专利名称：一种部分可调式超声波生物学效应实验加载装置及超声波加载方法超声波已经广泛应用于医学工作，形成了一个独立的门类；超声医学。目前，超声医学主要包含超声诊断、超声治疗和超声医学工程等方面。频率为500到2500kHz的超声波具有一定的治疗作用，在理疗中常用的频率一般为800 1000 kHz。随着人们对超声波的认识，超声波在医学临床和科研领域具有越来越广泛的应用和探索。超声波对人体的各部位的组织器官具有明显的作用效果。目前的研究认为高强度、大剂量超声会起到抑制或破坏作用，造成组织形态学上的不可逆性变化；低强度、中小剂量超声起刺激、调节作用，不引起或仅引起轻微的可逆性组织形态学变化。因此，目前对超声波的临床应用研究多集中在对低强度超声的研究上。其中神经系统对超声特别敏感， 低强度超声波能使神经兴奋性降低，传导速度减慢；高强度的超声波作用于末梢神经可引起血管麻痹、组织细胞缺氧继而坏死。对于骨骼系统，低强度超声波多次投射可以促进骨骼生长及骨痴形成。超声对生殖系统的影响与剂量等条件有关，低强度超声可以对卵巢功能产生刺激作用。对肌肉系统，低强度超声可使肌纤维松弛、张力降低，从而起到解痉作用。对于结缔组织，低强度超声波可以促进组织损伤伤口结缔组织的增长，但是对于过长的结缔组织具有消散作用。最近，对于超声波促进、诱导细胞分化的作用越来越引起广大学者的重视。已有研究表明，低强度脉冲超声，可以诱导干细胞成软骨分化和成骨分化，尤其是在成软骨分化中，具有明显的促进作用。在口腔医学领域，有少量研究发现，低强度超声波可以促进正畸牙移动；诱导髁突的生长发育以及促进牙周组织的再生。在临床药学领域，超声波已经广泛应用于制药、控制药物释放等领域。随着对超声波研究的开展和深入，研究者发现，超声波的性质与其生物学效应有着密不可分关系。在以往的研究文献中，研究中多使用商品化仪器，或者是简单的自制发生装置进行研究，只能对影响超声波生物学性能的部分参数在一定范围内研究。不同的研究、使用不同的研究设备，导致研究结果各种各样。因此，迫切的需要研究各种参数设计下的超声波生物学效应。
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供可调式超声波生物学效应实验加载装置以及超声波加载方法，其特点是在体内、体外对实验对象在指定的条件下进行超声波加载，对加载的超声波的超声波加载时间、脉冲重复频率、超声波输出功率、占空比进行定量控制。它具有界面友好、性能稳定、操作简单的优点。本发明所用的超声波加载装置是部分可调式超声波加载装置，用来全面研究和对比在生物安全范围内的超声波生物学效应的不同。系统的工作原理是根据实验的设计和要求，在显示单元直视下，通过控制单元调节各项相关参数的设定。体外实验中，在细胞培养孵箱内将培养板放置于超声波发射面上，在超声波发射面和受试培养板底部之间使用医用超声波耦合剂以确保超声波能够传递到受试体；在体内实验中，将超声机构固定于已备皮的受试部位，同样使用医用超声波耦合剂以确保超声波的传递。按下开始按钮，控制单元控制驱动单元，通过将固定频率的波电信号放大，驱动陶瓷换能器形成震荡，发出超声波， 作用于受试体。发明的目的由以下技术措施实现该装置分为主机和两把超声输出枪。主机包含壳体钣金、电源系统、显示系统、控制系统、超声发生与驱动系统、阻抗匹配系统。超声输出头包含连接线、快速连接器、超声换能器。其大小设定为3cm，有效超声发射面积为7cm2，适用于大多数体外实验研究所使用的孔板尺寸。同时，超声机构小巧灵活，可以方便的应用于体内的超声波干预。在本设备中，壳体钣金承载主机的其他系统。电源系统与控制系统、显示系统和超声发生与驱动系统相连，为其提供供电。控制系统控制超声发生与驱动，并将必要的信息通过显示系统显示出来。超声发生与驱动系统主要是通过振荡电路产生超声波，并通过放大驱动电路进行放大，以驱动超生换能器。阻抗匹配系统为无源阻抗匹配系统，它使得电路工作在最优状态。超声输出头通过快速连接器与主机的阻抗匹配系统连接在一起，通过同轴连接线连接到超生换能器上，超声换能器接收到超声驱动系统经过阻抗匹配后的驱动信号，发出超声波，达到超声干预的目的。部分可调式超声波加载装置的超声波加载方法包括以下步骤(1)接通电源，根据实验需要调试各相关参数；(2)将超声波输出头固定在泡沫支架上，放置足够偶联剂在工作头的工作面上。将体外受试细胞、组织连同培养皿放置在工作面相对应的位置上；或者将超声波输出头的工作面固定在体内研究动物的研究部位；(3)按下开始按钮，通过控制系统的精细调控，控制超声波输出头产生所需要的特定超声波，达到实验设计要求。本发明具有如下优点1.本装置将系统分成两个部分，互相以导线连接，做到远程操作，能够在不影响整个培养系统连续性的前提下，对实验进行适时调控；
2.采用控制系统来控制加载的超声波加载时间、脉冲重复频率、超声波输出功率以及占空比；
3.友好控制面板也使得操作简便；能够准确地控制各项参数，实验过程可根据需要设定。


