DE2748780A1

DE2748780A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von lebendem gewebe und/oder zellen

Info

Publication number: DE2748780A1
Application number: DE19772748780
Authority: DE
Inventors: Arthur A Pilla; John P Ryaby
Original assignee: Electro Biology Inc
Current assignee: Electro Biology Inc
Priority date: 1976-11-17
Filing date: 1977-10-31
Publication date: 1978-05-18
Also published as: MX147342A; DK151687C; US4105017A; DK508177A; IE46078L; BR7707629A; ATA788977A; ES473758A1; AU3073877A; BE860745A; CA1092196A; CS205096B2; LU78533A1; NL178482B; ES464178A1; SE7712939L; HK21682A; PH13304A; GB1596512A; NO773925L

Description

Lucile-Grohn-StrcE* iS ι) 8 München 80 J^ Electro-Biology, Inc.

38 wall Street, Passaic, New Jersey, V.St.A.

- F.7313 -

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von lebendem Gewebe und/oder Zellen

Lh/fi

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von lebendem Gewebe und/oder Zellen durch Ändern ihrer Wechselwirkung mit geladenen Teilchen ihrer Umgebung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine gesteuerte Modifikation von Wachstum, Wiederherstellung und Erhaltung von Zellen und/oder Gewebe durch Anlegen einer kodierten elektrischen Information. Die Erfindung betrifft außerdem das Anlegen von einem oder mehr elektrischen Spannungssignalen und entsprechenden Stromsignalen in Form eines speziellen Musters mittels einer chirurgisch nicht eindringenden oder nicht zerstörenden direkten induktiven Kopplung.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Versuche unternommen, um bei lebendem Gewebe eine Antwort oder Response auf elektrische Signale zu bekommen.

Es wurden ferner Untersuchungen mit Gleichstrom, Wechselstrom und gepulsten Signalen von einfacher und doppelter Polarität durchgeführt. Eindringende Behandlungen unter Verwendung eingepflanzter Elektroden folgten ebenso nichteindringende Methoden mit elektrostatischen und elektromagnetischen Feldern. Ein Großteil der bisherigen Arbeit ist in Band 238 der Zeitschrift "Annals of The New York Academy of Sciences" beschrieben, veröffentlicht am 11.10.1974 unter dem Titel "Electrically Mediated Growth Mechanisms in Living Systems" (Herausgeber A.R. Liboff und R.A. Rlnaldi). Ein weiterer Bericht ist "Augmentation of Bone Repair by Inductively Coupled Electromagnetic Fields" von C. Andrew L. Bassett, Robert J. Pawluk und Arthur A. Pilla, veröffentlicht in Band 184, Seiten 575-577 der Zeitschrift "Science" vom 3. Mai 1974.

Die Erfindung basiert auf grundsätzlichen Zelluntersuchungen

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und Analysen, die eine detailierte Betrachtung der Wechselwirkungen von geladenen Teilchen einschließen, z.B. divalenten Kationen und Hormonen an den Zellgrenzschichten und übergängen.

Grundsätzlich wurde gefunden, daB durch Änderung der elektrischen und/oder elektrochemischen Umgebung einer lebenden Zelle und/oder eines Gewebes, eine Modifikation, oft ein vorteilhafter therapeutischer Effekt des Wachstums, der Wiederherstellung und der Erhaltung des Gewebes und/oder der Zellen erreicht werden kann. Diese Veränderung oder Wirkung wird ausgeführt, indem der gewünschte Bereich des Gewebes oder der Zellen einer speziell kodierten elektrischen Spannung und einem Strom ausgesetzt wird, wodurch die Wechselwirkungen der geladenen Teilchen an den Zellflächen modifiziert werden. Derartige Modifizierungen bringen einen Wechsel im Zustand oder der Funktion der Zelle oder des Gewebes hervor, der einen vorteilhaften Einfluß auf die behandelte Stelle hat. Beispielsweise im speziellen Fall von Knochenwachstum und Wiederherstellung ist es möglich, mit einem elektrischen

Kode, der hier nachfolgend als Methode 1 bezeichnet wird,

2+ die Wechselwirkung eines Ions, z.B. Ca mit den Zellmembranen zu verändern. Dagegen kann mit einem anderen elektrischen Kode, der nachfolgend als Methode 2 bezeichnet wird, eine Modifikation der Eigenschaften bzw. Fähigkeiten der Proteinsynthese derselben Zelle bewirkt werden.

Beispielsweise zeigen Untersuchungen an Gewebekulturen einschließlich der Untersuchung von embryonischen Kücken-Glieder-Rudimenten, daB die Anwendung eines Kodesignales nach der Methode 1 eine erhöhte Freisetzung von Ca⁺ hervorbringt bis herauf zu 50% der entsprechenden knochenbildenden Zelle. Diese Wirkung ist stark spezifisch für die Parameter des elektrischen Kodes der Methode 1. Somit beeinflußt dieser

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Kode einen Hauptschritt der Knochenbildung oder Verknöcherung, d.h. die Verkalkung einer Stelle des Knochenwachstumes. Ähnljdie Untersuchungen an Gewebekulturen unter Verwendung von Kodesignalen nach der Methode 2 haben gezeigt, daß dieser Kode verantwortlich ist für eine erhöhte Proteinerzeugung aus ähnlichen kompetenten knochenbildenden Zellen. Diese letztgenannte Wirkung ist auch hochspezifisch für die Parameter des elektrischen Kodes nach Methode 2. Mit anderen Worten, dieser Kode beeinflußt bestimmte Stoffwechselprozesse bei diesen Arten von Zellen, wie z.B. solche bei der Kalziumaufnahme oder Freigabe von Mitochondrion, ebenso die Synthese von Collagen, einem grundlegenden strukturellen Protein der Knochen.

Diese Untersuchungen zeigen, daß die elektrischen Kodierungen nach Methode 1 und Methode 2 zu einem individuellen Ansprechen von Gewebe und Zellen fUhren, wobei sich ergibt, daß jeder Kode einen stark spezifischen Informationsinhalt besitzt. Auf der Basis dieser und anderer Untersuchungen war es möglich. Signale nach der Methode 1 oder Methode 2 oder einer besonderen Kombination aus Methode 1 und Methode 2 zu verwenden, um ein spezielles Ansprechen zu erreichen, das erforderlich ist, um eine funktioneile Heilung einer Knochenstörung oder Knochenkrankheit zu bewirken. Diese elektrischen Methoden wurden erfolgreich bei Menschen und Tieren bei nicht-heilenden Frakturen angewendet, beispielsweise bei angeborener Pseudarthrose, bei schlechter Frakturheilung und bei neuen Frakturen. Die erreichten Erfolge bei der angeborenen Pseudarthrose sind bemerkenswert, da normalerweise bei 80% der Kinder, die damit belastet sind, eine Amputation erforderlich ist, da konventionelle Behandlungen, wie Knochenverpflanzung und interne Fixierung nicht erfolgreich sind.

Obwohl in der Vergangenheit zahlreiche Untersuchungen über das

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Ansprechvermögen von lebendem Gewebe und/oder Zellen auf elektrische Signale durchgeführt wurden, waren klinische Ergebnisse bei Anwendung der bisherigen Techniken bisher nicht erfolgreich oder allgemein anwendbar. Hierzu tragen mehrere Gründe bei. Erstens hat man bis jetzt nicht realisiert, daß elektrische Signale sehr spezifischen Informationsgehaltes erforderlich sind, um einen speziellen vorteilhaften klinischen Effekt bei dem Gewebe und/oder den Zellen zu erreichen. Zweitens verwenden die meisten der bisherigen Methoden eingepflanzte Elektroden, die wegen der unvermeidbaren faradayischen Wirkungen (Elektrolyse) oft mehr toxisch als heilend an «kr behandelten Stelle wirken. Ferner sind die Zellen und/oder Gewebe einer stark unkontrollierten Spannungs- und/oder Stromverteilung ausgesetzt, wodurch die Ansprechfähigkeit der Zellen auf das angelegte Signal, sollte sie vorhanden sein, beeinträchtigt wird. Diese stark unkontrollierte Strom- und/oder Spannungsverteilung entsteht auch bei kapazitiv gekoppelten Signalen.

