5部位的比較分析。
1-遠端尿道對動物1來說，整個黏膜變換為壞死材料、纖維蛋白和主要由嗜中性白細胞(neutraphiles)構成的滲透性發炎。僅病灶性地涉及固有層。在肌肉壁中，存在一些血管周圍淋巴細胞病灶。對于動物2來說，所述膀胱部分嵌有正常出現的過渡上皮細胞。在其他區域中，僅出現一些過渡上皮細胞層，并且在其他區域中根本沒有任何上皮細胞或僅有一層基細胞。在固有層中出現了具有很少的嗜中性白細胞、嗜酸性粒細胞和偶然性組織細胞的淋巴細胞。血管中豐富的肌肉壁沒有出現任何異常。
2-中間尿道對于動物1來說，組織變化與部位1相似，然而，在壞死部位的兩側具有完整黏膜區域。上述完整黏膜顯現出急性滲透性發炎，并且在玻片的邊緣上，再次明顯出現壞死部位。對于動物2來說，中間尿道與所述遠端尿道相似。
3-近端尿道對于動物1來說，黏膜層完整。在所述固有層中與所述黏膜接近的位置以及在所述固有層的中心纖維蛋白中具有大量聚集的嗜中性菌。另一這樣聚集的嗜中性菌出現在靜脈空間中。所述肌肉層不太顯著。在漿膜方面，存在非常少的出血區域。在尿道截面上，肌肉層的厚度為0.8至1mm。對于動物2來說，僅具有非常少的病灶，在所述病灶中具有過渡上皮細胞。在其余部分中，完全沒有襯細胞，或顯現出非常小的基細胞帶。標本的其余部分與中間尿道相同。在尿道截面中，肌肉層的厚度為0.5至1mm。
4-中部膀胱對于動物1來說，在黏膜、固有層以及肌肉壁中沒有任何異常。對于動物2來說，幾乎所有部位均缺少上皮層。僅有一些微小的病灶顯現出分離的上皮細胞。沒有出現任何炎性細胞。在膀胱壁中，在上皮下層中存在水腫的跡象。所述肌肉壁完整。
5-膀胱底對于動物1來說，沒有發現任何異常。對于動物2來說，除了上皮襯細胞完全缺失以外，組織圖與中部膀胱的一樣。在膀胱截面中，肌肉層的厚度為0.5mm。
在此所作的初步描述表明“微振動導管”技術對活體動物模型有效。
上面對本發明的實施例所作的描述用作說明和描述目的。并不不意味著本發明局限或限制在所公開的精確形式上。對于本領域的普通技術人員來說，應當理解，根據上述敘述可以作出許多修改和變化。應當指出，本發明的范圍并不是由上述詳細描述限定，而是由權利要求書限定。
權利要求
1.一種生物膜處理裝置，包括一根導管；至少一個壓電陶瓷元件，其連接在所述導管上；以及一個處理器，其用于向所述至少一個壓電陶瓷元件供給至少一個電信號，所述至少一個電信號可使所述至少一個壓電陶瓷元件產生振動。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個壓電陶瓷元件涂覆著導電材料。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個壓電陶瓷元件具有以下一組形狀中的一種形狀環形、圓盤形和閥形。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述處理器還包括以下一組振蕩器中的至少一種兆赫振蕩器和千赫振蕩器。
5.如權利要求1所述的裝置，還包括至少一個兆赫振蕩器；以及至少一個千赫振蕩器。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述至少一個振蕩器產生以下一組振動模式中的一種或多種透過波和表面波。
7.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述至少一個振蕩器產生以下一組振動模式中的一種或多種撓曲(彎曲)-撓曲波、縱向(徑向)-撓曲波、徑向-縱向波、撓曲(彎曲)-扭轉波、縱向-扭轉波、徑向-切變波、雷利波和拉姆波。
8.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述兆赫振蕩器和所述千赫振蕩器同時向所述至少一個壓電陶瓷元件供給電信號。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述處理器包括一個控制器。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述處理器包括一個脈沖供給器。
11.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述處理器包括一個分析元件。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述分析元件用于確定可在所述導管的至少一部分中引起共振的波頻。
13.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述壓電陶瓷元件用于在一個導管囊體中產生共振，所述囊體產生振動。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，由所述囊體產生的所述振動傳播至以下一組目標中的一個或多個體腔、導管內管、導管閥和導管收集袋。
15.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述處理器用于在所述導管中產生可防止病原微生物從外源傳至所述導管的振動。
