DE2748780C2

DE2748780C2 - Vorrichtung zum Behandeln von lebenden Geweben und/oder Zellen mittels Impulsen entgegengesetzter Polarität

Info

Publication number: DE2748780C2
Application number: DE2748780A
Authority: DE
Inventors: Arthur A. Wyckoff N.J. Pilla; John P. Essex Fells N.J. Ryaby
Original assignee: Electro Biology Inc
Current assignee: Electro Biology Inc
Priority date: 1976-11-17
Filing date: 1977-10-31
Publication date: 1986-01-30
Also published as: HK21782A; BG30919A3; PL202175A1; NL178482B; HK21682A; CH621942A5; BR7707629A; DE2748780A1; FR2371205B1; NL178482C; DK508177A; NL7712694A; CS205096B2; JPS568621B2; ES464178A1; IL53346A0; ES473758A1; IE46078L; FR2371205A1; IL53346A

Description

3 4

Knochen. steuerung, angewendet werden.

Die Untersuchungen haben gezeigt, daß die elektri- Beispiele für die Erfindung sind im folgenden anhand scheu Impulscodierungen nach Methode 1 und Methode der Zeichnung erläutert:

2 zu einem individuellen Ansprechen von Gewebe und F i g. 1 zeigt vereinfacht die Behandlung eines Kno-

Zellen führen, wobei sich zeigte, daß jeder Code einen 5 chens mit Hilfe einer Vorrichtung nach der Erfindung;

stark spezifischen Informationsinhalt besitzt Diese F i g. 2 zeigt perspektivisch einen Teil der Vorrich-

elektrischen Methoden wurden erfolgreich bei Men- tung von F i g. 1;

sehen und Tieren bei nicht-heilenden Frakturen, bei an- F i g. 3 zeigt eine Rückansicht des Vorrichtungsteiles geborener Pseudarthrose, bei schlechter Frakturheil«ing von F i g. 2 mit einer elektrischen Spule;

und bei neuen Frakturen angewendet Die Erfolge bei io F i g. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer elektrischen der angeborenen Pseudarthrose sind bemerkenswert. Schaltung zum Erregen der Spule nach F i g. 3 bei einer

da normalerweise bei 80% der damit belasteten Kinder Behandlung nach der Methode 1;

eine Amputation erforderlich ist, da konventionelle Be- F ig.5 zeigt ein Blockdiagramm einer elektrischen

handlungen, wie Knochenverpflanzung und interne Fi- Schaltung zum Erregen der Spule nach F i g. 3 bei einer

xierung, nicht erfolgreich sind. 15 Behandlung nach der Methode 2;

Obwohl in der Vergangenheit zahlreiche Untersu- Fig.5a und 5b zeigen Impulswellenformen bei Be-

chungen über das Ansprechvermögen von lebendem handlungen nach Methode 1 und Methode 2, wobei be-

Gtwebe und/oder Zellen auf elektrische Signale durch- vorzugte Impulse zur Induzierung bei lebenden Gewe-

geführt wurden, waren klinische Ergebnisse bei Anwen- ben und Zellen dargestellt sind; und

dung der bisherigen Techniken bisher bei weitem nicht 20 F i g. 6 zeigt alternative Formen von negativen Im-

so erfolgreich oder aber nicht allgemein anwendbar. pulsen bei einer Behandlung nach der Methode 2.

Hierzu tragen mehrere Gründe bei: In der F i g. 1 ist das Bein 10 einer Person mit einem

Erstens hat man bisher nicht erkannt, daß elektrische gebrochenen Knochen 12 dargestellt Ein Behandlungs-Signale sehr spezifischen Informationsgehaltes erfor- kopf 14 ist außerhalb der Haut der Person angeordnet derlich sind, um einen speziellen vorteilhaften klinischen 2s und durch ein Band 16 gehalten, das am Kopf 14 durch Effekt bei dem Gewebe und/oder den Zellen zu errei- Halterungen 16a (F i g. 3) befestigt und mit einem angechen. rauhten Material 18 versehen sein kann, so daß das

Zweitens verwenden die meisten der bisherigen Me- Band 16 um das Bein 10 und um den Behandlungskopf

thoden eingepflanzte Elektroden, die wegen der unver- 14 gewickelt werden kann, um diesen in richtiger Posi-

meidbaren faradayischen Wirkungen an der behandel- 30 tion am Bein 10 zu halten. Der Behandlungskopf 14

ten Stelle oft mehr toxisch als heilend wirken. kann ein Schaummaterial 20 (F i g. 1 und 2). an seiner

