利用超声波的氧疗 背景技术
根据一般的产业估计，在美国每年有大约6百万患者遭受未愈合的创伤(wound)。这些创伤主要是由糖尿病、流通停止(immobilization)或循环问题引起的。如果不治疗，这些创伤可能导致感染、截肢甚至死亡。
损坏组织的愈合通常经历引起自然功能的最终恢复的独特阶段。例如，对皮肤的伤害引起由血管收缩的过渡时段(period)继之以更长的血管舒张时段所表征的立即的血管反应。血液成份渗入创伤处，内皮细胞被释放，从而暴露纤维胶原(collagen)，并且血小板附着于暴露之处。当血小板被激活时，引发内源性凝血途径事件的成份被释放。同时，复杂的一系列事件触发了生成可溶介体(soluble mediator)的发炎通路，以导向愈合过程的后续阶段。这些事件可能引起向更长的被称为组织缺氧的缺氧时段的过渡。
正常地，受损组织的愈合过程是稳定的，不管是否有任何干预都可以发生。但是，在潜在的新陈代谢条件或者诸如压力之类的永久性伤害为起作用的因素时，自然的愈合过程可能被阻碍，或者完全被阻止，从而导致慢性创伤。现代医学实践的趋势已经显示，急性创伤和慢性创伤这二者的创伤愈合都可以通过使用优化损坏组织的条件以支持渐进的组织修复阶段的生理过程的方法和材料进行临床干预而得到显著改善。在真皮创伤中，提供优化的条件的关键因素是防止坏死组织的累积以及使创伤基底(wound bed)保持湿润和有氧。所有这些因素都可以通过对创伤渗液的处理来控制。
能够应用多种技术来促进自然愈合过程。例如，一般对创伤应用创伤敷裹(wound dressing)来控制创伤处的环境因素，例如水汽、透氧性、细菌不渗透性以及对渗出物的吸收。能够对对创伤护理敷裹进行裁剪，以满足包括以下项的特定要求：与身体部分的适应性、对创伤基底的选择性粘着以及对创伤周围的皮肤的粘附性。
已经以多种形式使用胶原作为创伤敷裹，例如Artandi的美国专利第3,157,524号以及Berg等人的美国专利第4,320,201号中所描述的胶原海绵(collagen sponge)。但是，这些敷裹中的大部分不能满足各种类型的损坏组织。胶原膜和胶原海绵不易于适应各种创伤形状。另外，一些胶原创伤敷裹具有很差的液体吸收特性，从而不希望地增大了液体的蓄积(pooling)。
已被开发出来的敷裹的另一例子是水胶体敷裹。英国专利第1,471,013号和Catania等人的美国专利第3,969,498号对水胶体敷裹进行了说明，所述水胶体敷裹是血浆可溶的，在创伤处形成具有潮湿环境的人工焦痂，并逐渐溶解以释放药剂。通常水胶体敷裹，尤其是Catania等人的敷裹具有许多缺点。这些敷裹的主要缺点包括：在创伤处存在过量液体的情况下可能碎裂，以及对水和/或氧从创伤流失的最小限度的、几乎可以忽略的控制。该后一缺点尤其重要，因为水从创伤的过量流失会导致整体上从身体的热损失的增加，从而可能导致代谢亢进。另外，水胶体敷裹需要频繁更换敷裹。
一些类型的敷裹会导致损害创伤愈合地问题。例如，诸如美国专利第3,645,835号中所描述的那些敷裹之类的膜敷裹可以使创伤基底保持过度潮湿，从而使得周围的皮肤水合过度(overhydration)或者浸渍。虽然海绵和纱布对组织进行支持，但是它们需要频繁更换，从而导致在身体移动和敷裹移除过程中对损坏组织的刺激。在与水分反应期间，藻酸钙变成凝胶状的物质，难以完全除去，并且由于基质(matrix)的亲水性，通常使创伤基底脱水。另外，在这些设备或材料中没有一个有助于将损坏组织处的氧保持在合适的水平。也没有任何现有可用的设备明显有助于或支持创伤愈合的自溶清创阶段。
