DK151687B

DK151687B - Apparat til behandling af levende vaev og celler

Info

Publication number: DK151687B
Application number: DK508177AA
Authority: DK
Inventors: John P Ryaby; Arthur A Pilla
Original assignee: Electro Biology Inc
Priority date: 1976-11-17
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1987-12-28
Also published as: HK21782A; BG30919A3; PL202175A1; NL178482B; HK21682A; CH621942A5; BR7707629A; DE2748780A1; FR2371205B1; NL178482C; DK508177A; NL7712694A; CS205096B2; JPS568621B2; ES464178A1; IL53346A0; ES473758A1; IE46078L; FR2371205A1; IL53346A

Description

DK 151687 B

Opfindelsen angår et apparat til behandling af levende væv og-/eller celler ved hjælp af impulser af modsat polaritet, der frembringes med en af en impulsgenerator fødet spoleanordning, hvorhos impulsfrekvensen ligger mellem ca. 10 Hz og 10 kHz, 5 idet forholdet mellem spidsværdien af amplituden af impulserne af den første polaritet og spidsværdien af amplituden af impulserne af den anden polaritet er større end 1, og forholdet mellem impulsbredden af impulserne af den første polaritet og impulsbredden af impulserne af den anden polaritet er mindre 10 end 1.

Et sådant apparat kendes fra US-patentskrift nr. 3.893.462. Ved dette kendte apparat frembringer en impulsgenerator såkaldte "savtakimpulser", der i det væv, der skal behandles, eksempelvis hårdt knoglevæv eller blødt muskelvæv fører til impulser, af hvilke en impulsdel af en første polaritet danner en såkaldt måleimpuls med stejl stigflanke og stejl henfaldsflanke, medens impulsen af den anden polaritet, der er modsat rettet impulserne af den første polaritet udviser firkantim-2Q pulser med mindre amplitude end impulserne af første polarit et. Ved hjælp af dette apparat er det muligt at gennemføre en terapeutisk behandling af celler og/eller væv for derigennem at fremme og stimulere helingsprocessen. Det er ikke nødvendigt, at der i vævet eksempelvis i nærheden af knoglevævet indbygges en elektrisk ledende del, som ved anvendelse af c 5 elektromagnetiske vekselfelter til heling af knoglebrud - jvf. tysk offentliggørelsesskrift nr. 1.918.299.

Fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.452.851 kendes et apparat til påvirkning af levende celler, ved hvilket en af flere 30 fladkabler bestående elektrisk behandlingsspole får tilført strømimpulser i frekvensområdet op til 1 kHz til opnåelse af en sundhedsfremmende påvirkning i det menneskelige legeme.

Derhos spiller formen og størrelsen af strømimpulserne ikke nogen rolle, således at gunstige cellepåvirkninger afhænger af 35 tilfældigheder.

Formålet med opfindelsen er at anvise, hvorledes det indledningsvist nævnte apparat vil kunne forbedres, således at den terapeutiske vækst eller heling lettere vil kunne opnås. .

2

DK 151687 B

Dette formål er Ifølge opfindelsen opnået ved, at impulsen af den første polaritet er kvasirektangulær, således at amplituden i begyndelsen af den stejle henfaldsflanke andrager mindst 25¾ af spidsværdien af amplituden af stigflanken, at forholdet 5 mellem spidsværdien af amplituderne af impulserne af modsat polaritet ikke er større end 40, og forholdet mellem impulsbredderne ikke er større end 1/4, og at impulserne af den første polaritet har en værdi på 0,1-10 mV/cm og tilsvarende en værdi på mellem ca. 0,1 og 10 pA/cm2 i det levende væv og/el-10 ler i cellerne. Det har vist sig, at man ved anvendelse af impulser med kvasirektangulær karakteristik af den i den kendetegnende ‘del af krav 1 angivne art bliver i stand til ad elektromagnetisk vej at påvirke den ønskede vævs- henholdsvis celleberigelse, således at den specielle vekselvirkning af celle-15 fladerne vil kunne modificeres på en sådan måde, at der opnås en overraskende gunstig virkning. Således er det f.eks. ved hjælp af en elektrisk kode, der i det følgende omtales som "metode 1" muligt at ændre vekselvirkningen af en ion, f.eks. Ca++ med cellemembranerne. Derimod kan der med en anden elek-20 trisk kode, der i det følgende omtales som "metode 2" opnås en modifikation af egenskaberne eller evnen til proteinsyntese af samme celler.