Drittens sind die Zellen und/oder Gewebe einer stark Innenfläche aufweisen, damit er am Bein 10 kissenartig unkontrollierten Spannungs- und/oder Stromverteilung anliegt und eine Ventilation erreicht wird. Der Behandausgesetzt, wodurch die Ansprechfähigkeit der Zellen lungskopf 14 ist im allgemeinen an seiner Innenfläche so auf das angelegte Signal, sollte sie vorhanden sein, be- 35 gekrümmt, daß er der Form des zu behandelnden Beines einträchtigt wird. Diese stark unkontrollierte Strom- 10 angepaßt ist

und/oder Spannungsverteilung entsteht auch bei kapa- Der Behandlungskopf 14 enthält eine Spule 22, die

zitiv gekoppelten Signalen. gemäß F i g. 3 im wesentlichen rechteckig ausgebildet

Im Gegensatz hierzu ermöglicht die Vorrichtung sein kann, so daß sie ein Fenster innerhalb des inneren

nach der Erfindung bei der nicht-eindringenden direk- 40 Teils der Windungen der Spule 22 bildet Die Spule 22

ten induktiven Kopplung eines elektrischen Informa- kann in einer Ebene liegen oder an die Krümmung des

tionsgehaltes von spezifischen elektrischen Codes eine Behandlungskopfes 14 angepaßt sein. Die Spule 22 hat

gut steuerbare Wirkung im Gewebe bzw. den Zellen. Anschlußklemmen 24, die sich vom Behandlungskopf 14

Nach der Erfindung kann das Wachstum, die Wieder- weg erstrecken, um eine Verbindung mit einem Kabel

herstellung und die Erhaltung von lebendem Gewebe 45 für den Anschluß an einen Impulsgenerator zu schaffen,

und/oder Zellen vorteilhaft modifiziert werden durch wie weiter unten noch im Detail erläutert wird. In dem

Anlegen einer spezifischen elektrischen Information Kabel kann eine Diode 27 zum Anschluß an die Spule 22

durch Anlegen quasi-rechteckförmiger Impulsformen angeordnet sein.

mit einer spezifischen Beziehung von Impulsbreite, Im- Der Behandlungskopf 14 ist so am Patienten angeord-

pulsfrequenz, Impulsform und Amplitude an das Gewe- so net, daß das von der Spule 22 gebildete Fenster an den

be und/oder Zellen mit Hilfe chirurgisch nicht-eindrin- Bruch 12, d. h. an das zu behandelnde Gewebe angrenzt

gender Mittel unter Verwendung eines veränderlichen Die Spule 22 wird, wie noch zu erläutern ist, erregt und

elektromagnetischen Feldes, das durch direkte Induk- induziert ein elektrisches Potential innerhalb des zu be-

tion mit dem Gewebe oder den Zellen gekoppelt wird. handelnden Gewebes. Im Gewebe wird durch die Spule

Die an die Zellen und/oder das Gewebe durch die Im- 55 22 und durch eine Schaltung nach F i g. 4 oder 5 ein

pulssignale abgegebene Information dient dazu, das Impulssignal nach F i g. 5a oder 5b erzeugt

Verhalten von nicht erregbaren Zellen zu beeinflussen. Gemäß F i g. 4 ist eine variable Gleichstromquelle 30

wie z. B. denen, die beim Gewebewachstum, bei der über ein Tor 32 an die Spule 22 oder an mehrere Spulen,

Wiederherstellung und bei der Erhaltung beteiligt sind. wenn dies erwünscht ist, geschaltet Das Tor 32 wird Diese Erscheinungen bei Wachstum, Wiederherstellung 60 durch Steuergeräte 34 und 36 so gesteuert, daß ein Im-

und Erhaltung sind wesentlich verschieden von denjeni- pulssignal aus wiederholtem Impulsen eines elektrischen

gen bei erregbaren Zellen, z.B. Nerven, Muskeln usw. Potentials an die Spule 22 gelegt wird,

insbesondere hinsichtlich der Art der erforderlichen Jeder Impuls bzw. jedes Impulspaar nach F i g. 5a ist

Störung. Deshalb sind die Spannungsimpulse und die aus einem Impuls P1 einer ersten Polarität und wegen

zugehörigen Stromimpulse, die an die Zellen oder Ge- 65 der gespeicherten elektrischen Energie innerhalb der

webe gelegt werden, wenigstens drei Größenordnungen Spule 22 aus einem folgenden Impuls P2 einer zweiten

niedriger als diejenigen, die zur Beeinflussung anderer Polarität zusammengesetzt. In der Schaltung nach

Zellaktivitäten, wie Herzschritt-Tätigkeit oder Blasen- F i g. 4 kann eine Begrenzungseinheit 38 für die Diode

verwendet werden, um das Spitzenpotential des Impulses der zweiten Polarität 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 angeordnet sein. Die Diode 27 nach F i g. 1 bildet eine solche Begrenzungseinheit 38.