急性创伤和慢性创伤这二者的处理上的常见问题是在大量渗出物排出期间将创伤基底的湿度保持在最优水平。这通常是(但并不总是)在愈合的早期阶段期间。典型地，诸如薄膜、水胶体敷裹和水凝胶之类的大多数湿润创伤敷裹技术都被该大量排出阶段的渗出物水分而击败。对大量渗出物排出期间的湿度的处理通常使得纱布或海绵包扎、薄膜覆盖、藻酸钙敷裹以及通常限制创伤暴露于大气氧的其他材料的使用成为必要，其中所述纱布或海绵包扎从创伤基底吸除过量的水分，所述薄膜覆盖使渗液留在创伤基底，所述藻酸钙敷裹由于海藻提取物的吸水性而化学地结合渗出物水分。
通过负压治疗能够增强渗出物从创伤的除去。简而言之，该系统包括真空装置，所述真空装置通过置于创伤上的多孔介质来取出不希望有的物质。虽然该方法已经被表明在除去渗出物和保持潮湿、密封环境上是临床有效的，但是它不能解决皮下创伤基底生理学中所存在的氧输送问题或其他的营养需求。
组织治疗中的另一常见问题是创伤处缺少氧或其他重要的营养物质。尤其是，氧是最有助于创伤愈合的。不幸地是，对创伤周围的组织和脉管系统的损坏可能破坏循环，并限制最需要氧气的位置处的氧气传送。由被破坏的脉管系统所引起的血氧不足是限制创伤愈合的关键因素。测量结果表明，创伤内以及被损坏的组织周围的组织氧压(oxygentension)大大低于正常的血管氧压。虽然80到100mm Hg的血管氧含量(oxygen level)被认为是正常的，但是，创伤环境可能具有少到3到30mm Hg的氧。研究表明，30mm Hg或更少的含量不足以支持创伤修复过程。通过执行补充氧(O2)来校正血氧不足对手术前(perioperative)环境和门诊环境中的创伤愈合具有显著的有益影响。
已经使用许多方法来试图增加输送到损坏组织的氧气量。用以增大损坏组织环境中的氧压的初始开发包括到组织或腔室(chamber)的氧的局部输送，其中使血管氧压大大升高从而通过扩散也增大组织的氧含量。美国专利第4,328,799号描述了高压氧舱，该高压氧舱被构建为使得它紧紧地贴合人体的一部分。然后该舱被充满氧气达高于大气压，以增加用于向细胞过程输送的氧的分散。美国专利第4,474,571号、第4,624,656号和第4,801,291号还对用于增加损坏组织环境的大气氧浓度的各种改进进行了说明。虽然这些设备能够在功能上增加创伤处的氧含量，但是它们遭受笨重设备的使用、氧的间歇输送以及从富氧的大气到缺氧组织的很差的氧传送。
美国专利第4,608,041号中所公开的另一设备将对组织的氧输送与废气和创伤挥发物的排出通道的提供相结合。美国专利第4,969,881号将该开发延伸至通过利用内部充满氧的富氧膜夹层结构而使用体积不那么庞大的结构，内部所充满的氧扩散穿过创伤接触膜(但不扩散穿过上隔膜)而对组织进行充氧。在美国专利第6,000,403号中这被进一步改进。这些设备提供用于克服先前发明的许多大体积特征的改进，但是在对缺氧组织的氧气传送方面提供很少或没有提供改进，在创伤护理通常所需的创伤接触基质方面它们也没有构成任何改进。
用于提高氧传送效率并免除大体积设备的不同方法是在设备附近使用初生氧生成。美国专利第5,407,685号提供了一种用于在将设备应用于创伤时生成氧的设备。所公开的设备是双层设备，其中每层都包含反应物，一旦渗出物或其他源自身体的物质激活了反应，所述反应物就混合并生成氧气。美国专利第5,736,582号描述了从过氧化氢生成氧，以用于释放在皮肤表面处或其附近。美国专利第5,855,570号类似地使用电化学反应来将空气中的氧转换成过氧化物或其他反应形式的氧，用于输送到创伤环境。美国专利第5,792,090号在与创伤接触的设备中使用包含有过氧化氢和催化剂的贮存器(reservoir)，例如水凝胶泡沫或聚合体泡沫。美国专利第5,086,620号中公开了另一种方法，其中通过声能来使纯气态的氧分散到液态基质中，然后通过冷却使所述液态基质固化，以将氧封装在微小气泡中。
