CH621942A5 - - Google Patents

Description

La présente invention a pour objet un appareil générateur d'impulsions électromagnétiques destiné notamment au traitement thérapeutique de tissus et/ou cellules vivants par modification de leur interaction avec les espèces chargées environnantes. L'emploi de l'appareil conforme à l'invention permet d'apporter une modification contrôlée au mode de croissance, de réparation et d'entretien de cellules et/ou tissus par application de paramètres électriques codés. Cet appareil permet l'application, par couplage inductif direct, sans implantation chirurgicale, d'un ou plus d'un signal de tension électrique et d'intensité concomitantes conformément à un motif hautement spécifique.

On a déjà fait antérieurement diverses tentatives pour faire apparaître une réponse d'un tissu vivant à des signaux électriques.

On s'est livré à des recherches en utilisant du courant continu, du courant alternatif et des signaux puisés à polarité simple et double. On applique des traitements impliquant l'implantation d'électrodes, ainsi que des traitements sans implantation, à l'aide de champs électrostatiques et électromagnétiques. En majeure partie, les travaux qui ont été effectués jusqu'à présent sont décrits dans le volume 238 des Annals of the New York Academy of Sciences, paru le 11 octobre 1974 et intitulé «Electrically Mediated Growth Mechanisms in Living Systems» (éditeurs A. R. LibofFand R. A. Rinaldi). Des indications sont aussi données dans l'article «Augmentation of Bone Repair by Inductively Coupled Electromagnetic Fields» de C. Andrew L. Bassett, Robert J. Pawluk et Arthur A. Pilla paru dans le volume 184, pages 575-577 de «Science» (3 mai 1974).

La présente invention est basée sur des études et analyses cellulaires fondamentales au cours desquelles on a considéré en détail les interactions apparaissant entre des espèces chargées telles que cations divalents et hormones au niveau des interfaces et liaisons cellulaires.

Fondamentalement, on a établi que, par modification du milieu électrique et/ou électrochimique dans lequel se trouvent des cellules et/ou tissus vivants, on peut modifier, souvent avec un effet thérapeutique bénéfique, le mode de 5 croissance, de réparation et d'entretien desdits tissus et/ou cellules. On assure cette modification ou cet effet en soumettant la zone tissulaire et/ou cellulaire à traiter à un signal de tension électrique à codage spécifique et d'intensité concomitantes, de façon à modifier le mode d'interaction des espèces chargées io au niveau des surfaces cellulaires. De telles modifications provoquent, dans l'état ou la fonction de la cellule ou du tissu, un changement qui peut avoir une influence bénéfique sur la zone traitée. Par exemple, dans le cas particulier de la croissance et de la réparation osseuses, il est possible, avec un mode de 15 codage électrique dit ci-après mode 1, de modifier l'interaction d'ions tels que Ca2+ avec les membranes cellulaires; avec un autre mode de codage électrique, dit ci-après mode 2, on peut modifier l'aptitude de la même cellule à opérer la synthèse de protéines.

20 Par exemple, des expériences opérées sur des cultures tissu-laires, comportant l'étude de rudiments de membres d'embryons de poussins, montrent qu'à l'aide d'un signal codé en mode 1, on améliore à concurrence de 50% la libération de Ca+2 par la cellule ostéogène responsable. Cet effet est très spécifiquement 25 lié aux paramètres du code électrique du mode 1. Ainsi, ce code influence l'un des stades majeurs de l'ossification, à savoir la minéralisation d'un emplacement de croissance d'os. Des études de cultures tissulaires similaires opérées à l'aide de signaux codés en mode 2 ont démontré qiie ce code améliore 30 la production de protéines par des cellules ostéogènes responsables analogues. Ce dernier effet est aussi très spécifiquement provoqué par les paramètres du code électrique de mode 2. Autrement dit, ce code affecte certains processus métaboliques de cellules telles que celles participant au prélèvement ou à la 35 libération de calcium par les mitochondries, ainsi qu'à la synthèse du collagène, protéine fondamentale de la substance osseuse.

Ces études montrent que les codes électriques de mode 1 et de mode 2 provoquent des réponses tissulaires et cellulaires qui leur sont propres, ce qui indique que chaque code contient des données 40 à haute spécificité. En se fondant sur ces études, ainsi que d'autres, il a été possible d'utiliser des signaux de mode 1 ou de mode 2, ou des deux modes en une combinaison particulière,

pour provoquer une réponse spécifique nécessaire à la guérison fonctionnelle d'une affection osseuse. On a appliqué avec succès 45 ces modes de codage électrique pour le traitement, en médecine humaine et animale, de fractures rebelles telles que pseudarthrose et solutions de continuité congénitales, ainsi que de fractures récentes. Les succès obtenus dans les cas de pseudarthrose congénitale sont à signaler tout particulièrement car, normale-5o ment, il faut amputer 80% des enfants atteints de cette affection parce que les traitements classiques, tels que greffe osseuse et ostéosynthèse ne donnent pas de résultat.

Certes, on a effectué par le passé de nombreuses recherches sur la réponse de tissus et/ou cellules vivants à des 55 signaux électriques, mais les résultats cliniques obtenus jusqu'à présent par les techniques antérieures ne sont pas uniformément satisfaisants ni agréés par l'ensemble du corps professionnel intéressé. Cet état de choses découle de diverses raisons. D'abord, on ne s'est pas rendu compte jusqu'à présent 60 qu'il faut des signaux électriques à teneur en données très spécifique pour obtenir cliniquement tel ou tel effet bénéfique souhaité sur des tissus et/ou cellules. En second lieu, selon la plupart des techniques antérieures, on utilise des électrodes implantées qui, par suite d'effets faradiques (d'électrolyse) 65 inévitables font souvent plus de tort que de bien à la zone traitée. Enfin, les cellules et/ou tissus subissent une distribution d'intensité et/ou de tension très mal contrôlée, ce qui compromet ou même annule l'aptitude des cellules à répondre au signal

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appliqué. Cette distribution d'intensité et/ou de tension très mal contrôlée apparaît aussi dans le cas de signaux à couplage par capaci tance.