Eksempelvis viser undersøgelser ved vævskulturer inklusive undersøgelser af embryoniske kyllinge-lem-rudimenter at anven-25 delsen af et kodesignal ifølge metode 1 giver en øget frigivelse af Ca++ indtil 50¾ af den tilsvarende knogledannende celle. Denne virkning er meget specifik for parametrene af den elektriske kode ifølge metode 1. Denne metode giver således en stærk påvirkning af knogledannelsen.

30

Tilsvarende undersøgelser ved vævskultur under anvendelse af kodesignaler ifølge metode 2 har vist, at disse er ansvarlige for en forøget proteindannelse fra andre knogledannende celler. Denne virkning er også meget specifik for parameteren 35 ifølge metode 2. Denne metode påvirker bestemte stofskifteprocesser ved denne type celler eksempelvis calciumoptagelsen eller frigivelsen af mitochondrie, ligesom syntese af collagen, der et grundliggende protein i knoglerne.

DK 151687B

3

Undersøgelser har vist, at de elektriske impulskodninger ifølge metode 1 og metode 2 fører til en individuel reaktion af væv og celler, idet det er blevet påvist, at hver kode har et meget specifikt informationsindhold.

5

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et apparat ifølge opfindelsen til behadnling af et knoglevæv, 10 fig. 2 en del af det i fig. 1 viste apparat, fig. 3 nogle spoler til apparatet, fig. 4 et første kredsløb til strømforsyning af spolerne, 15 fig. 5 et andet kredsløb til strømforsyning af spolerne, fig. 5a og 5b de impulser, der anvendes til behandlingerne, og fig. 6 alternative udformninger af de negative impulsdele.

2 0

Det i fig. I viste ben 10 med brækket knogleben 12 illustrerer anvendelsen af et apparat ifølge opfindelsen til stimulering af knoglevækst for at få knoglebruddet, til at hele. Et behandlingshoved 14 er anbragt på ydersiden af huden og er fast-25 spændt ved hjælp af en rem 16. På remmen kan der i givet fald være et velcromateriale, således at remmen vikles omkring benet og omkring behandlingshovedet 14 for at holde dette ind mod benet. Behandlingshovedet 14 kan på indersiden have et skumma-teriale 20 til at understøtte og ventilere behandlingshovedet 30 14 mod benet. Behandlingshovedet 14 er buet på indersiden, så ledes at det svarer til formen af det pågældende ben.

Behandlingshovedet 14 omfatter en spole 22. Spolen er rektangulær - se fig. 3 - og afgrænser et vindue i det indre af spolevindingerne. Spolen 22 kan ligge i et plan eller være buet for tilpasning til krumningen af behandlingshovedet 14. Spolen 22 indeholder terminaler 21, der udstrækker sig fra behandlingshovedet 14 og kan tilsluttes et kabel 26, hvilket kabel

o O

4

DK 151687 B

står i forbindelse med et energiforsyningskredsløb, som vil blive beskrevet i det følgende. En diode 27 til anbringelse over spolen 22 kan i givet fald være indeholdt i kablet 26.

_ Behandlingshovedet 14 anbringes på patienten, således at spo-

O

levinduet sidder i nærheden af brudstedet 12, dvs. i nærheden af det væv, der skal behandles. Ved tilførsel af energi til spolen 22 induceres et elektrisk potentiale i det pågældende væv. Det har vist sig, at der i vævet skal induceres en særlig jø signaltype. Dette opnås ved at strømforsyne spolen 22 ved hjælp af et kredsløb - se fig. 4 - som frembringer impulssig naler som vist i fig. 5a og 5b.