这些设备在通过高压舱对创伤环境的局部氧气输送方面提供了改进。但是，每个载波都具有明显的局限性，这些局限性限制了局部充氧技术广泛地应用于损坏组织的护理。前面所描述的设备不具有已知的氧浓度，并且不能独立于大气压或温度而作用以实现有效的氧分布。另外，对通过身体得到的作用物的激活的依赖是不可预知的，从而使得这些设备不实用。其他的设备在生产上是昂贵的，并且需要专门的设备。这样的设备不能被用于冷凝固聚合体的生产，所述冷凝固聚合体通常被用于构成用于损坏组织护理的医疗设备。
组织治疗的另一方面是活化剂向损伤处的输送。可以通过多种方式对个体施用用于损坏组织治疗的活化剂。例如，可以通过本领域技术人员已知的方法来使用活化剂，例如局部地、舌下地、口服地或者通过注射(皮下、肌肉或静脉内的)。但是，这些方法中的许多方法都存在缺点，在现有技术中还没有提供用于施用活化剂的价廉的、可靠的、定位的和相对无痛的方法。
损坏组织的治疗所采用的一种常见方法是软膏或药膏的局部应用。对创伤的局部应用会很痛。另外，在深洞型创伤的情况下，可能需要过量的活化剂，因为该剂必须扩散穿过坏死的组织层，从而重新形成表皮组织。另外，对身体内部位置的局部剂应用是高度不实用的，这是因为局部剂被冲掉或者被移到其他地方。输送药剂中的这种困难可能需要应用过量的药剂，并妨碍了对所输送的活化剂的有效量做出准确的判断。
用于组织治疗的活化剂的口服和舌下给药也有它们的缺点。对活化剂的摄取可能导致活化剂具有系统范围的负面影响，并且可能扰乱正常菌群或正常微生物环境，所述正常菌群或正常微生物环境的存在对个体有益。将该剂成功地吸收到血流中也依赖于诸如剂在胃肠液中的稳定性、胃肠道的pH、固体剂的溶解性以及胃排空之类的若干因素。
注射活化剂(一种通常的疼痛给药方法)可能具有与口服或舌下给药相同的系统范围的负面影响。然而更重要的是，注射活化剂所固有的危险在于，一旦施用了活化剂，就无法迅速地将其除去。由于注射针的使用，还存在感染传播的风险以及脉管损伤的可能。局部的、口服的、舌下的和静脉的给药方法在输送用于治疗损坏组织的活化剂时引起若干问题。
因此，所需要的是用于改进对损坏组织的治疗的方法和组成(composition)，其包括这样的物质，所述物质具有优良的渗出物处理能力，并且具有输送活性治疗剂以及参与对这样的地方周围的氧压和其他营养需求的处理的能力。需要这样的方法和组成，这些方法和组成能够提供对任何面积大小的损坏组织的氧输送，并且优选地还可以提供湿度控制和其他活化剂的输送。
【发明内容】
本发明提供一种用于改进氧和/或其他的气态物质(gaseous species)到组织中的输送。在一个示例性实施例中，将饱和有(saturated with)含氧气体的液体输送到创伤区域。将所溶解的氧从液体输送给创伤组织。在将介质输送到创伤组织之前、期间或之后，对创伤组织发射超声波以增强氧的传送。在一个示例性实施例中，超声波传输包括以下两个不同频带中的频率分量：用于增强组织渗透性的低频带和用于增强氧越过细胞膜向细胞中的扩散的高频带。另外，能够使超声波传输被脉冲地产生，以增强到创伤组织的血液循环。超声波增强方法的使用在对缺氧组织的治疗中尤其有用。
附图简述
图1是根据一个示例性实施例的组织治疗系统的示意图。
图2图示出用于保存移植器官的示例性实施例。
图3图示出用于脸部的整容治疗的示例性实施例。
图4是图示出用于治疗患者的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
现在参考附图，图1图示出整体上由附图标记10表示的示例性组织治疗系统。组织治疗系统10将饱和有溶解气体的液态载体输送到创伤区域，以促进创伤愈合。另外，组织治疗系统10使用超声波来增强从液态载体到创伤组织的氧传送。