Im Gegensatz hierzu wird bei der nicht-eindringenden direkten induktiven Kopplung eines elektrischen Informationsgehaltes von spezifischen elektrischen Kodes gemäß der Erfindung bei lebendem Gewebe und/oder Zellen eine kontrollierte bzw. gesteuerte Ansprechung (Response) erreicht.

Nach der Erfindung kann das Wachstum, die Wiederherstellung und die Erhaltung von lebendem Gewebe und/oder Zellen vorteilhaft modifiziert werden durch Anlegen einer spezifischen elektrischen Information. Dies wird erreicht durch Anlegen von Impuls-Wellenformen von Spannung und entsprechendem Strom mit einer spezifischen Beziehung von Zeit, Frequenz und Amplitude an das Gewebe und/oder die Zellen mit Hilfe chirurgisch nicht-elndringender Mittel unter Verwendung eines veränderlichen elektromagnetischen Feldes, das induktiv durch

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direkte Induktion In oder auf dem Gewebe oder den Zellen, die behandelt werden sollen, angekoppelt 1st. Die an die Zellen und/oder das Gewebe durch diese Signale abgegebene Information dient dazu, das Verhalten von nichtjerregbaren Zellen zu beeinflussen, wie z.B. denen, die beim Gewebewachstum, bei der Wiederherstellung und bei der Erhaltung beteiligt sind. Diese Erscheinungen bei Wachstum, Wiederherstellung und Erhaltung sind wesentlich verschieden von denjenigen bei erregbaren Zellen, z.B. Nerven, Muskeln usw. insbesondere hinsichtlich der Art der erforderlichen Störung. Deshalb sind die Spannungen und die zugehörigen Ströme, die an die Zellen oder Gewebe gelegt werden, wenigstens drei Größenordnungen niedriger als diejenigen, die erforderlich sind, um Zellaktivitäten, wie Herzschritt-Tätigkeit oder Blasensteuerung zu beeinflussen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

Fig. 1 vereinfacht die Behandlung eines Knochens nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt perspektivisch die Behandlungseinheit nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine Rückansicht der Einheit nach Fig. 2, wobei die Anordnung einer Spule für die Behandlung dargestellt ist.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems zum Erregen der Spule nach Fig. 3 bei einer Behandlung nach der Methode 1.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems zum Erregen der Spule nach Fig. 3 bei einer Behandlung nach der Methode 2.

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Flg. 5a und 5b zeigen Impulswellenformen bei Behandlungen nach Methode 1 und Methode 2, wobei gegenwärtig bevorzugte Impulse zur Induzierung bei lebenden Geweben und Zellen dargestellt sind.

Fig. 6 zeigt alternative Formen von negativen Impulsen bei einer Behandlung nach der Methode 2.

In den Figuren 1 bis 3 ist das Bein 10 einer Person mit einem gebrochenen Knochen 12 dargestellt, wobei die Erfindung angewendet wird, um das Knochenwachstum für den Heilprozess zu stimulieren. Ein Behandlungskopf 14 ist außerhalb der Haut der Person angeordnet und durch ein Band 16 gehalten, das am Kopf 14 durch Halterungen 16a befestigt sein kann und das mit einem angerauhten Material 18 versehen sein kann, so daß das Band um das Bein und um den Behandlungskopf gewickelt werden kann, um den letzteren in richtiger Position am Bein zu halten. Der Behandlungskopf 14 kann ein Schaummaterial 20 an seiner Innenfläche aufweisen, damit er am Bein kissenartig anliegt und eine Ventilation erreicht wird. Der Behandlungskopf 14 ist im allgemeinen an seiner Innenfläche so gekrümmt, daß er cbr Form des zu behandelnden Beines angepaßt ist.

Der Behandlungskopf 14 enthält eine Spule 22, die irgendeine geeignete Form haben kann. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Spule 22 im wesentlichen rechteckig ausgebildet, so daß sie ein Fenster innerhalb des inneren Teils der Windungen der Spule bildet. Die Spule 22 kann in einer Ebene liegen oder sie kann allgemein gekrümmt sein, so daß sie der Krümmung des Behandlungskopfes 14 angepaßt ist. Die Spule 22 hat Anschlußklemmen 24, die sich vom Behandlungskopf 14 weg erstrecken, um eine Verbindung mit einem Kabel 26 für den Anschluß an eine Erregerschaltung oder eine Energiequelle zu schaffen, wie weiter unten noch im Detail erläutert wird. In dem Kabel 26

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kann eine Diode 27 angeordnet sein zum Anschluß an die Spule 22, wie ebenfalls noch erläutert wird.

Der Behandlungskopf 14 1st so am Patienten angeordnet, daß das von der Spule 22 gebildete Fenster an den Bruch 12, d.h. an das zu behandelnde Gewebe angrenzt. Die Spule 22 wird erregt, wie noch erläutert wird, und sie Induziert ein elektrisches Potential Innerhalb des zu behandelnden Gewebes. Es wurde gefunden, daß eine besondere Art eines Signales In dem Gewebe Induziert werden soll und dies wird erreicht, Indem die Spule 22 durch eine Schaltung nach Flg. 4 oder 5 erregt wird, um ein Impulssignal nach Flg. 5a oder 5b zu erzeugen.

Gemäß Flg. 4 1st eine variable Gleichstromquelle 30 über ein Tor 32 an die Spule 22 geschaltet oder an mehrere Spulen, wenn dies erwünscht 1st. Das Tor 32 wird durch Steuergeräte 34 und 36 gesteuert, die dafür sorgen, daß ein Impulssignal aus wiederholten Impulsen eines elektrischen Potentials an die Spule 22 gelegt wird. Jeder Impuls nach Fig. 5a ist aus einem positiven Impulsabschnitt P1 und einem folgenden negativen Impulsabschnitt P2 zusammengesetzt, wegen der gespeicherten elektrischen Energie innerhalb der Behandlungsspule 22. In der Schaltung nach Fig. 4 kann eine Begrenzungseinheit 38 für die Diode verwendet werden, um das Spitzenpotential des negativen Impulsteiles zu begrenzen. Die Begrenzungseinheit 38 kann aus einer oder mehr Dioden bestehen, die an die Spule 22 geschaltet sind und sie kann zweckmäßigerweise innerhalb des Kabels 26 angeordnet sein. Die Diode 27 nach Fig. 1 bildet eine solche Begrenzungseinheit 38.

In Fig. 5a sind die Signale an der Spule 22 und damit das in dem zu behandelnden Gewebe induzierte Signal dargestellt.

Zum Zeitpunkt ti wird angenommen, daß das Tor 32 durch ein ge-

f) Ü ') fl ? 0 / 0 7 0 0

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elgnetes Signal von der Steuereinheit 36 angesteuert wird (die eine Impulsbreiten-Steuereinheit sein kann), so daß das elektrische Potential an der Spule 22 von etwa Null Volt ansteigt längs des Impulsabschnittes 39 auf ein Potential v1 in Fig. 5a. Das Signal an der Spule fällt in einem zweiten Impulssegment längs des Teils 40 der Kurve in Fig. 5a ab. Der Anstieg dieser Kurve ist bestimmt durch die Zeitkonstante L/R der Schaltung nach Fig. 4, d.h. der Induktanz der Spule und den effektiven Widerstand der Schaltung einschließlich verteilter Faktoren von Kapazität, Induktanz und Niderstand. Bei der Behandlung vieler Gewebe und Zellen ist es erwünscht, die Schaltungsparameter so einzustellen, daß der Teil 40 der Kurve so flach wie möglich ist, um das an die Spule 22 gelegte Signal so rechteckig wie möglich zu machen. Im Zeitpunkt t2 wird das Tor 32 durch die Steuereinheit 36 abgeschaltet. Unmittelbar vor dem Abschalten befindet sich das Signal an der Spule 22 auf dem Potential v2, wie in Fig. 5a gezeigt ist. Das Potential an der Spule 22 fällt von der Höhe ν2 in einem dritten Impulssegment 41 auf ein Potential entgegengesetzter Polarität vl in Fig. 5a. Die Größe des Potentials v3 mit entgegengesetzter Polarität kann durch die Begrenzungseinheit 38 auf einen relativ kleinen Wert im Vergleich mit dem Wert v1 begrenzt werden. Das Signal an der Spule 22 fällt dann vom Niveau ν3 auf Null oder auf ein Bezugspotential ab und es erreicht dann zum Schluß effektiv diese Höhe zum Zeitpunkt t3. Eine vorgegebene Zeitspanne vergeht, ehe die Steuereinheit 34 ein geeignetes Zeitsignal erzeugt, um die Steuereinheit 36 zu triggern, um ein Signal zu erzeugen, um das Tor 32 erneut einzuschalten, um den eben beschriebenen Zyklus fortzusetzen.