Par contre, par couplage inductif direct, sans implantation chirurgicale de paramètres de codes électriques spécifiques, selon l'invention, on obtient des tissus et/ou cellules vivants une réponse contrôlée.

En bref, la présente invention repose sur la constatation qu'on peut apporter une modification bénéfique au mode de croissance, de réparation et d'entretien de tissus et/ou cellules vivants par application à ces tissus et/ou cellules de paramètres électriques spécifiques. On obtient ce résultat par une telle application aux tissus et/ou cellules de formes d'onde de tension et d'intensité concomitantes à relations temps-fréquence-amplitude spécifiques, sans implantation, à l'aide d'un champ électromagnétique variable en couplage inductif direct avec les tissus et/ou cellules à traiter. Les paramètres fournis aux cellules et/ou tissus par ces signaux sont adaptés à influencer le comportement de cellules non excitables telles que celles intervenant dans la croissance, la réparation et l'entretien des tissus. Ces phénomènes de croissance, réparation et entretien diffèrent sensiblement de ceux intervenant dans l'activité des cellules excitables (par exemple nerveuses, musculaires, etc.), notamment en ce qui concerne le type d'effet modificateur nécessaire. Ainsi, les tensions et intensités concomitantes appliquées aux cellules et/ou tissus sont d'un ordre de grandeur au moins trois fois plus faible que celles nécessaires pour affecter des activités cellulaires ayant trait, par exemple, au rythme cardiaque, au contrôle vésical, etc.

L'appareil selon l'invention présente les caractéristiques spécifiées à la revendication 1.

De préférence, la bobine et les moyens d'excitation de cette bobine sont agencés de manière à permettre d'induire dans un tissu et/ou des cellules vivants des impulsions électromagnétiques asymétriques quasi rectangulaires ayant les caractéristiques suivantes :

a) chaque impulsion est composée d'une première partie, de grande amplitude et de faible durée, alternant avec une seconde partie, de polarité opposée, ayant une amplitude inférieure et une durée supérieure à celles de la première partie de l'impulsion;

b) l'amplitude de crête de ladite première partie d'impulsion est au plus égale à 40 fois, environ, l'amplitude de crête de ladite seconde partie d'impulsion;

c) la durée de chacune desdites premières parties d'impulsion est au plus égale à 1 /4 environ, de la durée d'une seconde partie d'impulsion voisine;

d) la fréquence de répétition desdites impulsions est comprise entre 10 et 10000 Hz; et e) l'amplitude moyenne de chacune desdites premières parties d'impulsion correspond à une valeur comprise entre 0,0001 et 0,01 V/cm de tissu et/ou cellules traités.

On comprendra mieux l'invention d'après la description détaillée que l'on va maintenant en donner en se référant aux dessins annexés, sur lesquels:

la fig. 1 est une vue simplifiée illustrant un traitement osseux au moyen de l'appareil selon l'invention ;

la fig. 2 est une vue en perspective de la partie du dispositif thérapeutique représenté sur la fig. 1 ;

la fig. 3 est une vue arrière de la partie du dispositif représenté à la fig. 2, montrant l'agencement d'une bobine qui lui est incorporée;

la fig. 4 est un schéma d'un montage électrique destiné à exciter la bobine montrée sur la fig. 3 en vue d'un traitement selon un premier mode particulier de mise en action de l'appareil dit mode 1 ;

la fig. 5 est un schéma symbolique d'un montage électrique pour l'excitation de la même bobine selon un second mode particulier de mise en action de l'appareil, dit mode 2;

les fig. 5a et 5b sont des schémas des formes d'onde correspondant respectivement au mode 1 et au mode 2, et montrent des impulsions actuellement préférées telles qu'induites dans des tissus et cellules vivants ;

la fig. 6 représente d'autres formes de parties d'impulsion négatives pour traitement en mode 2.

Les fig. 1 à 3 illustrent l'application de l'appareil selon l'invention pour le traitement d'un patient souffrant d'une fracture osseuse indiquée en 12, en vue de stimuler la croissance osseuse aux fins de consolidation. Une tête de traitement 14 est placée extérieurement sur la peau du patient et maintenue en place par une courroie 16 (fixée à la tête 14 par des attaches 16a)

et qui peut porter des bandes Velcro 18 permettant de l'assujettir, après l'avoir enroulée autour de la jambe et de la tête de traitement, afin de maintenir celle-ci en place contre la jambe. La tête de traitement 14 peut porter sur sa face intérieure une garniture de mousse 20 formant rembourrage et assurant une aération pendant l'application de la tête 14 contre la jambe. On notera que la tête 14 présente une face intérieure incurvée pour épouser à peu près la forme de la jambe à traiter.

A la tête de traitement 14 est incorporée une bobine 22 qui peut avoir toute forme convenable. Telle que représentée sur la fig. 3, la bobine 22 est de forme générale rectangulaire et définit une fenêtre à l'intérieur de ses spires. La bobine 22 peut être plane ou avoir une courbe épousant celle de la tête 14. Elle comporte des broches de connexion 24 qui font saillie sur la tête 14 pour être reliées à un câble 26 de raccordement à un montage d'alimentation convenable, qu'on décrira ci-après en détail. Une diode 27 peut être incorporée au câble 26 pour être montée aux bornes de la bobine 22, comme on l'exposera aussi.