图1为部分可调式超声波加载装置各组成部分关系图2为控制面板结构图 1显示屏，2时间频率选择指示灯，3占空比指示灯，4持续脉冲指示灯，5通道AB输出指示灯，6通道AB输出插座，7通道B输出控制开关，8通道A输出控制开关，9连续/脉冲选择开关，10占空比选择开关，11时间频率选择开关，12能量调节旋钮，13时间/频率调节旋钮； 图3为主机外观图； 图4为超声输出枪外观图； 图5为体外实验研究超声波对成软骨分化的作用；
图6为体外超声波对骨髓基质干细胞成软骨分化的作用效果。A比较LIPUS and TGF-β 对间充质干细胞collagen type II alpha 1基因表达的影响，B比较LIPUS and TGF-β对间充质干细胞aggrecan基因表达的影响，C比较LIPUS and TGF-β对间充质干细胞S0X9 基因表达的影响。

部分可调式超声波加载装置包括主机和两把超声输出枪。主机包含壳体钣金、电源系统、显示系统、控制系统、超声发生与驱动系统、阻抗匹配系统。超声输出头包含连接线、快速连接器、超声换能器。驱动电源与驱动单元和磁场机构连接，驱动单元直接与磁场机构连接。控制电源与控制单元和显示单元连接，控制单元与驱动单元和显示单元连接。壳体钣金承载主机的其他系统。电源系统与控制系统、显示系统和超声发生与驱动系统相连，为其提供供电。控制系统控制超声发生与驱动，并将必要的信息通过显示系统显示出来。超声发生与驱动系统主要是通过振荡电路产生超声波，并通过放大驱动电路进行放大，以驱动超生换能器。阻抗匹配系统为无源阻抗匹配系统，它使得电路工作在最优状态。超声输出头通过快速连接器与主机的阻抗匹配系统连接在一起，通过同轴连接线连接到超生换能器上，超声换能器接收到超声驱动系统经过阻抗匹配后的驱动信号，发出超声波，达到超声干预的目的。部分可调式超声波加载装置的超声波加载方法包括以下步骤
(1)接通电源，根据实验需要调试各相关超声波加载参数；
(2)将超声波输出头固定在泡沫支架上，放置足够偶联剂在工作头的工作面上。将体外受试细胞、组织连同培养皿放置在工作面相对应的位置上；或者将超声波输出头的工作面固定在体内研究动物的研究部位；
(3)按下开始按钮，通过控制系统精细调控产生所需要的超声波，达到实验要求。以下为本加载装置在骨髓间充质干细胞(MSCs)成软骨分化早期阶段对成软骨分化相关因子基因表达的影响
1.实验细胞
生长良好的第三代2-3周龄雄性大鼠骨髓间充质干细胞
2.放置细胞孵箱条件温度37摄氏度
气体环境5%C02和95%空气混合气体湿度饱和湿度3.超声波加载数据设置加载时间20分钟
超声频率1. OMHz 占空比1:4 超声重复频率=IKHz 超声波输出功率30mW/cm2
4.实验流程
收集第三代骨髓间充质干细胞，按照8 X 106/ml的密度将干细胞均勻悬浮在1. 2%的海藻酸盐中，制成海藻酸盐颗粒。在常规无血清成软骨培养基中培养。对实验组施加预设好的超声波干预，在同样培养条件下不施加超声波干预的作为对照组
5.实验结果示例
A.实验分组
空白对照组相同培养基，在同样培养条件下培养；
阳性对照组在基础培养基中加入lOng/ml的TGF-β诱导成软骨分化；
实验组在基础培养基培养下，施加预设好的超声波诱导成软骨分化
B.在电磁场作用下，三维培养的骨髓间充质干细胞分化情况
阳性对照组中，成软骨分化相关的因子collagen type II alpha 1，aggrecan以及 S0X9基因都发生了升高，骨髓基质干细胞出现成软骨分化；
超声波作用下的骨髓间充质干细胞相较空白对照组也发生了明显的成软骨分化的变化，但是其变化趋势比生长因子TGF-β作用下要小。 本实验研究证实，在特定的超声波作用下，可以促进三维培养状态下的骨髓基质干细胞发生成软骨分化。


本发明公开了一种部分可调式超声波生物学效应实验加载装置及体内、体外超声波加载方法其特点是该装置包括主机(1)和两把超声输出枪(2)，主机(1)包含壳体钣金(1a)、电源系统(1b)、显示系统(1c)、控制系统(1d)、超声发生(1e)与驱动系统(1f)、阻抗匹配系统(1g)。超声输出枪(2)包含连接线(2a)、快速连接器(2b)、超声换能器(2c)，其优点是可根据需要对部分超声波参数进行调整，同时具有适宜的、有利于体外实验的超声波输出枪尺寸。