Die Steuereinheiten können monostabile Multivibratoren sein, um z.B. entsprechende geeignete Zeiteignale zu erzeugen und sie können veränderlich sein, um Impulsdauer und Wiederholungsfrequenz innerhalb erwünschter Grenzen zu steuern. Ferner er-

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laubt die Verwendung einer variablen Gleichspannungsquelle eine Veränderung der Amplitude des Impulssignales nach Wunsch.

Wenn ein Impulszugbetrieb (Methode 2) angewendet wird, wird eine weitere Zeitschaltung ähnlich der Einheiten 34 und 36 nach Fig. 4 verwendet, um die Stoßsegmentbreite und die Stoßsegmentwiederholungsrate zu erzeugen, (burst). Nach Fig. 5 steuern die Einheiten 35 und 37 ein Tor 33, um ein Signal zu erzeugen, das an die Spule oder Spulen 22 gelegt wird, mit einer Wellenform, wie sie in Fig. 5b gezeigt ist. Die Schaltung ist im übrigen dieselbe wie in Fig. 4, außer daß die Begrenzungseinheit 38 weggelassen ist, um die großen negativen Impulsabschnitte zu ermöglichen, wie in Fig. 5b dargestellt ist. Die Steuereinheiten 35 und 37 bestimmen die Anzahl der Impulse in einem Stoß (burst) und die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Stößen.

Es wurde gefunden, daß das Signal an der Spule 22 und damit das in dem zu behandelnden Gewebe induzierte Signal bestimmte Kriterien erfüllen soll. Diese Kriterien werden spezifiziert bezüglich dem Signal, das in dem Gewebe oder den Zellen, die behandelt werden, induziert wird. Ein solches induziertes Signal kann überwacht werden mit Hilfe einer nicht-gezeigten Aufnahmespule, die in einem Abstand von der Spule 22 angeordnet ist, der dem Abstand des behandelten Gewebes von dieser Spule entspricht, wie noch erläutert wird. In jedem Fall wurde festgestellt, daß die nachfolgenden Kriterien erfüllt sein sollten, wenn eine effektive Behandlung von lebenden Geweben und Zellen effektiv sein soll, insbesondere bei der Behandlung von harten Geweben, wie z.B. Knochen.

In der folgenden Darstellung bilden die Signale nach Fig. 5a und 5b die Impulse eines elektrischen Potentials und entsprechenden Stromes, die durch die Spule erzeugt und an die

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Gewebe und/oder Zellen gelegt werden. Diese Impulse haben eine Polarität bei einer Erregung der Spule, hier als positiver Impulsteil bezeichnet und als positiv gehender Teil der Wellenform nach Fig. 5a und 5b dargestellt. Die Impulse haben eine entgegengesetzte Polarität bei einer Entregung der Spule, hier als negativer Impulsteil bezeichnet und als negativ gehender Teil der Wellenformen nach Fig. 5a und 5b dargestellt. Die Bezeichnungen positiv und negativ sind hier nur relativ verwendet und nur um anzuzeigen, daß die Impulse entgegengesetzter Polarität bezüglich eines Bezugspotentials verwendet werden.

Es wurde festgestellt, daß die positiven Impulsabschnitte in einem vorgegebenen Zusammenhang zu den negativen Impulsabschnitten stehen sollten, um das Verhalten von lebenden Geweben und Zellen vateilhaft und mit gleichbleibenden Ergebnissen zu beeinflussen bzw. zu modifizieren. Dieser vorgegebene Zusammenhang wird erreicht durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Signalmethoden, sowie durch Kombinationen dieser beiden.

In der Methode 1 (Fig. 5a) wird die asymmetrische Wellenform, die in dem Gewebe oder den Zellen durch die alternierende Erregung und Entregung einer elektromagnetischen Spule angelegt wird, mit einer derartigen Frequenz wiederholt, daß die Gesamt-Impulsperiode nicht weniger als etwa 2% beträgt. Diese Frequenz liegt bei der Methode 1 typisch zwischen etwa 10 bis 100 Hz mit Impulsperioden von 20 bis 30%. Der grundsätzliche Zusammenhang bei der Methode 1 für den entsprechenden Frequenz-Amplituden- Inhalt der positiven und negativen Impulsabschnitte ist wie folgt. Das Impulssignal sollte eine besondere Form haben, nämlich jeder positive Impulsabschnitt sollte aus wenigstens drei Segaenten zusammengesetzt sein, d.h. den Segmenten 39, 40 und 41 ind Fig. 5a. Wie oben erwähnt, wurde

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gefunden, daß ein Im wesentlichen rechteckig geformter positiver Impulsabschnitt besonders geeignet für die Behandlung von Gewebe und Zellen ist. Es ist jedoch möglich, daß andere Impulsformen (andere als eine einfache Zwei-Segment-Spitze) nützlich sein können. Die Spitzenamplitude des letzten Segmentes oder Abschnittes jedes positiven Impulsteiles, z.B. das Potential v2 in Fig. 5a sollte nicht weniger als etwa 25% der Spitzenamplitude des ersten Abschnittes 39 des positiven Impulsteiles, d.h. des Potentials v1 in Fig. 5a, betragen.

Die Spitzenamplitude des negativen Teiles ist in Fig. 5a mit ν3 bezeihnet. Diese Spitzenamplitude sollte nicht mehr als etwa ein Drittel der Spitzenamplitude des positiven Impulsabschnittes betragen. Die Dauer jedes positiven Impulsabschnittes, d.h. die Zeit zwischen den Zeiten ti und t2 in Fig. 5a, sollte nicht länger als etwa 1/9 der Zeitdauer des nachfolgenden negativen Impulsabschnittes sein, d.h. der Zeit zwischen den Zeiten t2 und t3 in Fig. 5a. Da bei dem Behandlungssystem eine elektromagnetische Spule verwendet wird, ist die Energie jedes positiven Impulsabschnittes gleich der Energie jedes negativen Impulsabschnittes, d.h. die Fläche in Fig. 5a, die von den positiven Impulsabschnitten umschlossen wird, ist gleich der Fläche, die von den negativen Impulsabschnitten umschlossen wird. Durch Erfüllung der eben genannten Kriterien, wird die Energie jedes negativen Impulsabschnittes über eine raltiv lange Zeitperiode verteilt und die durchschnittliche Amplitude dieses negativen Impulsabschnittes ist begrenzt. Es wurde gefunden, daß eine solche negative Durchschnittsamplitude nicht höher sein sollte als etwa 1/6 der durchschnittlichen Amplitude des positiven Impulsabschnittes.

Diese Zusammenhänge gewährleisten ferner, daß die positiven und negativen Impulsteile die richtigen Frequenz-Amplituden-Charakteristiken unter sich selbst und zueinander haben, so

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daß eine vorteilhafte Modifizierung des Verhaltens von Gewebe und Zellen erreicht wird.