On place la tête 14 sur le patient de façon à disposer la fenêtre définie par la bobine 22 en regard de la fracture 12, c'est-à-dire du tissu à traiter. On excite, d'une manière qu'on exposera, la bobine 22, qui induit une tension électrique dans le tissu à traiter. On a constaté qu'il faut induire dans le tissu un signal d'un type particulier, qu'on obtient en faisant alimenter la bobine 22 par un montage tel que représenté sur la fig. 4 ou sur la fig. 5, qui fournit le signal puisé représenté sur la fig. 5a ou sur la fig. 5b.

Sur la fig. 4, on voit une source 30 d'alimentation en courant variable, couplée à travers un conditionneur ou porte 32 à la bobine de traitement 22 (ou à chaque bobine,

selon le cas et comme expliqué en détail ci-dessous). La porte 32 est gouvernée par deux unités de commande 34 et 36, qui provoquent l'application à la bobine 22 d'un signal puisé constitué par des impulsions de tension électrique répétées. Chaque impulsion est composée, comme représenté sur la fig. 5a,

d'une partie positive PI, suivie d'une partie négative P2 due à l'énergie électrique emmagasinée dans la bobine. Dans le montage représenté sur la fig. 4, on peut prévoir une unité à diode(s) de fixation de niveau 38 pour limiter la tension de crête de la partie d'impulsion négative. Cette unité 38 peut comporter une ou plusieurs diodes montées aux bornes de la bobine 22 et est avantageusement incorporée au câble 26. La diode représentée en 27 sur la fig. 1 constitue une telle unité de fixation de niveau 38.

La fig. 5a et la fig. 5b représentent le signal émis par la bobine 22, et donc induit dans le tissu à traiter, selon deux modes d'émission différents, indiqués à titre d'exemple. On suppose qu'à l'instant tl, la porteuse 32 est excitée par un signal approprié émanant de l'unité de commande 36 (dite unité de commande de largeur d'impulsions) de façon que la tension aux bornes de la bobine 22 s'élève suivant le segment d'impulsion 39 jusqu'à une valeur indiquée en VI sur la fig. 5a. La tension aux bornes de la bobine 22 diminue ensuite suivant un second segment d'impulsion indiqué en 40 sur la fig. 5a. La pente de ce segment

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est déterminée par la constante de temps L/R du montage représenté sur la fig. 4, c'est-à-dire par l'inductance de la bobine 22 et par la résistance apparente du montage qui dépend de l'ensemble des valeurs réparties de capacitance, d'inductance et de résistance ohmique. Pour de nombreux traitements tissulaires et cellulaires, il semble souhaitable d'ajuster les paramètres du montage de façon que la pente du segment 40 soit aussi faible que possible, afin que le signal appliqué à la bobine 22 soit aussi rectangulaire que possible. A l'instant t2, la porte 32 est bloquée par l'unité de commande 36. Immédiatement avant ce blocage, le signal aux bornes de la bobine 22 présente la tension V2 indiquée sur la fig. 5a. La tension aux bornes de la bobine diminue à partir du niveau V2, suivant un troisième segment d'impulsion 41, jusqu'à une valeur de polarité opposée, indiquée en V3 sur la fig. 5a. L'unité à diode de fixation de niveau 38 peut limiter la tension de polarité opposée V3 à une valeur faible par rapport à VI. Le signal aux bornes de la bobine 22 décroît ensuite du niveau V3 jusqu'au niveau de potentiel nul ou de référence, qu'il finit par atteindre effectivement à l'instant t3. Un intervalle de temps préfixé s'écoule avant que l'unité 34 de commande de la fréquence de répétition d'impulsion n'émette un signal de minutage approprié pour faire engendrer, par l'unité de commande 36, un signal excitant à nouveau la porte 32, afin que le cycle qu'on vient de décrire se répète.

Les unités de commande peuvent typiquement être des multivibrateurs monostables, par exemple, engendrant des signaux de minutage appropriés et qui peuvent être réglables pour ajuster entre des limites désirées la durée et la fréquence de répétition des impulsions. De plus, en utilisant une source de courant continu variable 30, on peut faire varier à volonté l'amplitude du signal puisé.

Lorsqu'on applique des trains d'impulsions (mode 2), on prévoit des unités de minutage additionnelles, semblables aux unités 34 et 36 (fig. 4) pour définir la largeur et la fréquence de répétition de la salve. Sur la fig. 5, on voit des unités de commande 35 et 37 qui commandent une porte 33 pour lui faire appliquer à la ou à chaque bobine 22 un signal à forme d'onde du type représenté sur la fig. 5b. Le montage est par ailleurs tel que représenté sur la fig. 4, sauf que l'unité à diode(s) de fixation de niveau 38 est supprimée afin que puissent apparaître les grandes parties d'impulsion négatives représentées sur la fig. 5b. Les unités de commande 35 et 37 déterminent le nombre d'impulsions d'une salve et l'intervalle de temps séparant des salves successives.

On a constatéque lesignal qui apparaît aux bornes de la bobine 22 et qui est donc induit dans le tissu à traiter doit satisfaire à certains critères. On va exposer ces critères en se référant au signal tel qu'induit dans le tissu et/ou les cellules à traiter.

On peut éventuellement soumettre ce signal induit à une surveillance assurée par une bobine détectrice auxiliaire de surveillance (non représentée), située à la même distance de la bobine de traitement 22 que le tissu à traiter, comme on l'exposera en détail. De toute manière, on a établi qu'il faut satisfaire aux critères suivants pour traiter efficacement des cellules et tissus, notamment tissus durs tels qu'os, à l'état vivant.

Dans l'exposé ci-dessous, on considère que les signaux représentés sur les fig. 5a et 5b constituent les impulsions de tension électrique et d'intensité concomitantes engendrées par la bobine et appliquées aux tissus et/ou cellules. Ces impulsions présentent, après excitation de la bobine, une première polarité (qui est celle de la partie d'impulsion dite ici positive et représentée par la partie positive de la forme d'onde figurant sur les fig. 5a ou 5b). Elles présentent, après désexcitation de la bobine, une polarité opposée (dite ici négative et représentée par la partie négative de la forme d'onde indiquée sur les fig. 5a ou 5b).