16.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導管選自以下一組導管中的一種或多種尿導管、胃導管、肺導管和心血管導管。
17.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個壓電陶瓷元件包括一個附件，其可將所述至少一個壓電陶瓷元件連接在所述導管的本體上。
18.一種導管振動方法，包括設置至少一個壓電陶瓷元件，其連接在一根導管上；以及向所述至少一個壓電陶瓷元件傳送電信號；其中，所述電信號在所述至少一個壓電陶瓷元件中轉換為機械波，所述機械波在所述導管中產生振動。
19.如權利要求18所述的方法，包括向至少一個微菌菌落施加所述振動，以防止生物膜的形成。
20.如權利要求18所述的方法，包括由一個處理器對由所述至少一個壓電陶瓷元件產生的所述振動進行管理。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，對聲振動的所述管理包含供給以下一組信號中的至少一種兆赫頻率信號、千赫頻率信號和電信號。
22.如權利要求20所述的方法，其特征在于，對聲振動的所述管理包含產生選自以下一組振動中的振動穿過至少一個壓電陶瓷元件行進的振動和沿著至少一個壓電陶瓷元件的表面傳播的振動。
23.如權利要求20所述的方法，其特征在于，對聲振動的所述管理包含管理多個壓電陶瓷元件中的至少每個壓電陶瓷元件的所述振動。
24.如權利要求20所述的方法，其特征在于，對聲振動的所述管理包含分析從所述至少一個壓電陶瓷元件接收的信號。
25.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述處理器產生與共振條件匹配的振動。
26.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一個壓電陶瓷元件涂覆著導電材料。
27.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一個壓電陶瓷元件具有以下一組形狀中的一種環形形狀、圓盤形形狀和閥形狀。
28.如權利要求20所述的方法，其特征在于，對聲振動的所述管理包含在所述導管中產生可抑制微生物從外源進入到所述導管中的振動。
29.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述導管可選自以下一組導管中的一種或多種尿導管、胃導管、肺導管和心血管導管。
30.一種用于防止微生物進入導管中的裝置，包括至少一個壓電陶瓷元件，其連接在一根導管上；以及一個處理器，其連接在所述至少一個壓電陶瓷元件上，以在所述導管中產生振動。
31.如權利要求30所述的裝置，還包括在導管囊體中產生共振，所述囊體在所述導管中產生振動。
32.如權利要求30所述的裝置，其特征在于，所述振動在所述導管的所述入口的方向上產生，從而可抑制微生物進入到所述導管中。
33.如權利要求30所述的裝置，其特征在于，所述壓電陶瓷元件連接在所述導管一側的一點上。
34.如權利要求30所述的裝置，其特征在于，所述壓電陶瓷元件連接在所述導管的本體的一點上。
35.一種用于抑制微生物進入導管中的方法，包括設置至少一個壓電陶瓷元件，其連接在一根導管上；由一個處理器產生電信號；以及將所述電信號傳送至所述至少一個壓電陶瓷元件，其中，所述至少一個壓電陶瓷元件在所述導管中產生振動，所述振動可抑制微生物進入到所述導管中。
36.如權利要求35所述的方法，其特征在于，所述壓電陶瓷元件在導管的囊體中產生共振，所述囊體可在所述導管中產生振動。
37.如權利要求36所述的方法，其特征在于，所述囊體產生的振動是以下一組振動模式中的至少一種振動行波和振動駐波。
38.如權利要求36所述的方法，其特征在于，所述囊體產生的振動在所述導管的方向上從所述囊體傳播，所述振動可至少部分阻止微菌進入到所述導管中。
39.一種生物膜處理裝置，包括導管裝置；微振動裝置，其連接在所述導管上；以及處理器裝置，其用于向所述微振動裝置供給至少一個電信號，所述至少一個電信號可使所述微振動裝置在所述導管裝置中產生振動。
全文摘要
公開了一種用于防止或處理與導管(200)有關的生物膜的裝置、系統和方法。一個壓電陶瓷元件(410，420，430)可連接在一根導管(200)上，并且一個振動處理器(500)可連接在所述壓電陶瓷元件(410，420，430)上。所述振動處理器(500)可提供電信號，所述電信號可在所述壓電陶瓷元件(410，420，430)中產生聲振動，從而可在所述導管(200)中或周圍引起振動。這些振動特別有助于使微菌菌落分散，從而可防止或抑制可導致感染的生物膜的形成。由于導管囊體(205)中的共振條件，振動可得到顯著增強，從而足以使已聚集在所述導管(200)周圍或正試圖聚集在所述導管周圍的微菌菌落分散。
文檔編號A61L2/24GK1694648SQ03818327
公開日2005年11月9日 申請日期2003年5月29日 優先權日2002年5月29日
發明者約納·朱姆厄里斯, 雅各布·萊維, 亞寧娜·朱姆厄里斯, 扎迪克·阿藏 申請人:納微振動技術公司