Neben den eben genannten Zusammenhängen wurde gefunden, daß die durchschnittliche Stärke des Spitzenpotentials des positiven Impulsabschnittes innerhalb des Bereichs von etwa 0,0001 bis 0,01 Volt je Zentimeter Gewebe oder Zellen liegen sollte, entsprechend etwa zwischen 0,1 und 10 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/der der Zellen (auf der Basis typischer spezifischer Widerstände von Zellen und Gewebe) . Es wurde ferner festgestellt, daß höhere oder tiefere Impulspotentiale keine vorteilhafte Wirkung ergeben. Außerdem wurde festgestellt, daß die Dauer jedes positiven Impulsteiles, d.h. die Zeit zwischen den Zeiten ti und t2 in Fig. 5a, wenigstens etwa 200 Mikrosekunden betragen sollte. Wenn die Zeitdauer jedes positiven Impulsteiles kleiner ist als etwa 200 Mikrosekunden, werden die Gewebe und Zellen nicht ausreichend stimuliert, um die Vfederherstellung oder andere Prozesse zu modifizieren. Aus praktischen Gründen sollte die Dauer des positiven Impulsteiles nicht größer als etwa 1 Millisekunde sein. Es wurde ferner gefunden, daß die Wiederholungsrate der Impulse innerhalb eines Bereichs von etwa 75 Hz bei Knochen und anderen harten Geweben liegen sollte. Impulsbehandlungen innerhalb dieses Bereiches zeigten sich besonders wirksam und führten zu reproduzierbaren Ergebnissen bei Geweben und Zellen dieser Art. Im allgemeinen jedoch sollte die Impulsfrequenz zwischen etwa 10 und 100 Hz liegen, um gute Ergebnisse in Geweben und Zellen zu erzielen.

Bei der Behandlung von Knochenleiden, und insbesondere bei der Behandlung von Pseudarthrose wurde gefunden, daß bei der Methode 1 bei einem positiven Impulsabschnitt mit einer Spitzenamplitude zwischen etwa 1 und 3 Millivolt je Zentimeter

des behandelten Gewebes (1 bis 3 Mikroampere je cm des be-

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handelten Gewebes oder der Zellen) einer Dauer jedes positiven Impulsabschnittes von etwa 300 Mikrosekunden und einer Dauer jedes negativen Impulsabschnittes von etwa 3300 Mikrosekunden und bei einer Impulsfrequenz von etwa 72 Hz, eine bevorzugte und optimale induzierte Impulsbehandlung erreichbar ist, solange die Impulsform-Erfordernisse, die oben genannt wurden, eingehalten werden. Die Gesamt-Behandlungszeiten können variieren. Zweckmäßig sind Impulsbehandlungen über Zeitspannen von jeweils wenigstens etwa 15 Minuten mit einer oder mehreren Behandlungsperioden während einer vorgegebenen Anzahl von Tagen, wodurch das Gewebe und das Zellverhalten effektiv stimuliert wird. Es wurde gefunden, daß eine Behandlung nach Methode 1 über eine Mindestzeit von 8 Stunden je Tag über eine Periode von 4 Monaten in schwierigen Fällen und über 2 Wochen in weniger schwierigen Fällen vorteilhaft ist.

Bei der Behandlung nach Methode 2, Fig. 5b, werden die asymmetrischen Wellenformen, die im Gewebe oder den Zellen durch alternierende Erregung und Entregung einer elektromagnetischen Spule induziert werden, in Form eines Impulszuges angelegt, der Stöße (d.h. Impulsgruppen) mit asymmetrischen Wellenformen enthält. Jeder Stoß aus asymmetrischen Impulsen hat eine solche Dauer, daß die Impulsdauer bzw. Impulsperiode des Stoßteiles nicht weniger als etwa 1% beträgt. Die Stoßfrequenz liegt typisch etwa im Bereich von 5 bis 50 Hz.

Die grundsätzlichen Zusammenhänge bei der Methode 2 für den entsprechenden Frequenz-Amplituden-Inhalt der positiven und negativen Impulse innerhalb des Stoßabschnittes des Impulszuges sind die folgenden: Jeder positive Impulsteil sollte aus wenigstens drei Abschnitten, z.B. den Segementen 39', 40· und 41' in Fig. 5b zusammengesetzt sein. Bei dieser Methode wurde ferner gefunden, daß ein im wesentlichen rechteckig ge-

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formter positiver Impulsabschnitt besonders geeignet für die Behandlung von Geweben und Zellen ist. Es ist jedoch möglich, auch andere Impulsformen als eine einfache Zwei-Segment-Spitze zu verwenden. Die Spitzenamplitude des letzten Segmentes jedes positiven Impulsabschnittes, d.h. das Potential ν2 in Fig. 5b, sollte nicht niedriger sein als etwa 25% der Spitzenamplitude des ersten Segmentes 39 des positiven Impulsabschnittes, d.h. des Potentiales vi in Fig. 5b.

Die Spitzenamplitude des negativen Impulsteiles ist in Fig. 5b mit ν3 bezeichnet. Diese negative Spitzenamplitude sollte nicht mehr als etwa das 40-fache der positiven Spitzenamplitude (in diesem Fall v1) betragen. Diese Forderung kann durch Verwendung negativer Impulsabschnitte erfüllt werden, die mehrere unterschiedliche Wellenformen haben, z.B. rechteckig, trapezförmig mit exponentiellem Abfall, glockenförmig oder in Form einfacher Spitzen mit exponentiellem Abfall, wie die entsprechenden WeIlenformen a, b, c und d in Fig. 6 zeigen.

Die Dauer jedes positiven Impulsteiles, d.h. die Zeit zwischen den Zeitpunkten ti und t2 in Fig. 5b, sollte wenigstens etwa das 4-fache der Dauer des nachfolgenden negativen Impulsabschnittes sein, d.h. der Zelt zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 in Fig. 5b. Wie oben erwähnt, 1st wegen der Verwendung einer elektromagnetischen Spule in dem Behandlungssystem die Energie jedes positiven Impulsabschnitttes gleich der Energie jedes negativen Impulsabschnittes, d.h. die Fläche in Fig. 5b, die von den positiven Impulsabschnitten umschlossen wird, ist gleich der Fläche, die von den negativen Impulsabschnitten umschlossen wird*

Die Impulsfrequenz der Impulse innerhalb des Stoßabschnittes bei dem Impulszug nach der Methode 2, d.h. der Zeit zwischen

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den Zeltpunkten ti und t4, kann zwischen etwa 2000 Hz und 10000 Hz liegen.

Die Breite des Sto6Segmentes des Impulszugs, d.h. die Zeit zwischen den Zeitpunkten ti und t5, sollte wenigstens etwa 1% der Zeit zwischen den Zeitpunkten ti und t6 betragen.

Durch Erfüllen der eben genannten Kriterien gewährleisten diese Zusammenhänge auch daß die positiven und negativen Impulsteile die richtigen Frequenz-Amplituden-Charakteristiken unter sich und zueinander haben, so daß eine vorteilhafte Modifizierung des Verhaltens von Geweben und Zellen bewirkt wird.

Neben den genannten Zusammenhängen wurde ferner gefunden, daß die durchschnittliche Stärke des positiven Spitzenpotentials innerhalb eines Bereiches von etwa 0,00001 bis 0,01 Volt je cm Gewebe und/oder Zellen liegen sollte bzw. zwischen etwa 0,01 und 10 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes oder der Zellen.

Es wurde außerdem gefunden, daß höhere oder tiefere Impulspotentiale keine vorteilhafte Auswirkungen auf Gewebe und Zellen haben. Die Dauer jedes positiven Impulsabschnittes in dem Stoßsegment des Impulszuges, d.h. die Zeit zwischen den Zeitpunkten ti und t2 in Fig. 5b, sollte wenigstens etwa 10OO Mikrosekunden betragen. Die Frequenz des Stoßabschnittes sollte innerhalb des Bereichs von etwa 5 bis 15 Hz für Knochen und andere harte Gewebe liegen.

Jeder negative Impulsteil innerhalb des Stoßabschnittes des Impulszuges sollte eine Dauer haben, nicht größer als etwa 50 Mikrosekunden und mit einer Durchschnittsamplitude von nicht mehr als etwa 50 mv/cm des behandelten Gewebes und/oder

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2 der Zellen, d.h. etwa 50 Mikroampere je cm des behandelten

Gewebes und/oder der Zellen.

Für die Behandlung von Knochenstörungen oder Knochenleiden und insbesondere für die Behandlung von Pseudarthrose und schlecht heilenden Frakturen, wurde festgestellt, daß bei einem positiven Impulsabschnitt mit einer Spitzenamplitude von zwischen etwa 1 und 3 Millivolt je Zentimeter des behandelten Gewebes, d.h. etwa 1 bis 3 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen, einer Dauer jedes positiven Impulsteiles von etwa 200 Mikrosekunden und einer Dauer jedes negativen Impulsteiles von etwa 30 Mikrosekunden sowie einer Zeit zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 nach Fig. 5b von 10 Mikrosekunden, einer Impulsfrequenz von etwa 4000 Hz, einer Stoßabschnittsbreite von etwa 5 Millisekunden und einer Stoßwiederholungsfrequenz von etwa 10 Hz, eine vorteilhafte und optimale induzierte Impulsbehandlung von Knochen nach der Methode 2 erreichbar ist, solange die oben genannten Impulsanforderungen erfüllt sind.