Positive et négative n'ont ici qu'une valeur relative et indiquent seulement que les parties d'impulsion intéressées ont des polarités opposées par rapport à un niveau de potentiel de référence.

On a déterminé qu'il faut établir une relation préfixée entre les parties positives et négatives des impulsions pour modifier 5 de manière bénéfique et avec des résultats uniformes le comportement de cellules et tissus vivants. On a obtenu cette relation préfixée en utilisant isolément ou en combinaison, des signaux en deux modes différents.

Dans le mode 1 (fig. 5a), la forme d'onde asymétrique induite io dans le tissu ou les cellules par excitation et désexcitation alternées d'une bobine électromagnétique se répète à une fréquence telle que le taux de travail n'est pas inférieur à 2%. Typiquement, en mode 1, cette fréquence esfede 10-100 Hz avec des taux de travail de 20-30%. La relation de principe, en mode 1, 15 entre les caractéristiques amplitude-fréquence, des parties positive et négative d'impulsion est la suivante : le signal puisé doit avoir une forme particulière en ce sens que chaque partie d'impulsion positive doit être composée d'au moins trois segments tels, par exemple, qu'indiqués en 39, 40 et 41 sur la 20 fig. 5a. Comme noté plus haut, on constate qu'une partie de signal puisé positive ayant une forme sensiblement rectangulaire convient particulièrement pour le traitement de tissus et cellules. Toutefois, des formes d'impulsions différentes (autres que simple pic à deux segments) peuvent être intéressantes. 25 L'amplitude de crête du dernier segment de chaque partie d'impulsion positive, telle qu'indiquée par exemple en V2 sur la fig. 5a, ne doit pas être inférieure à 25% environ de l'amplitude de crête du premier segment 39 de la partie d'impulsion positive, indiquée par exemple en VI sur la fig. 5a.

30 L'amplitude de crête de la partie négative est indiquée en V3 sur la fig. 5a. Cette amplitude de crête ne doit pas dépasser 1/3 environ de l'amplitude crête de la partie d'impulsion positive. La durée de chaque partie d'impulsion positive (temps qui s'écoule entre les instants tl et t2 sur la fig. 5a) ne 35 doit pas être supérieure à 1/9 environ de la durée de la partie d'impulsion négative consécutive (temps qui s'écoule entre les instants t2 et-t3 sur la fig. 5a). Du fait qu'on utilise dans le dispositif de traitement une bobine électromagnétique,

l'énergie de chaque partie d'impulsion positive est égale à celle .40 de chaque partie d'impulsion négative, c'est-à-dire que les aires couvertes sur la fig. 5a par les parties d'impulsion positive et négative sont égales. Lorsqu'on satisfait à cette condition, l'énergie de chaque partie d'impulsion négative se dissipe en un temps relativement long, et l'amplitude moyenne de cette 45 partie négative est limitée. On a constaté que cette amplitude négative moyenne ne doit pas dépasser 1/6 environ de l'amplitude moyenne de la partie d'impulsion positive.

En respectant ces relations, on confère en outre aux parties d'impulsion positive et négative les caractéristiques so fréquence-amplitude, tant intrinsèques que relatives, convenables pour l'obtention d'une modification bénéfique du comportement des tissus et cellules.

En dehors des relations susmentionnées, on a constaté que la tension de crête moyenne de la partie d'impulsion positive ss doit être environ 0,0001 à 0,01 V/cm de tissu ou de cellules,

ce qui correspond (d'après les résistivités types des cellules et tissus) à une densité de courant d'environ 0,1 à 10 (iA/cm2 de cellules et/ou tissus traités. On a constaté que des tensions d'impulsions supérieures ou inférieures n'assurent pas d'effet 60 bénéfique. On a aussi constaté que la durée de chaque partie d'impulsion positive (temps écoulé entre les instants tl et t2 sur la fig. 5a) doit être d'au moins 200 jas environ. Si la durée de chaque partie d'impulsion positive est inférieure à 200 (is environ, les tissus et cellules sont insuffisamment stimulés 65 pour que leur processus de réparation ou autre s'en trouve modifié. Du point de vue pratique, la durée de la partie d'impulsion positive ne doit pas dépasser 1 ms environ. On a aussi établi que la fréquence de répétition des impulsions doit être d'environ

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65 à 75 Hz pour des tissus durs, osseux et autres. Des traitements puisés opérés dans cet intervalle sont particulièrement efficaces et donnent des résultats reproductibles sur des tissus et cellules de ce type. Toutefois, d'une manière générale, il faut adopter une fréquence de répétition d'impulsions d'environ 10 à 100 Hz pour obtenir de bons résultats sur des tissus et cellules.

Pour le traitement de lésions osseuses, et notamment de la pseudarthrose, on constate qu'en mode 1, un traitement par impulsions induites dans lequel chaque partie d'impulsion positive a une amplitude de crête d'environ 1 à 3 mV/cm (soit 1 à 3 nA/cm2) de tissu et/ou cellules traités et une durée d'environ 300 us, chaque partie d'impulsion négative ayant une durée d'environ 3300 |xs, et la fréquence de répétition des impulsions étant d'environ 72 Hz, constitue un traitement optimal et actuellement préféré, sous réserve que la forme des impulsions réponde aux conditions notées plus haut. La durée totale du traitement peut varier. On croit actuellement que des traitements par signal puisé appliqués par séances d'environ 15 mn, à raison d'une ou plusieurs séances quotidiennes pendant un nombre de jours prescrit, peuvent exercer un effet stimulant sur le comportement de tissus et cellules. Un traitement préféré en mode 1 comporte des séances quotidiennes de 8 h au minimum pendant un temps de quatre mois dans les cas difficiles, et de deux semaines dans les cas moins épineux.