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

Zum Zeitpunkt 11 wird angenommen, daß das Tor 32 durch ein geeignetes Signal von der Steuereinheit 36 gemäß Fig. 4 angesteuert wird, die eine Impulsbreiten-Steuereinheit sein kann, so daß das elektrische Potential an der Spule 22 von etwa Null Volt längs des !mpuisabschnittes 39 auf ein Potential ν 1 ansteigt. Das Signal fällt in einem zweiten Impulssegment längs des Teils 40 der Kurve von Fig. 5a ab. Der Anstieg dieser Kurve ist bestimmt durch die Zeitkonstante LVR der Schaltung nach F i g. 4, d. h. der Induktanz der Spule 22 und dem effektiven Widerstand der Schaltung einschließlich verteilter Faktoren von Kapazität, Induktanz und Widerstand. 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 f 2 wird das Tor 32 durch die Steuereinheit 36 abgeschaltet Unmittelbar vor dem Abschalten befindet sich das Signal an der Spule 22 auf dem Potential ν Z Das Potential fällt nun von ν 2 in einem dritten Impulssegment 41 auf ein Potential entgegengesetzter Polarität ν 3 ab. Die Größe des Potentials ν 3 mit entgegengesetzter Polarität kann durch die Begrenzungseinheit 38 auf einen relativ kleinen Wert im Vergleich mit dem Wert ν 1 begrenzt werden. Das Signal an der Spule 22 fällt dann vom Niveau ν 3 auf Null oder auf ein Bezugspotential zurück und erreicht diese Höhe zum Zeitpunkt /3. Eine vorgegebene Zeitspanne vergeht ehe die Steuereinheit 34 ein geeignetes Zeitsignal erzeugt um die Steuereinheit 36 zu triggern und ein Signal zu erzeugen, um das Tor 32 erneut einzuschalten, um den eben beschriebenen Zyklus fortzusetzen.

Die Steuereinheiten 34,36 können monostabile Multivibratoren sein, um z. B. entsprechende geeignete Zeitsignale zu erzeugen und sie können veränderlich sein, um die Impulsdauer und Wiederholungsfrequenz innerhalb erwünschter Grenzen zu steuern. Ferner erlaubt die Verwendung einer variablen Gleichspannungsquelle 30 eine Veränderung der Amplitude des Impulses.

Wenn ein irnpulsgruppenbciricb nach der Methode 2 angewendet wird, wird eine weitere Zeitschaltung ähnlich der Einheiten 34 und 36 nach F i g. 4 verwendet um die Impulsgruppenlänge und die Impulsgruppen-Wiederholungsfrequenz zu erzeugen. Nach F i g. 5 steuern die Einheiten 35 und 37 ein Tor 33, um ein Signal zu erzeugen, das an die Spule oder an Spulen 22 mit einer Impulsform gemäß F i g. 5b gelegt wird. Die Schaltung ist im übrigen dieselbe wie in F i g. 4, außer daß die, Begrenzungseinheit 38 weggelassen ist um die großen negativen Impulse zu ermöglichen, wie in F i g. 5b dargestellt ist Die Steuereinheiten 35 und 37 bestimmen die Anzahl der Impulse in einer Impulsgruppe und die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsgruppen.

Es wurde gefunden, daß das Signal an der Spule 22 und damit das in dem zu behandelnden Gewebe induzierte Signal bestimmte Kriterien erfüllen soll. Ein solches induziertes Signal kann überwacht werden mit Hilfe einer nichtgezeigten Aufnahmespule, die in einem Abstand von der Spule 22 angeordnet ist, der dem Abstand des behandelten Gewebes von dieser Spule entspricht. In jedem Fall wurde festgestellt, daß die nachfolgenden Kriterien erfüllt sein sollten, wenn eine effektive Behandlung von lebenden Geweben und Zellen möglich sein soll, insbesondere bei der Behandlung von harten Geweben, wie 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 22 erzeugt und an die Gewebe und/oder Zellen gelegt werden. Diese Impulse haben eine Polarität bei einer Erregung der Spule 22, hier als positiver Impuls bezeichnet, die als positiver Teil der Impulsform nach F i g. 5a und 5b dargestellt ist. Die Impulse haben eine entgegengesetzte Polarität bei einer Entregung der Spule, hier als negativer Impuls bezeichnet, die als negativer Teil der Impulsformen nach F i g. 5a und 5b dargestellt sind. Die Bezeichnungen positiv und negativ sind hier nur relativ verwendet um anzuzeigen, daß die Impulse entgegengesetzter Polarität bezüglich eines Bezugspotentials verwendet werden.