Es wird angenommen, daß auch ein einzelner asymmetrischer Impuls wie oben in Verbindung mit dem Stoßabschnitt nach der Methode 2 beschrieben, verwendet werden kann mit einer Frequenz, ähnlich derjenigen nach Methode 1, um vorteilhafte Modifikationen des Gewebewachstums und der Wiederherstellung zu erreichen.

Die Behandlung von lebendem Gewebe und Zellen durch die obigen Methoden, insbesondere bei hartem Gewebe, wie Knochen, hat ein erhöhtes Ansprechvermögen hinsichtlich der Wiederherstellung und im wesentlichen gleichmäßige Resultate bei allen Patienten und Tierbehandlungen ergeben. Besonders vorteilhafte Ergebnisse wurden in den

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Fällen der Behandlung von Pseudarthrose erreicht, in welchen eine Knochenverbindung,nach mehreren vergeblichen Versuchen mit Hilfe anderer Behandlungen erreicht wurde, wobei in solchen Fällen bereits eine Amputation als mögliche Alternative zur Wiedergewinnung der Funktion diskutiert worden war.

In der Praxis ist es erwünscht, eine Spule mit möglichst großem Fenster zu verwenden und die Spule so zu positionieren, daß eine ausreichende Flußdichte in das Gewebe und/oder die Zellen eingeleitet wird. Bekanntlich induziert ein zeitveränderliches Magnetfeld ein zeitveränderliches Spannungsfeld, das rechtwinkelig zu ihm verläuft. Das heißt, die Geometrie der magnetischen Feldlinien bestimmt die Geometrie des induzierten Spannungsfeldes. Da ein relativ gleichmäßig induziertes Spannungsfeld erwünscht ist, sollte die Geometrie der magnetischen Feldlinien so gleichförmig wie möglich sein, was erreichbar ist, wenn die Größe der Spule relativ groß bezüglich der zu behandelnden Fläche ist. Gegenwärtig wird nicht angenommen, daß eine Notwendigkeit einer besonderen Ausrichtung zwischen den magnetischen Feldlinien und dem zu behandelnden Gewebe und/oder Zellen besteht.

Es wird angenommen, daß die Gleichmäßigkeit des induzierten Spannungsfeldes, das durch die elektromagnetische Behandlung möglich ist, in vieler Hinsicht für die guten Behandlungsergebnisse verantwortlich ist, die erreicht worden sind, im Unterschied zu den nicht-gleichförmigen Feldern, die bei anderen Behandlungsarten auftreten, beispielsweise bei Verwendung elektrostatischer Felder oder bei der Erzeugung eines Potentialgradienten durch Verwendung von Elektroden, die in das Gewebe oder die Zellen eingepflanzt sind. Ein induziertes Spannungsfeld ist sowohl im Vakuum als auch in

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einem leitenden Medium oder einem Isolator vorhanden. Die Feldkennzeichen sind im allgemeinen dieselben (innerhalb 1%) in diesen drei Fällen, außer wenn ein induzierter Stromfluß ausreichend groß ist, um eine elektromotorische Rückkraft zu erzeugen, um die magnetischen Feldlinien zu zerstören. Dieser Zustand entsteht wenn das leitende Medium eine hohe Leitfähigkeit hat, z.B. bei einem Metall und groß genug ist, um eine wesentliche Anzahl von magnetischen Feldlinien zu unterbrechen. Lebende Systeme, d.h. Gewebe und/oder Zellen, sind viel weniger leitend als ein typisches Metall (etwa um wenigstens 10 Größenordnungen). Aufgrund dieser Betrachtungen ist die Geometrie des Magnetfeldes in dem Gewebe und/oder den Zellen ungestört und bleibt unverändert wenn das Gewebewachstum und/oder das Zellwachstum fortschreitet. Deshalb wird bei einer nicht-eindringenden elektromagnetischen Behandlung angenommen, daß der in dem Feld und/oder den Zellen erzeugte Potentialgradient konstant ist, unabhängig von der Stufe oder dem Zustand der Behandlung.

Eine solche Gleichmäßigkeit des induzierten Potentials ist praktisch unmöglich zu erreichen bei Verwendung von eingepflanzten Elektroden oder bei elektrostatischer Kopplung oder bei einem an die Elektroden angekoppelten Transformator, oder durch eingepflanzte Spulen, die mit den Elektroden gekoppelt sind. Da diese letztgenannten Behandlungsmethoden abhängig von der Leitfähigkeit sind, die innerhalb des Gewebes und oder der Zellen variiiert, bleibt der induzierte Potentialgradient nicht konstant, wenn sich die Bedingungen von Gewebe und Zellen ändern. Ferner haben zu jeder bestimmten Zeit innerhalb des Gewebes und/oder der Zellen individuelle Orte des Materials, die behandelt werden, unterschiedliche Leitfähigkeiten, was zu unterschiedlichen Potentialgradienten in dem behandelten Material führt.

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Aus diesen Gründen wird angenommen, daß eine chirurgisch nicht-eindringende elektromagnetische Behandlung von Gewebe und/oder Zellen vor anderen elektrischen Behandlungsmethoden mit anderen Mitteln stark vorzuziehen ist.

Hinsichtlich der typischen Spulenparameter wird angenommen, daß bei typischen Knochenbrüchen Spulenfenster von etwa 5cm · 7 cm bei Erwachsenen und 5 cm · 4 cm bei Kindern geeignet sind. Als Draht für die Spulen kann Kupferdraht (B&S gauge 12) verwendet werden, der mit Lack überzogen ist, um die einzelnen Windungen gegeneinander zu isolieren. Spulen mit etwa 60 Windungen bei einem Erwachsenen und 70 Windungen für Kinder sind z.B. geeignet. Für Behandlungen des Mundhohlraumes können die Spulengrößen entsprechend kleiner sein.

Es wird angenommen, daß die Induktanz der Behandlungsspule zwischen etwa 1 bis 5000 Mikrohenry und vorzugsweise zwischen etwa 1000 und 3000 Mikrohenry liegen sollte, bei einem ausreichend niederen Widerstand, z.B. 10 bis 10 Ohm, sowie einem hohen Eingangssteuersingal für die Spule zwischen etwa 2 und 30 Volt, um ein geeignetes Impulspotential in dem Gewebe und/oder den Zellen zu induzieren. Je kleiner die Induktanz der Behandlungsspule, umso steiler ist der Anstieg der Kurve 40, wie die Fig. 5 und 5a zeige; je größer die Induktanz umso flacher oder mehr rechteckiger ist der erzeugte positive Impuls.

Die überwachung des induzierten Potentials kann durch wirkliche Elektroden erfolgen, die einen Kontakt mit dem Gewebe und/oder den Zellen, die behandelt werden, herstellen, oder durch Verwendung einer Aufnahmespule, die benachbart zu der Behandlungsspule 22 in einer Entfernung angeordnet ist, die der Entfernung des zu behandelnden Materials von der Spule

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entspricht. Eine typische Aufnahmespule, die verwendet wurde, ist kreisförmig, mit einem Durchmesser von etwa 1/2 cm, sowie mit etwa 67 oder 68 Drahtwindungen. Das durch die Spule entwickelte Potential wird durch die Länge des Drahtes (in cm) geteilt, um eine induzierte Spannung je cm zu erhalten, die dieselbe ist, wie die Anzahl von Volt je cm, die in dem Gewebe und/oder den Zellen, die in Behandlung sind, induziert wird.

Bei einer typischen Behandlung mit einer Spule mit einem Fenster mit der Größe etwa 5 cm · etwa 7 cm und 60 Windungen eines Drahtes mit 17 Gauge, mit einer Diode in der Spule, wie die Diode 27 in Fig. 3, wurden folgende induzierten Spannungen in einer Aufnahmespule erzeugt und umgeformt in Millivolt/cm Gewebe, und zwar bei den nachfolgend aufgeführten Impulszeiten in MikroSekunden, wobei Spannungen und Zeiten auf die Wellenform nach Fig. 5 bezogen sind.