Le traitement en mode 2 (fig. 5b) consiste à appliquer des formes d'onde asymétriques, induites dans les tissus ou cellules par excitation et désexcitation alternées d'une bobine électromagnétique, sous forme de trains d'impulsions contenant des salves (groupes d'impulsions) à forme d'onde asymétrique. La durée de chaque salve d'impulsions asymétriques est telle que le taux de travail ne soit pas inférieur à 1%. La fréquence des salves est typiquement d'environ 5-50 Hz.

Les relations de principe liant, en mode 2, les courbes fréquence-amplitude respectives des parties d'impulsion positive et négative comprises dans la salve du train d'impulsions s'expriment comme suit: chaque partie d'impulsion positive doit être composée d'au moins trois segments, par exemple tels qu'indiqués en 39', 40' etili' sur la fig. 5b. On a constaté également que, pour ce mode, une impulsion positive de forme sensiblement rectangulaire est particulièrement indiquée dans les traitements tissulaires et cellulaires. Toutefois, il est possible que des impulsions ayant des formes différentes, autres que celle d'un simple pic à deux segments, se révèlent intéressantes. L'amplitude de crête du dernier segment de chaque partie d'impulsion positive, par exemple telle qu'indiquée en V2 sur la fig. 5b, ne doit pas être inférieure à 25% environ de l'amplitude de crête du premier segment 39 de la partie d'impulsion positive, par exemple telle qu'indiquée en VI sur la fig. 5b.

L'amplitude de crête négative est indiquée en V3 sur la fig. 5b. Elle ne doit pas être plus de 40 fois environ supérieure à l'amplitude de crête positive (telle que VI). On peut satisfaire à cette condition en utilisant des parties d'impulsion négatives à formes d'onde diverses, par exemple sensiblement rectangulaire, trapézoïdale avec décroissance exponentielle, en cloche ou simple pointe à décroissance exponentielle, comme illustré par les formes d'onde portées en a, b, c et d sur la fig. 6.

La durée de chaque partie d'impulsion positive (temps écoulé entre les instants tl et t2 sur la fig. 5b) doit être au moins 4 fois supérieure à la durée de la partie d'impulsion négative suivante (temps écoulé entre les instants t2 et t3 sur la fig. 5b). Comme noté plus haut, du fait que le dispositif de traitement comporte une bobine électromagnétique, les énergies de chaque partie d'impulsion positive et de chaque partie d'impulsion négative sont égales, c'est-à-dire que, sur la fig. 5b, les aires couvertes par les parties d'impulsion positives et par les parties d'impulsions négatives sont égales.

La fréquence de récurrence des impulsions dans la salve du train puisé en mode 2 (dont la période est délimitée par les instants tl et t4) peut être d'environ 2000 à 10000 Hz.

La durée de la salve du train d'impulsions (temps écoulé entre tl et t5) doit représenter au moins 1% environ du temps écoulé entre tl et t6.

En adoptant des relations conformes aux conditions susmentionnées, on fait aussi en sorte que les parties d'impulsion positive et négative présentent, tant intrinsèquement que l'une par rapport à l'autre, les caractéristiques fréquence-amplitude voulues pour l'obtention d'une modification bénéfique du comportement tissulaire et cellulaire.

En dehors des relations précitées, on constate aussi que la tension de crête positive moyenne doit être environ comprise entre 0,00001 et 0,01 V/cm (soit environ 0,01 à 10 |iA/cm2)

de tissu et/ou cellules traités.

On a établi que: des tensions d'impulsions plus fortes ou plus faibles n'exercent pas d'effet bénéfique sur les tissus et/ou cellules, que la durée de chaque partie d'impulsion positive de la salve du train d'impulsions (c'est-à-dire le temps écoulé entre tl et t2 sur la fig. 5b) doit être d'au moins 1000 (is, et que la fréquence de répétition de la salve doit être comprise entre 5 et 15 Hz environ pour des tissus durs, osseux et autres.

Chaque partie d'impulsion négative de la salve du train d'impulsions doit avoir une durée non supérieure à 50 jxs environ et une amplitude moyenne non supérieure à environ 50 mV/cm (environ 50 |iA/cm2) de tissu et/ou cellules traités.

Pour le traitement de lésions osseuses, et notamment de pseudarthroses et solutions de continuité congénitales, on constate qu'un traitement opéré avec un signal puisé dont chaque partie d'impulsion positive a une amplitude de crête d'environ 1 à 3 mV/cm (1 à 3 nA/cm2) de tissu et/ou cellules traités et une durée d'environ 200 us, la durée de chaque partie d'impulsion négative étant d'environ 30 |is, le temps écoulé entre les instants t3 et t4 (fig. 5b) étant de 10 |is, la fréquence de répétition d'impulsions d'environ 4000 Hz, la durée de la salve d'environ 5 ms et la fréquence de répétition de la salve d'environ 10 Hz, représente un traitement osseux par impulsions induites actuellement préféré et optimal, sous réserve que les impulsions répondent aux conditions notées ci-dessus.

On croit aussi qu'on pourrait utiliser une seule impulsion asymétrique, telle que l'impulsion de salve décrite à propos du mode 2, avec une fréquence de répétition semblable à celle adoptée en mode 1, pour exercer un effet bénéfique sur la croissance et la réparation osseuses.

En traitant par les procédés décrits ci-dessus des tissus et cellules et notamment des tissus durs, par exemple osseux, à l'état vivant, on a établi qu'on accélère la réparation et qu'on obtient des résultats généralement uniformes dans tous les cas, en médecine humaine et animale. On a obtenu des résultats particulièrement satisfaisants dans le traitement de pseudarthrose, par lequel on a réalisé une jonction osseuse après avoir essayé sans succès plusieurs autres traitements et envisagé une résection comme autre moyen de rétablir la fonction.