Bei der Methode 1 gemäß F i g. 5a wird die asymmetrische Impulsform, die in dem Gewebe oder den Zellen durch die alternierende Erregung und Entregung einer elektromagnetischen Spule angelegt wird, mit einer derartigen Frequenz wiederholt daß das Tastverhältnis nicht weniger als etwa 2% beträgt. Die Impulsfrequenz liegt bei der Methode 1 typisch zwischen etwa 10 bis 100 Hz mit Tastverhältnissen von 20 bis 30%. Der grundsätzliche Zusammenhang bei der Methode 1 für den entsprechenden Frequenz-Amplituden-Inhalt der positiven und negativen Impulse ist wie folgt:

Jeder positive Impuls, also der Impuls erster Polarität gemäß Anspruch 1, sollte aus wenigstens drei Segmenten zusammengesetzt sein, d. h. den Segmenten 39, 40 und 41 von F i g. 5a. Im wesentlichen rechteckig geformte positive Impulse sind besonders geeignet für die Behandlung von Gewebe und Zellen. Die Spitzenamplitude des letzten Segmentes oder Abschnittes jedes positiven Impulses, z.B. das Potential ν2 in Fig.5a sollte nicht weniger als etwa 25% der Spitzenamplitude des ersten Abschnittes 39 des positiven Impulses, d. h. des Potentials ν 1 in F i g. 5a, betragen.

Die Spitzenamplitude des negativen Impulses, also des Impulses der zweiten Polarität gemäß Anspruch 1 ist in Fig. 5a mit ν 3 bezeichnet Diese Spitzenamplitude sollte nicht mehr als etwa ein Drittel der Spitzenamplitude vl des positiven Impulses betragen. Die Breite jedes positiven Impulses, d, h. die Zeit zwischen den Zeiten 11 und 12 in F i g. 5a, sollte nicht länger als etwa 1/9 der Breite des nachfolgenden negativen Impulsabschnittes sein, d. h. der Zeit zwischen den Zeiten ί 2 und ί 3 in F ig. 5a.

Da bei dem Behandlungssystem eine elektromagnetische Spule 22 verwendet wird, ist die Energie jedes positiven Impulses gleich der Energie jedes negativen Impulses, d. h. die Fläche in F i g. 5a, die von den positiven Impulsen umschlossen wird, ist gleich der Fläche, die von den negativen Impulsabschnitten umschlossen wird.

Durch Erfüllung der genannten Kriterien, wird die Energie jedes negativen Impulses über eine lange Zeitperiode verteilt und wird die durchschnittliche Amplitude dieses negativen Impulses begrenzt. Es wurde gefunden, daß eine solche negative Durchschnittsamplitude nicht höher sein sollte als etwa 1/6 der durchschnittli-

chen Amplitude des positiven Impulses.

Außerdem wurde gefunden, daß die durchschnittliche Stärke des Spitzenpotentials ν 1 des positiven Impulses innerhalb des Bereichs von eta 0,1 bis 10 mV/cm Gewebe oder Zellen liegen sollte, entsprechend etwa zwischen 0,1 und 10 μΑ/cm² des behandelten Gewebes und/ oder 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 Breite jedes positiven Impulses, d. h. die Zeit zwischen den Zeiten ti und f2 in Fig.5a, wenigstens etwa 200 μβ betragen sollte. Wenn die Zeitdauer jedes positiven Impulses kleiner ist als etwa 200 μβ, werden die Gewebe und Zellen nicht ausreichend stimuliert. Aus praktischen Gründen sollte die Breite der positiven Impulse nicht größer als. etwa 1 ms sein. Es wurde ferner gefunden, daß die Wiederholungsfrequenz der Impulse innerhalb eines Bereichs von etwa 65 bis 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 sollte die Impulsfrequenz zwischen etwa 10 und 100 Hz liegen.

Bei der Behandlung von Knochenleiden, und insbesondere bei der Behandlung von Pseudarthrose wurde gefunden, daß bei der Methode 1 bei einem positiven Impuls mit einer Spitzenamplitude e 1 zwischen etwa 1 und 3 mV/cm des behandelten Gewebes (1 bis 3 μΑ/cm² des behandelten Gewebes oder der Zellen) bei einer Impulsbreite jedes positiven Impulses von etwa 300 μβ und einer Breite jedes negativen Impulses von etwa 3300 μβ und bei einer Impulsfrequenz von etwa 72 Hz, eine bevorzugte und optimale induzierte Impulsbehandlung erreichbar ist, solange die Impulsform-Erfordernisse 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 acht Stunden je Tag über eine Periode von vier Monaten in schwierigen Fällen und über zwei Wochen in weniger schwierigen Fällen vorteilhaft ist

Bei der Behandlung nach Methode 2, F i g. 5b, werden die asymmetrischen Impulsformea die im Gewebe oder den Zellen durch alternierende Erregung und Entregung einer elektromagnetischen Spule induziert werden, in Form eines Impulszuges angelegt der aus Impulsgruppen besteht Jede Gruppe aus asymmetrischen Impulsen weist ein Tastverhältnis der Gruppe von nicht weniger als etwa 1 % auf. Die Impulsgruppenfrequenz liegt insbesondere 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 der Impulsgruppe sind die folgenden:

Jeder positive Impuls, der bei dieser Methode den Impuls der zweiten Polarität darstellt sollte aus wenigstens drei Abschnitten, z. B. den Segmenten 39', 40' und 41' in F i g. 5b zusammengesetzt sein. Bei dieser Methode wurde ferner gefunden, daß ein im wesentlichen rechteckig geformter positiver Impuls besonders geeignet ist Die Spitzenamplitude ν 2 des letzten Segmentes 41' jedes positiven Impulses, d.h. das Potential ν2 in F i g. 5b, sollte nicht niedriger sein als etwa 25% der Spitzenamplitude ν 1 des ersten Segmentes 39' des positiven Impulses, d. h. des Potentiales ν 1 in F i g. 5b.
Die Spitzenamplitude v3 des negativen Impulses, der bei der Methode 5b den Impuls erster Polarität darstellt, sollte nicht mehr als etwa das .40-fache der positiven Spitzenamplitude ν 1 betragen.
Diese Forderung kann durch Verwendung negativer

ίο Impulse erfüllt werden, die mehrere unterschiedliche Formen haben, z, B. rechteckig, trapezförmig mit exponentiellem Abfall, glockenförmig oder in Form einfacher Spitzen mit exponentiellem Abfall. In F i g. 6 sind zwei Beispiele dargestellt.

Die Breite jedes positiven Impulses, d. h. die Zeit zwischen den Zeitpunkten t! und ί2 in Fig.5b, sollte wenigstens etwa das 4-fache der Breite des nachfolgenden negativen Impulses sein, d. h. der Zeit zwischen den Zeitpunkten 12 und f 3 in F i g. 5b. Wie oben erwähnt, ist wegen der Verwendung einer elektromagnetischen Spule in dem Behandlungssystem die Energie jedes positiven Impulses gleich der Energie jedes negativen Impulses, d. h. die Fläche in F i g. 5b, die von den positiven Impulsen umschlossen wird, ist gleich der Fläche, die von den negativen Impulsen umschlossen wird.

Die Impulsfrequenz der Impulspaare innerhalb einer Impulsgruppe nach der Methode 2 kann zwischen etwa 2000 Hz und 10 000 Hz liegen.
Es wurde ferner gefunden, daß die durchschnittliche

Stärke des positiven Spitzenpotentials innerhalb eines Bereiches von etwa 0,01 bis 10 mV/cm Gewebe und/

oder Zellen liegen sollte bzw. zwischen etwa 0,01 und 10 μΑ/cm² des behandelten Gewebes oder der Zellen.

Die Dauer jedes positiven Impulses in der Impuls-

gruppe, d. h. die Zeit zwischen den Zeitpunkten 11 und 12 in Fig. 5b, sollte wenigstens etwa 1 ms betragen. Die Frequenz der Impulsgruppe sollte innerhalb des Bereichs von etwa 5 bis 15 Hz für Knochen und andere harte Gewebe liegen.

Jeder negative Impuls innerhalb der Impulsgruppe sollte eine Breite haben, nicht größer als etwa 50 μβ und mit einer Durchschnittsamplitude von nicht mehr als etwa 10 mV/cm des behandelten Gewebes und/oder der Zellen, d. h. etwa 10 μΑ/cm² 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 Impuls mit

so einer Spitzenamplitude ν 1 von zwischen etwa 1 und 3 mV/cm des behandelten Gewebes, d.h. etwa 1 bis 3 μΑ/cm² des behandelten Gewebes und/oder der Zellen, einer Breite jedes positiven Impulses von etwa 200 μ* und einer Breite jedes negativen Impulses von etwa 30 its sowie einer Zeit zwischen den Zeitpunkten r 3 und r4 nach Fig.5b von 10μ5, einer Impulsfrequenz von etwa 4000 Hz, einer Impulsgruppendauer von etwa 5 ms und einer Impulsgruppenfrequenz von etwa 10 Hz, eine vorteilhafte und optimale induzierte Impulsbehandlung von Knochen nach der Methode 2 erreichbar ist

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 Fällen der Behandlung von Pseudarthrose erreicht in welchen eine Knochenver-

bindung, 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. Die Geometrie der magnetischen Feldlinien bestimmt also 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 nichtgleichförmigen 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 einem leitenden Medium oder einem isolator vorhanden. Die Feldkennzeichen sind im allgemeinen dieselben (innerhalb 1%), 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 Metall, und groß genug ist, um eine wesentliche Anzahl von magnetischen Feldlinien zu unterbrechen. Lebende Systeme, d. h. Gewebe und/oder Zellen, sind etwa um wenigstens 10⁵ Größenordnungen weniger leitend als ein typisches Metall. 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 nichteindringenden 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 variiert, 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.