Induzierte Spannung

Maximum (an der Fläche der Behandlungsspule)

15 mm entfernt von der Fläche der Behandlungsspule

38 mm entfernt von der Fläche der Behandlungsspule

v1 v2

22 17

v3

3,7

t1-t2 t2-t3

15 11,5 2,5

6,0 4,2 1,0

300

4200

42OO

4200

Die Verwendung von pulsierenden elektromagnetischen Feldern zur Steuerung der Knochenbildung bei unterschiedlichen Bedingungen steht auf einer gesunden experimentellen klinischen Basis. Insoweit wurden erfolgreich angeborene und erworbene

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- «ι— 27Λ8780

Pseudarthrose sowie frische Frakturen bei Menschen behandelt, die Frakturrate und die reaktive Knochenhaut-Wiederherstellung bei Tieren gesteigert und der Knochenverlust bei nicht angewandter Osteoporose von langen Knochen reduziert. Der Erfolg beruht auf der Entdeckung und Verwendung von Impulsmustern mit spezifischen Zusammenhängen von Zeit, Frequenz und Amplitude, wie oben erläutert.

Beispiele

Um die Wirkung und Leistungsfähigkeit zu demonstrieren wurde die direkte induktive Kopplung von elektromagnetisch induzierten Impulsspannungen und entsprechenden Strömen nach den Methoden 1 und 2 und Kombinationen davon bezüglich des Wachstums und der Wiederherstellung von hartem Gewebe zunächst in Fällen von angeborener und erworbener Pseudarthrose angewandt. Bei einer Gruppe von Patienten wurden nur solche Personen behandelt, die zuvor ein- oder mehrmals ohne Erfolg chirurgisch behandelt wurden, z.B. durch KnochenverpfLanzung oder interne Fixierung. Bei den meisten dieser Patienten war bereits eine Amputation durch wenigstens einen qualifizierten Orthopäden empfohlen worden. Während der ganzen Untersuchung wurde die Notwendigkeit einer Impulsspezifizierung immer wieder illustriert. Wenn beispielsweise ein Mangel an Knochenbildung das Hauptproblem war, (gewöhnlich im Falle einer angeborenen Pseudarthrose) wurde die Behandlung nach Methode 1 angewandt, wobei eine funktioneile Knochenvereinigung oder Verbindung nur dann entstand, wenn die Parameter der Impulse den oben genannten entsprachen. Wenn andererseits ein Mangel an Knochenmatrix das Hauptproblem war, wurde nach Methode 2 behandelt, um die Erzeugung von Collagen zu erreichen, das das hauptsächliche tragende Protein im Knochenaufbau ist. Da die Proteinproduktion und

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die Knochenbildung bzw. Verknöcherung (ossification) zwei vollständig verschiedene Schritte beim Knochenaufbau bzw. bei der Knochenbildung sind, konnte die stark selektive Natur von jedem der Signale nach den Methoden 1 und 2 synergistisch kombiniert werden, wenn weder eine Matrixproduktion, noch eine Verknöcherung in der Behandlungsgeschichte des Patienten enthalten war. Somit konnte eine Kombination der Methoden 1 und 2 vorteilhaft bei dieser Situation angewandt werden.

Bei angeborener Pseudarthrose liegt das Alter des typischen Patienten zwischen 1 und 10 Jahren. Der befallene Teil ist normalerweise eines der Schienbeine. Die Patienten wurden mit durchschnittlich drei früheren vergeblichen chirurgischen Behandlungsversuchen eingeliefert, sie waren in dem Zustand bereits durchschnittlich etwa 5 Jahre und bei allen war eine Amputation in Erwägung gezogen worden.

Die Behandlung eines solchen Patienten erfolgte normalerweise nach der Methode 1, da das Hauptproblem ein Mangel an Verknöcherung des beeinflußten Bereichs war.

Dem Patienten werden die entsprechenden Geräte von dem zuständigen Orthopäden genannt und die Behandlung wird ambulant durchgeführt. Die Behandlungszeit beträgt typisch etwa 12 bis 16 Stunden am Tag über etwa 4 Monate durchschnittlich.

Etwa 20 Krankheitsbilder dieser Art wurden bisher mit erfolgreicher Verknöcherung behandelt, die in etwa 9O% der behandelten Personen erreicht wurde.

Bei erworbener Pseudarthrose, entweder traumatisch oder operativ, sind die Patienten meist Erwachsene mit durchschnittlich drei fehlgeschlagenen Operationen und durch-

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schnittlich etwa 2,5 Jahren seit dem Einsetzen der NichtVerbindung der Knochen. Bei 70% dieser Patienten wurde eine Amputation in Erwägung gezogen. Da in einigen Fällen das Hauptproblem der Mangel an Knochenmatrix war, was radiographisch in Form von Lücken in dem Knochen sichtbar war, mit mehr als 2 mm an der Frakturstelle, wurden solche Patienten beginnend mit der Methode 2 behandelt. Wenn angenommen wurde, daß eine ausreichende Menge an nichtverknöcherter Knochenmatrix vorhanden war, wurde die Methode 1 angewandt, um eine schnelle Immobilisierung der Frakturstelle zu erreichen.

Wegen der besonderen Pathologie verschiedener Patienten dieser Gruppe wurde eine Kombination der Methoden 1 und angewendet, wobei speziell mit der Methode 1 angefangen wurde, der die Methode 2 folgte. Wie im Falle angeborener Pseudarthrose wurde die notwendige Ausrüstung vom zuständigen Orthopäden vorgeschrieben und die Behandlung wurde ambulant durchgeführt. Die Behandlungszeit beträgt etwa 10 bis 14 Stunden je Tag über Perioden im Bereich von etwa 3 bis 9 Monaten.

Etwa 30 dieser Krankheitsbilder wurden bisher behandelt, wobei eine erfolgreiche Knochenverbindung bei 75% der behandelten Personen beobachtet wurde.

Diese klinischen Ergebnisse zeigen deutlich, daß wenn einmal die besondere Pathologie einer Knochenkrankheit diagnostiziert worden ist, eine selektiv vorteilhafte Behandlung angewendet werden kann, durch Anlegen geeignet kodierter Änderungen der elektrischen Umgebung.

Etwas ähnliches ergab sich bei einer Untersuchung der bilateralen fermoralen und radialen Osteotomie an 160 Ratten. Die Tiere

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wurden in zwei Hauptgruppen unterteilt, einem Feld ausgesetzt und kontrolliert über ein Intervall von 14 Tagen nach der Operation. Nach der Tötung wurde das Ausmaß der Frakturwiederherstellung auf der Basis einer X-Strahlenbewertung und einer histologischen Bewertung beurteilt, gekoppelt mit einer nicht-zerstörenden mechanischen Untersuchung. Diese Tiere wurden verwendet, um die Wirksamkeit einer Behandlung nach den Methoden 1 und 2 und Kombinationen davon bewerten zu können. Im allgemeinen, wenn der Osteotomie-Spalt weniger als 0,1 mm war, war ein Signal nach Methode 1 wirksam, weil nur sehr wenig Knochenmatrix für die Verfestigung erforderlich war. Andererseits wurde bei breiteren Osteotomien eine wesentlich höhere Matrixproduktion beobachtet* iei Kontrolltieren, wenn die Methode 2 angewendet wurde. Eine Kombination der Methoden 1 und 2 wurde im letzteren Fall angewendet, um eine steifere oder mehr starre Wiederherstellung bei einer äquivalenten Behandlungszeit zu erreichen.

Dies wurde weiter bewertet durch das Ansprechen der Knochen auf eine mechanische Untersuchung. Diese wurde durchgeführt, indem der Knochen der Ratten nach der Tötung freitragend belastet wurde bei verschiedenen Verformungen entsprechend den Versuchsbedingungen, wie sie in dem Bericht "Acceleration of Fracture Repair By Electromagnetic Fields, A Surgically Non-invasive Method" von C.A.L. Bassett, R.J. Pawluk und A.A. Pilla beschrieben wurden, veröffentlicht auf den Seiten 242 bis 262 der Zeitschrift "Annals of The New York Academy of Sciences7 die oben genannt wurde. Die Versuchsproben wurden verformt in der Vor-Nach-Position, der seitlich-mittleren Position, der Nach-Vor-Position, der mittlerenseitlichen Position und erneut in der Vor-Nach-Position.