En variabel jævnspændingskilde 30 er via et portkredsløb 32 — tilsluttet behandlingsspolen eller -spolerne 22. Portkredsløb- 15 et 32 styres af styreenheder 34 og 36, som bevirker, at et impulssignal bestående af repetitive impulser tilføres til behandlingsspolen 22.

Den enkelte impuls - se fig. 5a - udgøres af en positiv im- 20 pulsdel PI, der efterfølges af en negativ impulsdel P2, som følge af den lagrede elektriske energi i behandlingsspolen. I det i fig. 4 viste kredsløb kan en diodebegrænser 38 være indrettet til at begrænse spidsværdien af den negative impuls del. Diodebegrænseren 38 kan udgøres af en eller flere dioder, 25 der er anbragt over spolen 22. Dioderne kan med fordel være anbragt i det indre af kablet 26. Den i fig. 1 viste diode 27 danner en sådan begrænserenhed 38.

Fig. 5a viser signalerne ved behandlingsspolerne 22 og således 30 det signal, der induceres i det pågældende væv. Det antages, at portkredsløbet 32 til tidspunktet ti åbnes ved hjælp af et passende signal fra styeenheden 36, således at det elektriske potential over behandlingsspolen 22 hæves fra omkring nul volt hen langs impulssegmentet 39 til et potentiale vi - se fig. 5. Signalet overbehandlingsspolen 22 henfalder i et andet im- pulssegment langs kurvedelen 40 - se fig. 5a. Hældningen af kurvedelen bestemmes af L/R-tidskonstanten af det i fig. 4 viste kredsløb, dvs. af induktansen af spolen 22 og den effek-

o O

5

DK 151687 B

tive modstand af kredsløbet. Der må desuden tages hensyn til fordelt kapacitet, induktans og modstand. Til behandling af flere væv og celler bør man justere kredsløbsparametrene, således at kurvedelen 40 bliver så flad som mulig. Derved bliver 5 det signal, der tilføres til behandlingsspolen 22 så rektangulært som mulig. Til tidspunktet t2 lukkes portkredsløbet 32 ved hjælp af styreenheden 36. Umiddelbart inden lukningen er potentialet over behandlingsspolen v2, - se fig. 5, Poten tialet over behandlingsspolen 22 falder fra v2 i et tredje im-10 pulssegment 41 til et potentiale v3 af modsat polaritet - se fig. 5a. Størrelsen af potentialet v3 begrænses af begrænsningsenheden 38 til en værdi, der er lille i forhold til vi. Signalet over behandlingsspolen 22 aftager derefter fra v3 til nul - eller referencepotentialniveauet for at nå dette niveau 15 til tidspunktet t3, Der forløber en forudbestemt periode inden enheden 34 til styring af impulsfrekvensen genererer et passende tidstagersignal til trigning af styreenheden 36. Ved trigning af styreenheden 36 genereres et signal, der åbner portkredsløbet 32 til fortsættelse af den før nævnte cyklus.

20

Styreenhederne 34, 36 kan typisk udgøres af monostabile muiti-vibrato.rer, dvs. kredsløb til generering af passende tidstagersignaler, der kan være variable til styring af impulsbredden og repetitionsfrekvensen inden for visse grænser. En varia-25 bel DC-spændingskilde 30 muliggør en variation af amplituden af impulssignalet.

Ved impulstogsdrift (mode 2) gøres· der brug af yderligere tidstagerkredsløb svarende til enhederne 34 og 36 i fig. 4 til bestemmelse af impulstogsbredden og impulstogsfrekvensen. Sty-30 reenhederne 35 og 37 - se fig. 5 - styrerportkredsløbet 33 for frembringelse af et signal af den i fig. 5b viste form til spolerne 22. Kredsløbet svarer i øvrigt til det i fig. 4 viste kredsløb, når. bortses fra at diodebegrænseren 38 ikke er medtaget. Derved muliggøres store negative impulsdele, som vist i 35 fig. 5b. Styreenhederne 35 og 37 bestemmer antallet af impulser i et impulstog samt tidsintervallet imellem impulstogene.