Aus diesen Gründen wird angenommen, daß eine chirurgisch nichteindringende 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 5 cm · 7 cm bei Erwachsenen und

ίο 5 cm -4 cm bei Kindern geeignet sind. Als Draht für die Spulen kann Kupferdraht 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 induktivität der Behandlungsspule zwischen etwa 1 bis 5000 μΗ und vorzugsweise zwischen etwa 1000 und 3000 μΗ liegen sollte, bei einem ausreichend niederen Widerstand, z. B. 10~³ bis 10-' Ohm, sowie einem hohen Eingangssteuersignal für die Spule zwischen etwa 2 und 30 V, um ein geeignetes Impulspotential in dem Gewebe und/oder den Zellen zu induzieren. Je kleiner die Induktivität der Behandlungsspule, umso steiler ist der Anstieg der Kurve 40, wie die F i g. 5a und 5b zeigen; je größer die Induktivität 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 entspricht Eine typische Aufnahmespule 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/cm, die in dem Gewebe und/oder den Zellen, die in Behandlung sind, induziert wird.

Es wurden erfolgreich angeborene und erworbene 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 Anwendung von Impulsmustern mit wie oben angegebenen Zusammenhängen von Zeit, Frequenz und Amplitude.

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 Fi-

11 12

xierung. Bei den meisten dieser Patienten war bereits durchgeführt. Die Behandlungszeit beträgt etwa 10 bis

eine Amputation durch wenigstens einen qualifizierten 14 Stunden je Tag über Perioden im Bereich von etwa 3

Orthopäden empfohlen worden. Während der ganzen bis 9 Monaten. Untersuchung wurde die Notwendigkeit einer Impuls- Etwa 30 dieser Krankheitsbilder wurden bisher be-

spezifizierung immer wieder illustriert. 5 handelt, wobei eine erfolgreiche Knochenverbindung

Wenn beispielsweise ein Mangel an Knochenbildung bei 75% der behandelten Personen beobachtet wurde,

das Hauptproblem war (gewöhnlich im Falle einer an- Diese klinischen Ergebnisse zeigen deutlich, daß

ϊ geborenen Pseudarthrose), wurde die Behandlung nach dann, wenn einmal die besondere Pathologie einer Kno-

Methode 1 angewandt, wobei eine funktioneile Kno- chenkrankheit diagnostiziert worden ist, eine selektiv

chenvereinigung oder Verbindung nur dann entstand, 10 vorteilhafte Behandlung durch Anlegen geeignet ko-

wenn die Parameter der Impulse den oben genannten diener Änderungen der elektrischen Umgebung ange-

entsprachen. wendet werden kann.

'■:'■■ Wenn andererseits ein Mangel an Knochenmatrix das Es wurden Untersuchungen bei Zahnextraktionen

Hauptproblem war, wurde nach Methode 2 behandelt, durchgeführt und es wurde gefunden, daß Impulse nach

um die Erzeugung von Collagen zu erreichen, das das 15 der Methode 1 eine stark vorteilhafte Wirkung auf die

t hauptsächliche tragende Protein im Knochenaufbau ist. Heilungsgeschwindigkeit und den KLnochenverlust in

Da die Proteinproduktion und die Knochenbildung der Mundhöhle haben. Der letztgenannte Effekt in der

zwei vollständig verschiedene Schritte beim Knochen- Mundhöhle ist besonders wichtig für die Aufrechterhal-

aufbau bzw. bei der Knochenbildung sind, konnte die tung von Unterkiefer- und Backenknochenstärke bzw.

j stark selektive Natur von jedem der Signale nach den 20 -höhe, einem sehr wichtigen Faktor für die Befestigung

, Methoden 1 und 2 synergistisch kombiniert werden, von Einsätzen bzw. Zahnersatz.

! wenn weder eine Matrixproduktion, noch eine Kno- Diese Beobachtungen zeigen, daß elektromagneti-

chenbildung in der Behandlungsgeschichte des Patien- sehe Felder mit stark spezifischen Impulscharakteristi-

te:i enthalten war. Somit konnte auch eine Kombination ken induktiv mit biologischen Systemen gekoppelt werder Methoden 1 und 2 vorteilhaft bei dieser Situation 25 den können, um das Zellverhalten zu steuern. In einer angewandt werden. ersten Anwendung dieser Prinzipien wurden positive Bei angeborener Pseudarthrose liegt das Alter des Wirkungen auf Knochenzellen festgestellt. Aber auch typischen Patienten zwischen 1 und 10 Jahren. Der be- andere bialogische Prozesse können entsprechend befallene Teil ist normalerweise eines der Schienbeine. Die handelt werden, z. B. Malignanz, Neuro-Wiederherstel-Patienten wurden mit durchschnittlich drei früheren 30 lung, Entzündungsprozesse und Immunverhalten,
vergeblichen chirurgischen Behandlungsversuchen ein- Statt einer Behandlungseinheit, die beispielsweise ge-

geliefert, sie waren in dem Zustand bereits durchschnitt- maß F i g. 1 und 2 mit einem Band 16 an einem Bein 10

lieh etwa 5 Jahre und bei allen war eine Amputation in befestigt ist, können Behandlungsgeräte innerhalb von