Die durchschnittliche Ansprechung eines Oberschenkelknochens

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' **" 27Λ8780

SG

bei diesem Versuch bei einer Deformation von 1,25 mm ist in der nachfolgenden Tabelle I gezeigt:

TABELLE I

Mechanische Belastungswerte bei der elektrischen Stimulierung von künstlichen Osteotomien am Oberschenkelknochen von erwachsenen weiblichen Ratten

Stimulierung Last bei 1/25 mm Verformung

Kontrolle (unbehandelt) 42 Gramm +_ 5,2 Gramm

Methode 1, Signal nach Fig. 5a 580 Gramm +65 Gramm

Außer dem radiographischen und mechanischen Beweis der Wirksamkeit des verwendeten Signales wird diese Wirksamkeit auch durch den histologischen Beweis gestützt.

Mit Hämotoxylin und Eosin gefärbte langgestreckte Probeteile zeigen einen viel höheren Grad an Ausieifung bei der Methode 1 als im Kontroll-Fall.

Bei breiteren Osteotomie-Lücken zeigte sich bei Behandlungszeiten von 14 Tagen, daß die aktiven Tiere einen beträchtlich stärkeren Kallus hatten als die Kontrolltiere. Der histologische Beweis zeigte, daß die Zunahme wenigstens 150% gegenüber den Kontrolltieren betrug.

Es wurden Untersuchungen bei Zahnextraktionen durchgeführt und es wurde gefunden, daß Impulse nach der Methode 1 eine stark vorteilhafte Wirkung auf die Heilungsgeschwindigkeit und den Knochenverlust in der Mundhöhle haben. Der letztgenannte Effekt in der Mundhöhle ist besonders wichtig für die Aufrechterhaltung von Unterkiefer- und Backenknochen-

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stärke bzw. Höhe, einem sehr wichtigen Faktor für die Befestigung von Einsätzen.

Diese Beobachtungen zeigen alle, daß elektromagnetische Felder mit stark spezifischen Impulscharakteristiken induktiv mit biologischen Systemen gekoppelt werden können, um das Zellverhalten zu steuern. In einer ersten Anwendung dieser Prinzipien wurden positive Wirkungen auf Knochenzellen festgestellt. Aber auch andere biologische Prozesse können entsprechend behandelt werden, z.B. Malignanz, Neuro-Wiederhersteilung, Entzündungsprozesse und Immunverhalten.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß eine neuartige elektromagnetische und chirurgisch nicht-eindringende Behandlungstechnik gefunden wurde. Induzierte Impulscharakteristiken scheinen sehr wichtig zu sein, insbesondere solche, die sich auf den Zusammenhang von Zeit, Frequenz und Amplitude des gesamten Impulses oder der Impulsfolge beziehen. Es wird angenommen, daß die Auswahl spezieller Zusammenhänge von Zeit, Frequenz und Amplitude der Schlüssel für erfolgreiche Behandlungen von sich veränderndem Zellverhalten in einer Vielzahl von Geweben ist.

Die Verfahren und die Vorrichtungen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, sind modifizierbar. Beispielsweise zeigen Fig. 1 und 2 eine Behandlungseinheit, die mit einem Band an einem Bein befestigt werden kann, es können aber auch Behandlungsgeräte innerhalb von Verbänden verwendet werden. Die Behandlung kann ferner unter Verwendung von einer oder mehreren Spulen unterschiedlicher Formen ausgeführt werden, die angrenzend an die zu behandelnden Gewebe oder Zellen angeordnet werden. In manchen Fällen der Behandlung von

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Menschen wurden Spulen auf gegenüberliegenden Seiten eines Knochenbruches angelegt. Es können auch Spulen mit Metallkernen verwendet werden. Bei Behandlungen der Mundhöhle scheinen Doppelspulen vorteilhaft zu sein, die beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten eines Zahnfaches oder einer Alveole angeordnet werden, um die Wiederherstellung des Zahnfaches oder der Alveole zu stimulieren.

In der Beschreibung der Methode 1 wurde eine Impulsfrequenz von etwa 65 bis 75 Hz für Knochen und andere harte Gewebe vorgezogen. Die genauen Grenzen für die Impulsfrequenz sind noch nicht für alle Gewebe und Zellen untersucht. Bei einer Behandlung von weichen Geweben wurden positive Ergebnisse, beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz erreicht.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Behandeln von lebendem Gewebe und/oder Zellen, dadurch gekennzeichnet , daß Impulse einer asymmetrischen quasi-rechteckigen Spannung und eines begleitenden Stromes mit gegebener Frequenz-Amplituden-Relation in das Gewebe und/oder die Zellen induziert wird, daß ferner

a) jeder Impuls aus einem ersten Impulsteil mit einer ersten Polarität, einer höheren Stärke und einer kürzeren Zeitdauer, sowie einem zweiten mit ihm abwechselnden Impulsteil entgegengesetzter Polarität, einer geringeren Größe und einer längeren Zeitdauer gebildet ist,

b) daß die Spitzenstärke der erstgenannten Impulsteile nicht größer ist als etwa das 40-fache der Spitzengroße der zweitgenannten Impulsteile,

c) daß die Zeitdauer jedes der erstgenannten Impulsteile nicht größer ist als etwa 1/4 der Zeitdauer eines angrenzenden zweitgenannten Impulsteiles,

d) daß die Frequenz der Impulse zwischen etwa 10 und 10 OOO Hz liegt, und

e) daß jeder der erstgenannten Impulsteile eine durchschnittliche Amplitude zwischen etwa O,OOO1 und 0,01 Volt je Zentimeter des behandelten Gewebes und/oder der Zellen hat, entsprechend etwa 0,1 bis

2 10 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

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f) jeder der erstgenannten Impulsteile aus wenigstens drei Abschnitten aufgebaut ist, von welchen die Spitzenamplitude des letzten Abschnittes nicht kleiner ist als etwa 25% der Spitzenamplitude des ersten Abschnittes.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

f) jeder der zweitgenannten Impulsteile eine durchschnittliche Amplitude hat, die nicht größer ist als etwa 1/6 der durchschnittlichen Amplitude von jedem der erstgenannten Impulsteile.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

f) jeder der zweitgenannten Impulsteile eine Spitzenamplitude hat, von der aus er exponentiell abfällt auf etwa einen Null-Bezugspegel, und daß die Spitzenamplitude des zweitgenannten Impulsteiles nicht größer ist als etwa 1/3 der Spitzenamplitude des erstgenannten Impulsteiles.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

f) das Produkt aus Größe und Zeit des erstgenannten Impulssignales bzw. Impulsteiles im wesentlichen gleich dem Produkt aus Größe und Zeit des zweitgenannten Impulssignales bzw. Impulsteiles ist, so daß die Durchschnittsamplitude der ersten Impulsteile und der zweiten Impulsteile im wesentlichen auf einem Null-Bezugspegel liegt.