En pratique, il semble préférable de prévoir dans la bobine une fenêtre aussi grande que possible et de placer la bobine de façon à appliquer une densité de flux adéquate au tissu et/ou aux cellules à traiter. On le sait, un champ magnétique variable dans le temps induit un champ de tension variable dans le temps qui lui est orthogonal. Autrement dit, la géométrie des lignes de flux magnétique détermine celle du champ de tension induit. Parce qu'il est souhaitable d'induire un champ de tension relativement uniforme, il faut donner aux lignes de flux magnétique une géométrie aussi uniforme que possible, résultat qu'on peut obtenir en faisant couvrir par la bobine une aire relativement grande par rapport à celle à traiter. Pour le moment, il ne semble pas qu'il faille donner aux lignes de flux magnétique

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une orientation particulière par rapport au tissu et/ou aux cellules à traiter.

On pense que c'est l'uniformité du champ de tension qu'on peut induire par traitement électromagnétique qui explique à de nombreux égards les bons résultats obtenus par le traitement, contrairement à ce qui se passe avec les champs non uniformes qui peuvent être et sont probablement établis par des traitements d'autres types, par exemple ceux qui mettent en œuvre des champs électrostatiques ou créent un gradient de potentiel à l'aide d'électrodes implantées dans ou sur les tissus ou cellules. En particulier, un champ de tension induit s'établit aussi bien dans le vide que dans un milieu conducteur ou isolant. Les caractéristiques du champ sont en général les mêmes (à 1 % près) dans ces trois cas, sauf le cas où le flux de courant induit est assez fort pour engendrer une force contre-électromotrice qui déforme les lignes de flux magnétique. Il en est ainsi quand le milieu conducteur a une grande conductibilité, ce qui est le cas par exemple pour un métal, et est assez grand pour intercepter un nombre notable de lignes de flux magnétique. Or, la conductibilité de milieux vivants, tissulaires et/ou cellulaires, est très inférieure à celle d'un métal type (en général d'un ordre de grandeur au moins 105 fois plus faible). De ce fait, la géométrie d'un champ magnétique établi en milieu tissulaire et/ou cellulaire n'est pas perturbée et demeure inchangée pendant que la croissance tissulaire et/ou cellulaire se poursuit. Ainsi, on pense que, par traitement électromagnétique sans implantation, on établit dans le milieu tissulaire et/ou cellulaire un gradient de potentiel qui demeure constant, quel que soit le stade atteint dans le traitement.

li est virtuellement impossible d'obtenir une telle uniformité de la tension induite par d'autres méthodes : par implantation d'électrodes, couplage électrostatique ou au moyen d'un transformateur couplé à des électrodes ou de bobines implantées couplées à des électrodes. En effet, ces derniers types de traitements dépendent de la conductibilité, qui varie dans les milieux tissulaires et/ou cellulaires, de sorte que le gradient de potentiel induit ne demeure pas constant quand l'état du tissu et/ou des cellules se modifie. En outre, à tout moment donné, le milieu tissulaire et/ou cellulaire traité présente localement des conductibilités différentes, ce qui fait que les gradients de potentiels varient d'un point à l'autre du milieu traité.

Pour ces raisons, il semble qu'un traitement électromagnétique appliqué sans implantation à des tissus et/ou cellules soit hautement préférable aux autres modes d'électrothérapie.

En ce qui concerne les paramètres types de la bobine, on pense que, pour des fractures osseuses courantes, il convient d'adopter des fenêtres de bobine d'environ 51 x 70 mm pour un adulte et 51 x 38 mm pour un enfant. Le fil formant la bobine peut être du fil de cuivre de 2 mm de diamètre, revêtu d'un vernis isolant les spires les unes des autres. Des bobines d'environ 60 spires pour un adulte et 70 spires pour un enfant semblent convenables. Pour traitement dans la cavité buccale, on réduit en conséquence les dimensions des bobines.

Il semble que la bobine de traitement doive avoir une inductance d'environ 1-5000 |iH et, de préférence, d'environ 1000 à 3000 |i.H, une résistance suffisamment faible (par exemple de 10-3 à 10~'Q) et exiger pour son excitation un signal d'entrée fort, d'environ 2 à 30 V, afin d'induire le potentiel d'impulsion adéquat dans le tissu et/ou les cellules traités. Plus l'inductance de la bobine de traitement est faible, plus la pente du segment 40 ou 40' (fig. 5a ou 5b) est accusée; plus cette inductance est grande et plus la partie d'impulsion positive tend vers la forme rectangulaire.

On peut surveiller la tension induite soit au moyen d'électrodes en contact avec le tissu et/ou les cellules traités, soit à l'aide d'une bobine détectrice placée près de la bobine de traitement 22, à la même distance de celle-ci que le milieu traité. Une bobine détectrice type qu'on a utilisée a une forme circulaire, un diamètre d'environ 0,5 cm et compte environ 67 ou 68 spires de fil. On divise la tension engendrée dans la bobine par la longueur de fil (en centimètres) pour obtenir une grandeur de tension induite par centimètre, qui est égale à la tension induite par centimètre dans le milieu traité.