Det signal, der induceres i vævet skal tilfredsstille visse kriterier. Disse kriterier vil blive specificeret med hensyn 6

DK 151687 B

til det signal, der induceres i vævet og/eller de celler der skal behandles. Det inducerede signal kan i givet fald styres ved hjælp af en styre-opsamlingsspole (ikke vist) i en afstand fra behandlingsspolen 22 svarende til spolen 22's afstand fra 5 vævet, således som det vil blive beskrevet i det følgende. Det har desuden vist sig, at følgende kriterier skal tilfredsstilles for effektiv behandling af levende væv og celler, især hårdt væv, såsom knoglevæv.

10 De i fig. 5a og 5b viste signaler er de impulser og strømme, der genereres ved hjælp af spolen, og som påtrykkes vævet og-/eller cellerne. Disse impulser har én polaritet ved energitilførsel til spolen (den positive impulsdel - se fig. 5a og 5b) og modsat polaritet, når energitilførselen til spolen af- ,brydes (den negative impulsdel - se fig. 5a og 5b). Udtrykkene 15 "positiv" og "negativ" er kun relative. De skal blot indikere, at der er tale om impulsdele af modsat polaritet.

Det er blevet, konstateret, at de positive impulsdele skal være udformet på en bestemt måde i forhold til de negative impuls- 20 dele for opnåelse af en gunstig indflydelse på vævets eller cellernes adfærd (med ensartede resultater). Denne forudbestemte relation opnås ved hjælp af to forskellige signaltil-stande eller kombinationer deraf.

25 I mode 1 - se fig. 5a - gentages den asymmetriske bølgeform som påtrykkes vævet eller cellerne ved skiftevis at bryde og slutte energitilførselen til en elektromagnetisk spole ved en 'frekvens, således at den samlede tvungne cyklus ikke er mindre end omkring 2%. Denne frekvens er i mode 1 typisk omkring 30 10-100 Hz med tvungne cykler på 20-30¾. Den grundlæggende re lation af det respektive frekvensamplitudeindhold af de positive og de negative impulsdele er i mode 1 som følger:

Impulssignalet skal være af en særlig form, idet den enkelte impulsdel skal udgøres af i hvert fald tre segmenter 39, 40 og 41 - se fig. 5a. Som før nævnt har det vist sig, at en i ho vedsagen rektangulær positiv signaldel er særlig hensigtsmæssig til behandling af væv og celler. Andre impulskonfigura-

o O

DK 151687B

7 tioner, der er forskellige fra to-segment-spidsen,kan dog også komme på tale. Spidsværdien af slutsegmentet af den enkelte positive impulsdel, dvs. potentialet v2 i fig. 5a bør ikke være mindre end omkring 25% af spidsværdien af det første seg-5 ment 39 af den positive impulsdel, dvs. potentialet vi i fig. 5a.

Spidsværdien af den negative del benævnes v3 - se fig. 5a. Denne spidsværdien .bør ikke være mere end omkring 1/3 af spidsværdien af den positive impulsdel. Varigheden af den enkelte impulsdel (tidsintervallet mellem ti og t2 i fig. 5) bør ikke være længere end omkring 1/9 af varigheden af den følgende negative impulsdel (tidsintervallet mellem t2 og t3 i fig. 5a). Som følge af at der i behandlingssystemet indgår en elektromagnetisk spole, vil energien af hver positive impuls-

X O

del være lig med energien af hver negativ impulsdel. Det areal, der i fig. 5 er omgivet af de positive impulsdele, vil derfor være lig med det areal, der er omgivet af de negative impulsdele. Ved at tilfredsstille de før nævnte kriterier vil 20 energien af den enkelte negative impulsdel blive fordelt over en forholdsvis lang tidsperiode, og middelamplituden af den negative impulsdel begrænses. Det har vist sig, at middelamplituden af den negative impulsdel ikke bør være større end omkring 1/6 af middelampl .ituden af den positive impulsdel.