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

f) die Frequenz dieser Impulse zwischen etwa 10 und 1CKD Hz liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz zwischen etwa 65 und 75 Hz liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulse mit Hilfe nichtaggressiver bzw. nicht-eindringender Mittel in das Gewebe und/oder die Zellen induktiv eingeleitet werden über eine oder mehrere Perioden während einer vorgegebenen Anzahl von Tagen, und daß jede Periode wenigstens etwa 15 Minuten dauert.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchschnittsamplitude jedes zweitgenannten Impulsteiles zwischen etwa O,16 und 0,5 Millivolt je Zentimeter des behandelten Gewebes und/oder der Zellen liegt, entsprechend etwa zwischen O,16 und O,5 Mikroampere je cm² des behandelten Gewebes und/oder der Zellen, und daß die Durchschnittsamplitude jedes erstgenannten Impulsteiles zwischen etwa 1 und 3 Millivolt je Zentimeter des behandelten Gewebes und/oder der Zellen liegt, entsprechend etwa zwischen 1 und 3 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Dauer jedes erstgenannten Impulsteiles wenigstens etwa 300 Mikrosekunden und

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daß die Dauer jedes zweitgenannten Impulsteiles wenigstens etwa 30OO Mikrosekunden beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dauer jedes erstgenannten Impulsteiles nicht mehr als etwa 1/12 der Dauer eines benachbarten der zweitgenannten Impulsteile beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder erstgenannte Impulsteil eine Dauer von nicht mehr als etwa 50 Mikrosekunden hat und daß die Frequenz der Impulse zwischen etwa 10 und 100 Hz liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der zweitgenannten Impulsteile über wenigstens etwa 100 Mikrosekunden dauert und daß sein Durchschnittspotential zwischen etwa 0,00001 und 0,01 Volt je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen liegt, entsprechend etwa zwischen

0,01 und 10 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen, und daß jeder der erstgenannten Impulsteile über wenigstens etwa 10 Mikrosekunden dauert.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die durchschnittliche Amplitude jedes zweiten Impulsteiles zwischen etwa 0,001 und 0,003 Volt je cm des behandelten Gewebes und /oder der Zellen liegt, entsprechend etwa zwischen 1 und 3 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen, daß die Dauer jedes zweiten Impulsteiles wenigstens etwa 200 Mikrosekunden und die Dauer jedes ersten Impulsteiles weniger als etwa 40 Mikrosekunden

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ist, und daß die zusammengefaßte Dauer jedes ersten Impulsteiles und des angrenzenden zweiten Impulsteiles nicht mehr als etwa 3OO MikroSekunden beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es bei hartem menschlichem Gewebe angewendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es in der menschlichen Mundhöhle angewendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es bei menschlichen Knochen angewendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es bei hartem tierischem Gewebe angewendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es in der Mundhöhle von Tieren angewendet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es bei tierischen Knochen angewendet wird.

21. Vecf ahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß weitere Impulse einer Spannung und eines begleitenden Stromes in das Gewebe und/oder die Zellen elektromagnetisch induziert werden, und daß die Hellenform dieser zusätzlichen Impulse eine wiederholte Folge von diskreten Impulsgruppen ist, und daß jede Impulsgruppe eine Reihe von asymmetrischen Impulsen umfaßt.

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22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß die erstgenannten Impulse und die zusätzlichen Impulse entweder nacheinander oder gleichzeitig an das Gewebe und/oder die Zellen angelegt werden.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß die erstgenannten Impulse und die zusätzlichen Impulse nacheinander an das Gewebe und/oder die Zellen angelegt werden, wobei einer oder mehr der ersten Impulse alternierend mit einer oder mehr Impulsgruppen der zusätzlichen Impulse angelegt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß jede Impulsgruppe eine Mehrzahl von positiven und negativen Impulsteilen umfaßt, wobei auf einen positiven Teil ein negativer Teil folgt, daß jeder positive Tlil aus wenigstens drei Abschnitten aufgebaut ist, wobei die Spitzenamplitude des letzten Abschnittes nicht kleiner ist als etwa 10% der Spitzenamplitude des ersten Abschnittes, daß ferner jeder negative Impulsteil eine Spitzenamplitude besitzt, die nicht größer ist als etwa das 40-fache der Spitzenamplltude des positiven Impulsteiles, daß die Dauer jedes positiven Impulsteiles wenigstens etwa das 4-fache der Dauer des nachfolgenden negativen Impulsteiles beträgt, daß jeder negative Impulsteil eine Dauer von nicht mehr als etwa 50 Mikrosekunden hat und die Frequenz der Impulsteile innerhalb jeder Impulsgruppe zwischen etwa 2000 und 10 000 Hz liegt, und daß die Dauer jeder Impulsgruppe nicht weniger als etwa 1/100 und nicht mehr als etwa 1/2 der Dauer zwischen aufeinanderfolgenden Impulsgruppen beträgt.

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25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

£) die Wellenform der Spannungsimpulse und der Stromimpulse eine wiederholte Folge von diskreten Impuls gruppen ist,und daß jede Impulsgruppe eine Mehrzahl von ersten und zweiten Impulsteilen aufweist.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß

§) die Dauer jeder Impulsgruppe nicht mehr als etwa 1/2 der Dauer zwischen aufeinanderfolgenden Impulsgruppen beträgt.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß

g) die Dauer jeder Impulsgruppe nicht weniger als etwa 1/100 der Dauer zwischen aufeinanderfolgenden Impulsgruppen ist.

28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß

h) die Frequenz der Impulse innerhalb ihrer Impulsgruppe zwischen etwa 2000 und 10 000 Hz liegt.

29. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß

g) jeder der erstgenannten Impulsteile eine Spitzenamplitude hat, die nicht größer ist als etwa das 40-fache der Spitzenamplitude eines benachbarten der zweitgenannten Impulsteile.

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30. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß

g) die Dauer jedes ersten Impulsteiles wenigstens etwa das 4-fach der Dauer eines benachbarten der zweiten Impulsteile beträgt.

31. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß jeder zweite Impulsteil aus wenigstens drei Abschnitten besteht, wobei die Spitzenamplitude des letzten Abschnittes nicht weniger als etwa 10% der Spitzenamplitude des ersten Abschnittes beträgt.

32. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß jeder erste Impulsteil eine Dauer von nicht mehr als etwa 50 Mikrosekunden hat.

33. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß jeder zweite Impulsteil innerhalb einer Impulsgruppe über wenigstens 1OO Mikrosekunden dauert.

34. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulsgruppen sich mit einer Frequenz zwischen etwa 5 und 50 Hz wiederholen.

35. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß die zweitgenannten Impulsteile in den Impulsgruppen jeweils ein Durchschnittspotential zwischen etwa 0,00001 und 0,01 Volt je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen aufweisen, entsprechend zwischen etwa 0,01 und 10 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen.

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36. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daB die durchschnittliche Amplitude jedes zweitgenannten Impulsteiles innerhalb jeder Impulsgruppe zwischen etwa O_#OO1 und 0,003 Volt je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen liegt, entsprechend zwischen etwa 1 und 3 Mikroampere je cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen, daß ferner die Dauer jedes zweitgenannten Impulsteiles wenigstens etwa 200 Mikrosekunden und die Dauer jedes erstgenannten Impulsteiles weniger als etwa 40 MikroSekunden beträgt, und da8 die kombinierte Dauer jedes erstgenannten Impulsteiles und angrenzenden zweitgenannten Impulsteiles nicht mehr als etwa 300 MikroSekunden beträgt und die Wiederholungsrate der Impulsgruppen wenigstens etwa 10 Hz beträgt.

37. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zum Anlegen der elektromagnetischen Induktion an das Gewebe und/oder die Zellen zwei elektrische Behandlungsspulen verwendet werden, von denen je eine an gegenüberliegenden Seiten des zu behandelnden Bereiches angeordnet wird und daß die Spulen in einer den Fluß unterstützenden Polarität und Phase angelegt werden.

(38., Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Spule, die nahe bei dem zu behandelnden Gewebe und/oder den zu behandelnden Zellen angeordnet wird, einen Impulsgenerator, der mit der Spule gekoppelt ist, um diese zu erregen, um innerhalb des Gewebes und/oder der Zellen elektrische Impulse zu erzeugen.

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39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet , daß zwei elektrische Behandlungsspulen vorgesehen sind, die an gegenüberliegenden Seiten des zu behandelnden Bereiches angeordnet werden, daß ferner die Spulen so an den Impulsgenerator angeschlossen und so relativ zueinander ausgerichtet sind, daß in dem zu behandelnden Bereich durch Polarität und Phase der Fluß unterstützt wird.

40. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule ein Fenster aufweist, das durch die Windungen einer elektrischen Wicklung umgrenzt ist, und daß das Fenster einen Querschnittsbereich umfaßt, der im wesentlichen den Bereich des zu behandelnden Gewebes und/oder der zu behandelnden Zellen umschließt.

41. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet , daß die Spulen gleiche Abmessungen haben und jede Spule ein Fenster innerhalb einer Mehrzahl von Windungen einer elektrischen Wicklung aufweist, daß ferner jedes Fenster einen wirksamen Querschnittsbereich umfaßt, der im wesentlichen den Bereich des zu behandelnden Gewebes und/oder der zu behandelnden Zellen einschließt.

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