. Erwägung gezogen worden. Verbänden verwendet werden. Es können auch insbe-Die Behandlung eines solchen Patienten erfolgte nor- 35 sondere mehrere Spulen unterschiedlicher Formen anmalerweise nach der Methode 1, da das Hauptproblem gewendet werden, die angrenzend an die zu behandelnein Mangel an Knochenbildung des beeinflußten Be- den Gewebe oder Zellen angeordnet werden. In manreichs war. chen Fällen werden Spulen auf gegenüberliegenden Sei-Dem Patienten werden die entsprechenden Geräte ten eines Knochenbruches angelegt. Es können auch von dem zuständigen Orthopäden genannt und die Be- 40 Spulen mit Metallkernen verwendet werden. Bei Be-

handlung wird ambulant durchgeführt Die Behänd- handlungen der Mundhöhle scheinen Doppelspulen

lungszeit beträgt typisch etwa 12 bis 16 Stunden am Tag vorteilhaft zu sein, die beispielsweise an gegenüberlie-

über etwa 4 Monate durchschnittlich. genden Seiten eines die Zahnwurzel umfassenden Kno-

Etwa 20 Krankheitsbilder dieser Art wurden bisher chens angeordnet werden, um die Wiederherstellung

erfolgreich behandelt In etwa 90% der Fälle wurde 45 dieses Knochens zu stimulieren.

Knochenbildung erreicht Bei erworbener Pseudarthrose, entweder traumatisch Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

oder operativ, sind die Patienten meist Erwachsene mit —

durchschnittlich drei fehlgeschlagenen Operationen und

durchschnittlich etwa 2^5 jähren seit dem Einsetzen der 50
Nicht-Verbindung der Knochen. Bei 70% dieser Patienten wurde eine Arnpüiäiiön in Erwägung gezogen. Da in
einigen Fällen das Hauptproblem der Mangel an Knochenmatrix war, was radiographisch in Form von Lük-

ken in dem Knochen sichtbar war, mit mehr als 2 mm an 55
Jf der Frakturstelle, wurden solche Patienten zunächst mit
der Methode 2 behandelt Wenn angenommen wurde,
;| daß eine ausreichende Menge an nichtverknöcherter
f| Knochenmatrix vorhanden war, wurde die Methode 1

angewandt, um eine schnelle Immobilisierung der Frak- βο
turstelle zu erreichen.

Wegen der besonderen Pathologie verschiedener Patienten dieser Gruppe wurde eine Kombination der Methoden 1 und 2 angewendet, wobei speziell mit der Methode 1 angefangen wurde, der die Methode 2 folgte. 65
Wie im Falle angeborener Pseudarthrose wurde die notwendige Ausrüstung vom zuständigen Orthopäden vorhrib d di

g g g p

geschrieben und die Behandlung wurde ambulant

Claims

1 2 steiler Abfallflanke bildet, während die Impulse der Patentansprüche: zweiten Polarität, die den Impulsen der ersten Polarität entgegengesetzt gerichtet sind, Rechteckimpulse mit im

1. Vorrichtung zum Behandeln von lebenden Ge- Vergleich zu den Impulsen der ersten Polarität geringer weben und/oder Zellen, mittels Impulsen entgegen- 5 Amplitude darstellen. Mit Hilfe dieser bekannten Vorgesetzter Polarität, die mit einer von einem Impuls- richtung ist es möglich, eine therapeutische Behandlung generator gespeisten Spulenanordnung erzeugt von Zellen und/oder Geweben durchzuführen, um einen sind, wobei die Impulsfrequenz zwischen etwa 10 Hz Heilungsprozeß künstlich zu stimulieren bzw. zu be- und etwa 10 kHz liegt, das Verhältnis der Spitzenam- schleunigen. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, plitude des Impulses der ersten Polarität zur Spit- ίο daß in das Gewebe, beispielsweise in Nachbarschaft zu zenamplitude des Impulses der zweiten Polarität Knochengewebe, ein elektrisch leitfähiges Teil eingegrößer als 1 und das Verhältnis der Impulsbreite des baut werden muß, wie dies bei der Anwendung elektro-Impulses der ersten Polarität zur Impulsbreite des magnetischer Wechselfelder zur Heilung von Knochen-Impulses der zweiten Polarität weniger als 1 betra- brächen ebenfalls bereits bekannt ist (DE-OS 19 18 299). gen, dadurch gekennzeichnet, daß Impul- 15 Ferner ist eine Vorrichtung zum Beeinflussen von lese der ersten Polarität derart quasi-rechteckförmig benden Zellen bekannt (DE-OS 24 52 851), bei der an ausgebildet sind, daß die Amplitude zu Beginn der eine z. B. aus vielen Flachbandkabeln bestehende eleksteilen Abfallflanke mindestens 25% der Spitzenam- trische Behandlungsspule Stoßimpulse im Frequenzbeplitude der Anstiegsflanke beträgt, daß das Verhält- reich bis zu 1 kHz angelegt werden, um im menschlichen nis der Spitzenamplituden der Impulse entgegenge- 20 oder tierischen Körper eine gesundheitsfördernde Besetzter Polarität nicht mehr als 40 und das Verhältnis einfassung zu bewirken. Dabei spielt die Form der der Impulsbreiten nicht mehr als 1/4 sind und daß die Stoßimpulse keine Rolle, so daß günstige Zellenbeein-Impulse der ersten Polarität einen Wert zwischen flussungen vom Zufall abhängen.