2 5

Disse relationer sikrer også, at de positive og de negative impulsdele har de rette frekvens-ampljtudekarakteristikker til opnåelse af en gunstig indvirkning på vævets eller cellernes adfærd.

30 Det har desuden vist sig, at middelamplituden af den positive impulsdels spidsværdipotentiale bør ligge mellem 0,001 og 0,01 volt pr. cm eller celler svarende til mellem ca. 0,1 og 10 μΑ/cm2 behandlet væv og/eller celler (baseret på typiske celle- og vævsrecistititeter) . Højere eller lavere impulspo- 35 tentialer giver ikke gunstige virkninger. Det har desuden vist sig, at varigheden af den enkelte positive impulsdel (tidsintervallet ti og t2) bør være mindst 20 psek. Hvis varigheden af den enkelte positive impulsdel er mindre end 200 psek.

8

DK 151687 B

bliver vævet og cellerne ikke stimuleret tilstrækkeligt til at kunne modificere helingen eller den proces, der er tale om.

Af praktiske grunde bør den positive impulsdel ikke være længere end omkring 1 msek. Det har desuden vist sig, at impuls-5 ernes repetitionsfrekvens skal ligge i intervallet 65-75 Hz for knogleben og andre hårde vævstyper. Impulsbehandlinger inden for dette interval har vist sig at være effektive med reproducerbare resultater for væv og celler af denne type. Impulsrepetitionsfrekvensen skal i almindelighed være mellem 10 10 og 100 Hz, hvis resultaterne skal blive gode.

Til behandling af benuorden og især til behandling af falske led har det i mode 1 vist sig, at en induceret positiv impulsdel med en spidsværdiaroplitude på mellem 1 og 3 mV/cm behandl-^ et væv (1-3 p/cm2 behandlet væv og/eller celler) er optimal, idet varigheden af den enkelte positive impulsdel er omkring 300 psek., og varigheden af den enkelte negative impulsdel er omkring 3300 psek. En impulsrepetitionsfrekvens på omkring 72 Hz repræsenterer en foretrukken og optimal impulsbehandl-ing, så længe de oven for nævnte krav til impulsform er til- 6 v fredsstillet. De samlede behandlingstider kan variere. Impulssignalbehandlinger i perioder på mindst 15 min., hvor en eller flere af perioderne løber over et forudbestemt antal dage kan være effektive til stimulering af vævs/cel1eadfærd. Et fore-trukket behandlingsregime, der anvender mode l,har vist sig at

C O

være et minimum på 8 timer pr. dag over en periode på 4 mnd. i vanskelige tilfælde og over 2 uger i mindre vanskelige tilfælde .

Ved mode 2 behandling - se fig. 5b - er de asymmetriske bølge-3 0 former,der er induceret i vævet eller cellerne ved skiftevis at slutte og bryde energitilførselen til spolen tilført, som impulstog indeholdende impulsgrupper af asymmetrisk form. Den enkelte gruppe af asymmetriske Impulser har en sådan varighed, at den tvungne cyklus af udbruds de len ikke er mindre end om-3 5 kring 1¾. Frekvensen af grupperne er typisk 5-50 Hz.

De grundlæggende relationer for mode 2 af det respektive frekvens-amplitudeindhold af de positive og negative impulser i udbrudsdelen af impulstoget er som følger: 9

DK 151687 B

Den enkelte positive impulsdel skal bestå af i hvert fald tre segmenter 39', 40' og 411 - se fig. 5b. For denne mode har det vist sig, at en i hovedsagen rektangulær positiv impulssignal-del er særlig hensigtsmæssig til behandling af væv og celler.

5 Andre impulskonfigurationer end en simpel to-segmentspids kan dog også komme på tale. Spidsværdiamplituden af det sidste segment af den enkelte positive impulsdel, dvs. potentialet v2 i fig. 5b bør ikke være mindre end omkring 25¾ af spidsvær--diamplituden af det første segment 39 af den positive impuls-10 del, dvs. potentialet vi i fig. 5b.