组织治疗系统10包括液体输送系统12和超声波系统14。液体输送系统12将饱和有含氧气体的液体输送到创伤处。借助于超声波系统14，含氧气体被传送给创伤组织。另外，液态载体将渗出物从创伤组织中除去。
液体输送系统12的主要部件包括创伤敷裹16、经由供给线20连接到创伤敷裹16的供给贮存器18以及经由排出线(drain line)24连接到创伤敷裹16的废物容器22。创伤敷裹16包括泡沫层26和防水膜28。泡沫层26优选地包括诸如聚乙烯醇(PVA)之类的开孔式(open cell)聚合泡沫。在使用中，泡沫层26被放置得与创伤组织接触，并且优选地覆盖基本上全部的创伤。防水膜28大于泡沫层26，并且覆盖泡沫层26。虽然对液体是不可渗透的，但是防水膜28可以包括诸如醋酸盐或聚丙烯之类的蒸汽可渗透膜。对防水膜28的外部边缘应用压力敏感粘着材料30，以用于使敷裹16粘着于创伤周围的健康皮肤组织。能够以各种大小来制造如上所述的创伤敷裹16，从而允许医务人员选择合适大小的创伤敷裹16用于治疗。
供给贮存器18包含有诸如已经饱和或过饱和有含氧气体(例如，纯氧、氧化氮、二氧化碳等)的盐溶液或者全氟化碳。供给线20使液体供给贮存器18与创伤敷裹16相连接。排出线24将创伤敷裹16连接到废物容器22。饱和的液态载体从供给贮存器18通过供给线20流到创伤敷裹16。可以根据需要来调整液体的流速。例如，可以将流速调整为在1-100毫升每分钟的范围内。当液体流过创伤敷裹16时，液态载体中的一些含氧气体被传送给创伤组织。从创伤敷裹16，液体通过排出线24而流到废物容器22。
可以将液体供给贮存器18和废物容器22安排为用于重力自流供给(gravity feed)操作。可替换地，能够使用正压或真空来引起液体流过创伤敷裹16。
超声波系统14促进从液态载体到创伤组织的氧传送。超声波系统14包括换能器(transducer)单元40和控制单元46，换能器单元40包括一个或多个包含在密封壳44内的超声波换能器42。壳44优选地由促进超声波传输的刚性或半刚性材料制成。该壳优选地被密封，以允许每次使用之间对壳进行消毒。换能器单元被置于创伤敷裹16的上面，并且被定向为用于将超声波传输引导至创伤敷裹。
超声波换能器42可以包括能够生成包含多个频率分量的超声波传输的多频率换能器阵列。可替换地，换能器单元40可以包括单频率换能器42的阵列，以在不同频率处产生超声波。控制单元46控制换能器单元40的操作。例如，控制单元46可以控制超声波的各种参数，例如频率、强度、相位、持续时间和超声波传输的定时。控制单元46包括用户接口，用以使医务人员能够控制对这些参数的设置。
在优选实施例中，控制单元46控制换能器单元40生成一个或多个不同频带内的超声波。更特别地，控制单元46控制换能器单元40生成包含范围为20-500kHz的低频分量和范围为500kHz至3MHz的高频分量这二者的超声波传输。低频分量通过扩大细胞连接处的细胞旁路(paracellular)间距来增加人体组织对含氧气体的渗透性。高频分量增强含氧气体穿过细胞膜进入细胞的扩散。虽然超声波正在被传送到组织，但是超声波传输能够在强度和/或频率上有所不同。例如，低频超声波能够在低频范围内变化，而高频超声波能够在高频范围内变化。可以使用强度的变化来改变氧或其他气态物质穿透进入组织的深度。
在组织治疗期间持续施加超声波传输不是必要的。例如，在组织治疗期间，可以每1-3小时施加超声波五分钟。如果必要，可以施加超声波传输达更长的时间(例如，10-15分钟)，和/或以更高的频率施加(例如，每30分钟施加一次)。
在一些实施例中，超声波传输可以包括超声波脉冲。在这种情况下，控制单元46可以控制诸如脉冲宽度、脉冲频率、占空因数和脉冲形状之类的因素。能够使用脉冲的超声波传输来增强创伤组织中的血液循环以及到创伤组织中的氧气传送这二者。在一个示例性实施例中，通过电或者机械装置来对超声波脉冲进行半波整流(half rectify)。