Par traitement type à l'aide d'une bobine comportant une fenêtre de 51 x 70 cm et 60 spires de fil de 1,15 mm de diamètre, à laquelle est affectée une diode telle que 27 (fig. 3), on obtient dans une bobine détectrice les tensions induites suivantes, traduites en millivolts par centimètre de tissu, pour les durées d'impulsion (en microsecondes) indiquées (les tensions et durées indiquées correspondant à la forme d'onde représentée sur la fig. 5a) :

Tension induite vl v2

v3

tl-t2

t2-t3

Maximale (sur la surface de la bobine de traitement)

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3,7

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à 159 mm de la surface de la bobine de traitement

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11,5

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4200

à 38,1 mm de la surface de la bobine de traitement

6,0

4,2

1,0

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4200

Il est maintenant possible d'utiliser des champs électromagnétiques puisés pour agir sur le développement osseux dans des conditions diverses sur une base expérimentale et clinique saine. Les techniques mises au point jusqu'à présent permettent de traiter avec succès la pseudarthrose congénitale et acquise et les fractures récentes chez l'homme, d'augmenter la vitesse de réparation de fracture et de périostite réactionnelle chez l'animal, ainsi que de réduire les pertes de substance osseuse subies dans l'ostéoporose d'immobilisation des os longs. Les succès obtenus par le procédé découlent de la découverte de motifs d'impulsions présentant des relations temps-fréquence-amplitude telles qu'indiquées plus haut.

Exemples:

Pour démontrer l'efficacité du traitement par couplage inductif direct de tension puisée et intensité concomitantes induites par voie électromagnétique en modes 1 et 2, individuellement et en combinaison, sur la croissance et la réparation de tissus durs, on a d'abord appliqué ce traitement à des cas de pseudarthrose congénitale et acquise. Parmi un groupe de patients, on a choisi seulement ceux ayant préalablement subi sans succès une ou plusieurs interventions chirurgicales (greffe, ostéosynthèse).

Pour la plupart, ces patients s'étaient vu conseiller l'amputation par au moins un orthopédiste qualifié. Au cours de toute cette étude, la nécessité de choisir des motifs d'impulsions spécifiques s'est constamment manifestée. Par exemple, quand le problème majeur est l'absence d'ossification (ce qui est usuellement le cas dans les pseudarthroses congénitales), on a appliqué le traitement en mode 1, avec aboutissement à la réunion osseuse fonctionnelle dans les cas seulement où les impulsions avaient pour paramètres ceux indiqués plus haut. Quand par contre le problème majeur était le manque de trame protéique, on a appliqué le traitement en mode 2 pour provoquer la production de collagène, qui est la principale protéine de support de la substance osseuse. Etant donné que la production de protéines et l'ossification constituent deux stades complètement différents de la formation d'os, on a pu utiliser en combinaison synergique les effets hautement sélectifs de chacun des signaux de mode 1 et de mode 2 lorsque l'historique du traitement d'un patient révélait l'absence conjointe de production de trame protéique et d'ossification. Dans ce cas, la combinaison des modes 1 et 2 est bénéfique.

Dans la pseudarthrose congénitale, le patient type est âgé de un à dix ans. L'atteinte porte normalement sur la partie distale du

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tibia d'un membre. Les patients qui se sont présentés avaient déjà subi en moyenne trois interventions chirurgicales infructueuses, étaient atteints depuis cinq ans en moyenne et étaient tous destinés à être amputés.

On opère normalement le traitement d'un tel patient en mode 1, car le principal problème résulte d'une non-ossification dans la zone atteinte.

Le patient se voit prescrire la prothèse appropriée par le chirurgien orthopédiste traitant et subit le traitement sans être hospitalisé. Le temps de traitement est typiquement de 12 à 16 h/j pendant 4 mois environ en moyenne.

On a traité jusqu'à présent une vingtaine de lésions de ce type et obtenu une bonne ossification dans 90% environ des cas.

Pour la pseudarthrose acquise, par suite de traumatisme ou d'intervention, les patients sont en majorité des adultes, ont subi en moyenne trois opérations sans succès et la lésion s'est amorcée en moyenne depuis deux ans et demi. Pour 70% d'entre eux, on a envisagé l'amputation. Etant donné que,

dans certains cas, le problème majeur est un manque de substance osseuse, couramment visible à la radiographie sous forme de lacunes osseuses de plus de 2 mm à l'emplacement de la fracture, on commence le traitement d'un tel patient en mode 2. Lorsqu'on pense qu'il s'est formé assez de trame protéique non ossifiée, on passe au mode 1 pour obtenir une consolidation rapide à l'emplacement de la fracture.

En raison de la nature des atteintes que présentaient divers patients de ce groupe, on a combiné dans ce traitement les modes 1 et 2, notamment en appliquant d'abord le mode 2, puis le mode 1. Comme dans les cas de pseudarthrose congénitale, les prothèses adéquates ont été prescrites par le chirurgien orthopédiste traitant et les patients ont subi le traitement sans être hospitalisés. Le temps de traitement est typiquement de 10 à 14 h/j pendant des périodes de 3 à 9 mois.

On a traité jusqu'à présent une trentaine de lésions de ce type et observé dans 75% des cas une bonne jonction osseuse.

Ces résultats cliniques montrent clairement qu'une fois établi le diagnostic de telle ou telle lésion osseuse, on peut traiter celle-ci avec succès en provoquant, selon des motifs convenables, des modifications du milieu électrique environnant.

On a abouti à des constatations analogues en étudiant des ostéotomies bilatérales du fémur et du radius opérées sur 160 rats. On a divisé ces animaux en deux groupes principaux: groupe témoin et groupe traité pendant un temps de 14 j après l'opération. Après les avoir sacrifiés, on juge du degré de consolidation d'après des évaluations radiographiques et histologiques, ainsi que des essais mécaniques non destructifs. On utilise les résultats pour évaluer l'efficacité des traitements en modes 1 et 2, isolément et en combinaison. En général,

quand la coupure d'ostéotomie s'étend sur moins de 0,1 mm, un signal en mode 1 est efficace parce qu'il suffit de très peu de trame protéique pour la consolidation. Par contre, pour des coupures plus larges, on note une production de substance osseuse nettement plus abondante que sur les animaux témoins lorsqu'on opère en mode 2. Dans ce dernier cas, une combinaison des modes 1 et 2 assure une plus forte consolidation pour un temps de traitement équivalent.