Den negative spidsværdiamplitude har værdien v3 - fig. 5b. Denne negative spidsværdiamplitude bør ikke være større end omkring 40 gange den positive spidsværdiamplitude (i dette 15 tilfælde vi). Dette krav kan tilfredsstilles ved hjælp af negative impulsdele med flere forskellige bølgeformer, eksempelvis rektangulære bølgeformer A trapezformede bølgeformer B med eksponentielt henfald, klokkeformede bølgeformer C eller spidsformede bølgeformer D med eksponentielt henfald - se 20 fig‘ 6>

Varigheden af en positiv signaldel (tidsintervallet mellem ti og 12) bør være mindst fire gange varigheden af den efterfølgende negative impulsdel (tidsintervallet mellem t2 og t3).

Som følge af, at der anvendes en spole, er energien i en posi-2 5 tiv impulsdel lig med energien i en negativ impulsdel svarende til, at det areal i fig. 5b, der er omgivet af de positive impulsdele, er lig med det areal, der er omgivet af de negative impulsdele.

30 Impul sr epet. itionsf rekvensen af impulserne i et udbruds segment i et mode 2-impulstog (tidsintervallet mellem ti og t4) bør ligge mellem 2000 Hz og 10.000 Hz.

Bredden af udbrudssegmentet af impulstoget (tidsintervallet 0_ mellem ti og t5) bør være mindst 1¾ af tidsintervallet mellem O o ti og t6.

Hvis ovennævnte kriterier er tilfredsstillet, får de positive og negative impulsdele desuden de rette frekvensamplitudeka- 10

DK 151687 B

rakteristikker, således at der opnås en gunstig påvirkning af vævenes og cellernes adfærd.

Udover de nævnte relationer, har det desuden vist sig, at mid-2 delværdien af det positive spidsværdipotential bør ligge i intervallet 0,00001 til 0,01 volt pr. cm væv og/eller celler (mellem omkring 0,01 og 10 μA pr. cm2 behandlet væv og/eller behandlede celler).

Det har endvidere vist sig, at højere eller lavere impulspo-10 tentialer ikke resulterer i en gunstig indvirkning på væv og-/eller celler. Det har desuden vist sig, at varigheden af den enkelte positive impulsdel i det første udbrudssegment af impulstoget (tidsintervallet mellem ti og 12) bør være mindst 1000 psek. Det har desuden vist sig, at repetitionsfrekvensen 15 af udbi'udssegmentet. bør være ca. 5-15 Hz for knogleben og andre hårde væv.

Den enkelte negative impulsdel i udbrudsegmentet af impulstoget bør have en varighed, der ikke er større end omkring 50 20 psek., og en middelamplitude, der ikke er større end omkring 50 mv/cm behandlet væv og/eller behandlede celler (omkring 50 pA pr. cm2 behandlet væv og/eller behandlede celler).

Til behandling af benuorden, og især til behandling af falske 25 led og ikke-forende vævs de le har det vist s.i g, at en positiv impulsdel med en spidsværdi-amplitude på mellem 1 og 3 mV/cm behandlet væv (dvs. 1 til 3 pA pr. cm2 behandlet væv og/eller behandlede celler), og en varighed af den enkelte positive impulsdel på omkring 200 psek., og en varighed af den enkelte __ negative impulsdel på omkring 30 psek., og et tidsinterval mellem t3 og t4 på 10 psek., og en udbrudsvarighed på omkring 5 msek. og en udbrudsrepetitionsfrekvens på omkring 10 Hz, er en foretrukket og optimal impulsbehandling for knogleben (i mode 2), så længe de ovenfor nævnte krav til impulserne er tilfredsstillet.

Man mener desuden, at en enkelt asymmetrisk impuls, som omtalt i forbindelse med udbrudssegmentet (mode 2), kan anvendes ved

o O

DK 151687 B

11 en repetitionsfrekvens svarende til repetitionsfrekvensen i mode 1 til gunstig modifikation af væskst og heling af vævet. Behandlinger af levende væv og celler ved hjælp af de ovenfor beskrevne metoder, især behandling af hårdt væv, såsom knog-5 leben, har vist, at helingen er blevet forbedret. Det har desuden vist sig, at der opnås i hovedsagen ensartede resultater. Særlig gunstige resultater er opnået ved behandling af falske led, der havde været behandlet uden held ved andre metoder, og hvor amputation var blevet diskuteret som et muligt alterna-10 tiv.