etwa 0,1 und 10 mV/cm und entsprechend einen Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vor-

Wert zwischen etwa 0,1 und 10 μΑ/cm² im lebenden 25 richtung der eingangs genannten Gattung dahingehend

Gewebe und/oder in den Zellen aufweisen. zu verbessern, daß die therapeutischen Wachstums-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- bzw. Heilungseffekte mit einfachen technischen Mitteln zeichnet, daß das Verhältnis der Spitzenamplituden noch besser und rascher erzielt werden können.

der Impulse entgegengesetzter Polarität nicht klei- Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden ner als 3 gewählt ist und daß der Impuls der zweiten 30 Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Weitere AusPolarität von seiner Spitzenamplitude exponentiell bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen abfällt angegeben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Es hat sich gezeigt, daß die Erfindung durch Anwenzeichnet, daß das Verhältnis der Impulsbreiten nicht dung von Impulsen mit quasi-rechteckförmiger Charakgrößer als 1/9 gewählt ist. 35 teristik der im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- genannten Art den gewünschten Gewebe- bzw. Zellbezeichnet, daß das Verhältnis der Impulsbreiten nicht reich so speziell kodiert auf elektromagnetischem Wege größer als 1/12 gewählt ist. zu beeinflussen vermag, daß die spezielle Wechsel wir-

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- kung an den Zellflächen so modifizierbar ist daß sich zeichnet, daß sich die Frequenz der Impulse zwi- 40 dort höchst überraschenderweise ein sehr vorteilhafter sehen 10 und 100 Hz befindet. Einfluß ergab.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- So ist es beispielsweise mit einem »elektrischen Cozeichnet, daß der Impulsgenerator jeweils eine wie- de«, der im folgenden als »Methode 1« bezeichnet wird derholte Folge von diskreten Impulsgruppen mit je möglich, die Wechselwirkung eines Ions, z. B. Ca²⁺, mit einer Mehrzahl von Impulsen der ersten Polarität 45 den Zellmembranen zu verändern. Dagegen kann mit und Impulsen der zweiten Polarität mit der Maßga- einem anderen elektrischen Code, der im folgenden als be erzeugt, daß die Impulsgruppendauer (Dauer je- »Methode 2« bezeichnet wird, eine Modifikation der der Impulsgruppe) nicht mehr als 1/2 der Impuls- Eigenschaften bzw. Fähigkeiten der Proteinsynthese gruppenpause (Dauer zwischen aufeinanderfolgen- derselben Zelle bewirkt werden.

den Impulsgruppen), die Impulsfrequenz innerhalb 50 Beispielsweise zeigten Untersuchungen an Gewebeder Impulsgruppe zwischen 2 und 10 kHz und die kulturen einschließlich der Untersuchung von embryo-Impulsgruppenfrequenz zwischen 5 und 30 Hz be- nischen Kücken-Glieder-Rudimenten, daß die Anwentragen. dung eines Codesignales nach Methode 1 eine erhöhte

Freisetzung von Ca²⁺ bis herauf zu 50% der cntspre-

55 chenden knochenbildenden Zelle hervorbringt. Diese

Wirkung ist stark spezifisch für die Parameter des elektrischen Codes der Methode 1. Somit beeinflußt diese

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Methode stark die Knochenbildung.
Behandeln von lebenden Geweben und/oder Zellen mit- Ähnliche Untersuchungen an Gewebekulturen unter

tels Impulsen entgegengesetzter Polarität der im Ober- 60 Verwendung von Codesignalen nach Methode 2 haben begriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung. gezeigt, daß diese verantwortlich ist für eine erhöhte

Eine derartige Vorrichtung ist bereits bekannt (US- Proteinerzeugung aus anderen knochenbildenden ZeI-PS 38 93 462). Bei dieser bekannten Vorrichtung er- len. Diese Wirkung ist auch sehr spezifisch für die Parazeugt ein Impulsgenerator sog. Sägezahnimpulse, wel- meter der Methode 2. Diese Methode beeinflußt beche im zu behandelnden Gewebe, beispielsweise hartem 65 stimmte Stoffwechselprozesse bei diesen Arten von ZeI-Knochengewebe oder weichem Muskelgewebe, zu Im- len, wie z. B. solche bei der Kalziumaufnahme oder Freipulsen führen, von denen ein Impulsteil erster Polarität gäbe von Mitochondrien, ebenso die Synthese von CoI-einen sog. Nadelimpuls mit steiler Anstiegsflanke und lagen, einem grundlegenden strukturellen Protein der