On procède à d'autres évaluations en soumettant les os intéressés à des essais mécaniques. On opère en soumettant les os des rats sacrifiés à des charges en porte à faux avec diverses déformations, conformément aux méthodes d'essai décrites dans l'article «Accélération of Fracture Repair by Electromagnetic Fields. A Surgically Non-invasive Method» de C.A.L. Bassett, R. J. Pawluk et A.A. Pilla, paru aux pages 242-262 du volume précité des «Annals of The New York Academy of Sciences». Les spécimens ont subi des déformations en positions antéropostérieure, latéromédiane, postéroantérieure, médiolatérale et encore antéropostérieure.

Le tableau ci-dessous indique la charge moyenne provoquant une déformation de 1,17 mm d'un fémur soumis à cet essai.

Tableau

Charges mécaniques notées dans l'étude de la consolidation par stimulations électriques d'ostéotomies expérimentales sur fémur de rate adulte

Traitement appliqué

Charge provoquant

une déformation de 1,17 mm

Nul (témoin)

42+5,2 g

Signal de mode 1 (fig. 5a)

580+65 g

L'efficacité du signal utilisé est encore attestée, outre les résultats de radiographies et d'essais mécaniques, par l'étude histologique.

Teintés, à l'hémotoxyline et à l'éosine, des spécimens longitudinaux s'avèrent présenter un développement osseux beaucoup plus accusé après traitement en mode 1 que sans traitement.

Quand la coupure est plus large, on constate au bout de 14 j la présence de cals nettement plus gros chez les animaux traités que dans le groupe témoin. L'examen histologique révèle un surplus d'au moins 150% pour les animaux traités.

On a effectué quelques traitements après extraction dentaire et constaté que des impulsions en mode 1 peuvent avoir un effet très bénéfique sur la vitesse de cicatrisation et sur la décalcification maxillaire. Ce dernier effet est particulièrement important pour maintenir en état les bords alvéolaires des maxillaires, point très important pour la fixation d'implants.

Toutes ces observations font ressortir que des champs électromagnétiques à impulsions dotées de caractéristiques hautement spécifiques peuvent être appliqués par couplage inductif sans implantation à des organismes vivants pour modifier le comportement cellulaire. Dans l'application initiale de ces principes, on a étudié les effets exercés sur les cellules osseuses. Il est toutefois possible que l'on constate ultérieurement la possibilité d'agir par des techniques analogues sur d'autres processus biologiques, par exemple d'évolution maligne, de neuroreconstitution, d'inflammation et d'acquisition d'immunité, entre autres.

En résumé, il semble qu'on ait découvert un procédé de traitement électromagnétique sans implantation original. Les caractéristiques des impulsions induites, notamment celles ayant trait aux relations temps-fréquence-amplitude au sein de chaque impulsion ou entre impulsions successives, paraissent jouer un rôle majeur. Il y a lieu de penser que d'autres relations temps-fréquence-amplitude particulières permettront d'agir avec succès sur le comportement cellulaire dans des tissus divers.

Il va sans dire qu'on pourra adopter d'autres modes de mise en œuvre et dispositifs que ceux décrits ci-dessus. Par exemple, bien que les fig. 1 et 2 représentent un dispositif à fixer par courroie sur la jambe, on pourra utiliser des dispositifs de traitement noyés dans des plâtres, par exemple. On pourra encore appliquer le traitement au moyen d'une ou plusieurs bobines de formes diverses placées près du tissu et/ou des cellules à traiter. En fait, en médecine humaine, on dispose parfois des bobines de part et d'autre d'une fracture osseuse. On peut aussi utiliser des bobines à noyaux métalliques. En cas de traitement dans la cavité buccale, il semble avantageux d'utiliser des bobines jumelées, par exemple disposées chacune d'un côté d'un alvéole dentaire pour en stimuler la réparation.

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Dans toute la description, on a prescrit comme préférée une fréquence de répétition d'environ 65 à 75 Hz pour les tissus durs, osseux et autres. En fait, on ne connaît pas les limites exactes de cette fréquence de répétition pour tous les types de tissus et

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cellules. On pense que les intervalles opératoires préférés varient selon la nature des tissus et cellules. Par exemple, on a obtenu des résultats positifs dans le traitement des tissus mous avec une fréquence de 20 Hz.

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1 feuille dessins

Claims (5)

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1. Appareil pour le traitement sans implantation chirurgicale de tissus et/ou cellules vivants, par induction par voie électromagnétique d'impulsions asymétriques quasi rectangulaires de tension et d'intensité concomitantes, à relation fréquence-amplitude spécifique, dans lesdits tissus et/ou cellules,

caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bobine apte à être placée à une distance faible, du tissu et/ou des cellules à traiter, et un moyen générateur d'impulsions relié à la ou à chaque bobine pour la ou les exciter afin d'engendrer dans le tissu et/ou les cellules des impulsions électriques.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux bobines d'électrothérapie aptes à être placées de part et d'autre de la région tissulaire et/ou cellulaire à traiter et à être raccordées à des moyens d'excitation avec une polarité et une phase en addition de flux.

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REVENDICATIONS

3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux bobines d'électrothérapie aptes à être placées, en positions séparées, de part et d'autre de la région tissulaire et/ou cellulaire à traiter, ces bobines étant reliées audit moyen générateur d'impulsion et orientées l'une par rapport à l'autre de manière à présenter une polarité et une phase en addition de flux dans la région où elles sont placées.

4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou chaque bobine présente une fenêtre définie à l'intérieur de plusieurs spires d'enroulement électrique.

5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites bobines ont les mêmes dimensions et en ce que chacune d'elles présente une fenêtre définie à l'intérieur de plusieurs spires d'enroulement électrique.