I praktis bør der anvendes et spolevindue, der er så stort som muligt, og spolen bør placeres således, at en passende fluks-tæthed påtrykkes det respektive væv og/eller de respektive 15 celler. Som bekendt inducerer et varierende magnetfelt en varierende spænding vinkelret på feltet. Geometrien af magnetfeltlinierne bestemmer således geometrien af det inducerede elektriske felt. På grund af ønsket om et forholdsvis ensartet elektrisk felt bør geometrien af magnetfel tiinierne være så 20 ensartet som muligt. Dette kan opnås ved at gøre spolen forholdsvis stor i forhold til det areal, der skal behandles. Der behøver ikke at være nogen særlig orientering mellem magnetfeltlinierne og det respektive væv og/eller de respektive celler.

2 5

Man mener, at ensartetheden af det inducerede felt er ansvarlig for de gode behandlingsresultater, der er blevet opnået til forskel fra ikke-ensartede felter, som sandsynligvis resulterer i andre behandlingsformer, f.eks. ved hjælp af elektrostatiske felter eller ved anvendelse af en potentialgra-30 dient ved hjælp af elektroder implanteret i det respektive væv eller de respektive celler. Et induceret felt er til stede såvel i et vakuum som i et ledende medium eller i en isolator. Feltegenskaberne er i almindelighed de samme (inden for 1¾) i disse tre tilfælde, når bortses fra det tilfælde, hvor et in- duceret strømflow er tilstrækkeligt til at skabe en elektromotorisk kraft, der forvrænger magnetfeltlinierne. Denne tilstand indtræder, når det ledende medium har en høj lednings- 35 12

DK 151687 B

evne, eksempelvis hvis mediet udgøres af et stykke metal, der kan overskære et stort antal magnetfeltlinier. Levende systemer, dvs. væv og eller celler er meget mindre ledende end et typisk metal (generelt mindst 105). Geometrien af magnetfelt-5 linierne i vævet og/eller cellerne er derfor uforstyrrede og forbliver uændret, når væksten i vævet og/eller cellerne fortsætter. Med en ikke-indtrængende elektromagnetisk behandling er det som om potent.ialgradienten i det indre af vævet og/eller i det indre af cellerne, er konstant uanset behandlings-10 tilstanden.

Et ensartet induceret potentiale kan faktisk ikke opnås ved hjælp af implanterede elektroder eller ved elektrostatisk kobling eller ved hjælp af en transformer, der er koblet til 15 elektroderne, eller ved hjælp af implanterede spoler koblet til elektroderne. Eftersom disse sidste behandlingstyper afhænger af ledningsevnen (som varierer i det indre af vævet og-/eller cellerne) vil den inducerede potentialfradient heller ikke være konstant ved en variation af ledningsevnen i vævet 20 og/eller cellerne. Dertil kommer, at særlige områder af materialet under behandling vil have forskellige ledningsevneegenskaber, som vil resultere i forskellige potentialgradienter i materialet.

Man mener derfor, at en ikke-indtrængende elektromagnetisk be-25 handling er at foretrække fremfor andre former for elektrisk behandling.

Med hensyn til spoleparametrene, så anses spolevinduer på omkring 50,8 x 69,9 cm2 for at være passende for voksne og 50,8 30 x 38,1 cm2 anses for at være passende for børn med typiske benbrud. Spoler på omkring 50 vindinger til en voksen og på omkring 70 vindinger til et barn syntes at være passende. Til behandling i hulrum bør spolestørrelsen være tilsvarende mindre .