下面的例子说明本发明的示例性实施例。在所有的例子中，使用所描述的液体输送系统12将包含有百万分之5-30的纯氧的盐溶液或者全氟化碳施加到创伤敷裹。这些例子说明了促进从液态载体到组织的氧传送的超声波传输的不同参数。
例1
控制单元46控制换能器阵列42生成强度约为0.2瓦/平方厘米、在20-500kHz的范围内的低频超声波。所述超声波传输是脉冲的，并且其占空因数为50％。所述脉冲的超声波传输增强了创伤组织中的血液循环并增加了组织渗透性。能够根据期望的穿透深度来调整超声波的强度。
例2
控制单元46控制换能器阵列42生成强度约为0.2瓦/平方厘米、在500kHz-3MHz的范围内的高频超声波。所述超声波传输包括占空因数为50％的脉冲的超声波。所述高频超声波增加含氧气体穿过细胞膜的扩散。能够改变超声波的频率和强度，以促进特定的细胞扩散特性。
例3
控制单元46控制换能器阵列42生成具有强度约为0.1瓦/平方厘米、在20-100kHz的范围内的低频超声波分量和强度约为0.1瓦/平方厘米、在500kHz-1MHz的范围内的高频超声波分量的超声波传输。超声波传输的低频分量和高频分量这二者都是以占空因数50％而脉冲产生。低频分量增加组织渗透性，而高频分量增加含氧气体穿过细胞膜的扩散。脉冲发生增加了创伤组织中的血液循环。
能够将在此所描述的治疗方法与其他治疗相结合。例如，能够将促进创伤愈合和防止感染的治疗剂添加到液态载体。一些治疗剂需要一定水平的氧浓度以便起作用。一个例子是抗生素万古霉素。可以将治疗剂添加到液态载体，以有助于愈合过程并防止感染。
如上所述，本发明的一种应用是创伤治疗。其他应用包括当没有了氧气供应或者氧气供应被严重损坏时的组织保存。例如，可以将本发明应用于在不能向人的肢体供应充足血液时将氧输送到缺氧组织。作为另一例子，本发明可以被用于在从捐赠者移除用于移植的器官后将氧输送给所述器官。还可以将本发明应用于脸部或皮肤的整容治疗。
图2图示出适于在从捐赠者移除器官之后器官的保存的示例性实施例。器官被放置在器皿(vessel)50中，器皿50被供应以含氧气体。器官器皿50被置于刚性或半刚性的容器52中。将饱和有氧或含氧气体的液体从供给贮存器18输送到器官器皿50。在穿过器官器皿50之后，液态载体排出到废物容器22中。将如先前所述的超声波系统14安装到容器，以将超声波引导至器官器皿。
图3图示出适于脸部的整容治疗的示例性实施例。在该实施例中，将饱和有氧气或含氧气体的液体从供给贮存器18输送到脸部面罩(mask)54。在穿过脸部面罩54之后，液态载体排出到废物容器22中。将如先前所述的超声波系统14安装到脸部面罩54，以将超声波引导至脸部。
图4图示出整体上由100表示的用于增强人体中组织或细胞对于周围或全身的所溶解的氧的渗透性的示例性方法。该方法可以被用于，例如，对由糖尿病或其他疾病所引起的创伤的治疗。第一步是利用含氧量高的气体通过呼吸治疗来增加患者的血液氧含量(步骤102)。可以通过例如氧气面罩来输送含氧气体。可替换地，能够将患者置于诸如氧气帐或高压舱之类的富氧环境中。对创伤和周围组织施加超声波，以增强组织对氧的渗透性，和/或增加氧到细胞中的扩散(步骤104)。能够在呼吸治疗之前、期间和/或之后施加超声波。如前所述，超声波可以包含用于增加组织渗透性的低频超声波分量和用于促进氧到细胞中的扩散的低频氧分量这二者。
当然，可以在不偏离本发明的范围和实质特征的情况下采用与在此所提出的那些方式不同的其他特定方式来实现本发明。因此，无论从哪方面来看，这些实施例都应当被认为是说明性的，而不是限制性的，并且意在包括落入所附权利要求的含义范围和等价范围内的所有改变。