Induktansen af spolen bør være mellem omkring 1-5000 μΗ og fortrinsvis mellem 1000 og 3000 μΗ med en tilstrækkelig lille modstand (10~3 til 101 ohm), .og indgangssignalet bør være på 35

DK 151687B

13 mellem 2 og 30 volt til induktion af et passende potentiale i vævet og/eller cellerne. Jo mindre induktansen af spolen er, jo stejlere bliver hældningen af kurven 40, som vist i fig. 5 og 5a. Og jo større induktansen er, jo fladere og mere rektan-5 gulær bliver den positive impulsl, der derved dannes.

Det inducerede potentiale kan styres ved hjælp af elektroder, der etablerer kontakt med vævet og/eller cellerne eller ved hjælp af en modtagespole, der er anbragt i nærheden af behand-10 lingsspolen 22 i en afstand svarende til spolens afstand fra det respektive væv. En typisk modtagespole er cirkulær,omkring % cm i diameter og har omkring 67 eller 68 vindinger. Potentialet deles ved hjælp af spolen til dannelse af en induceret spænding over et givet antal cm, hvilken værdi svarer til an-tallet af volt pr. cm induceret i vævet og/eller cellerne.

En typisk behandling ved hjælp af en spole, der har et vindue på 50,8 x 69,9 cm2 og 60 vindinger af 17 gauge tråd, og som har en diode ved spolen, såsom dioden 27 i fig. 3, frembragte følgende inducerede spændinger i en opsamlingsspole (mV pr. cm 2 o væv) for impulstiderne (i psek.) som følger (spændinger og tider er regnet i forhold til bølgeformen i fig. 5):

Induceret spænding_vi_v_2_v3_ti-t2_t2-t3

Maksimum (ved over- 22 17 3,7 300 4200 25 fladen af spolen) 5/8" fra overfladen 15 11,5 2,5 300 4200 af spolen IV fra overfladen 6,0 4,2 1,0 300 4200 af spolen 30

De pulserende elektromagnetiske felter til styring af bendannelse i forskellige tilstande anvendes på et sundt eksperimentalt og klinisk grundlag. De udviklede metoder har været anvendt til at behandle medfødte og pådragede falske led og friske brud, tiltagende brud- og tilbagevirkende benhindebe- 3 5 tændelse i dyr og til reduktion af bentab. under manglende brug-osteoporose af lange ben. Successen ved denne metode hidrører fra opdagelsen af impulsmønstre med specifikke tids-frekvens-amplituderelationer som ovenfor beskrevet.

14

DK 15168 7 B

Eksempler

Til demonstration af virkningsgraden blev brugen af direkte induktiv kobling af elektromagnetisk inducerede pulserende _ spændinger og ledsagende strømme i mode 1 og mode 2, og kombi-5 nationer deraf anvendt i tilfælde med medfødte og pådragede falske led. I en patientgruppe blev kun individer, der tidligere havde været underkastet kirurgisk behandling (transplantation eller indre fastgørelse) accepteret. For de fleste af disse patienter var amputation blevet anbefalet af i hvert fald én kvliticeret ortopæd. Gennem dette studium blev nødvendigheden af at pulsere værtsorganismen illustreret gentagne gange. I mangel af knogledannelse var det primære problem, at mode 1 behandlingen kun gav benforening, hvis impul-jg sparametrene svarede til de oven for angivne. Hvis manglende benmatrix var det primære problem, blev mode 2 behandling anvendt til fremme af produktionen af collagen, som er det bærende protein i benstrukturen. Eftersom proteinproduktion og knogledannelse er to vidt forskellige trin i benformationen, 20 kan den selektive natur af hver af signalerne i mode 1 og mode 2 kombineres synergistisk, når der hverken forekommer matrix-produktion eller knogledannelse. En kombination af mode i og mode 2 har derfor med fordel kunnet anvendes i sådanne tilfælde.

2 5

Patienter med medfødte falske led er typisk mellem et og ti år gamle. Den plagede del er normalt det distale skinneben af en af ekstremiteterne. Patienterne havde i middel været underkastet tre kirurgiske indgreb uden held og var alle kandidater til amputaion.

30

En sådan patient blev underkastet mode 1 behandling, eftersom det primære problem skyldtes mangel på knogledannelse i det angivne område.

gg Patienten blev ordineret det respektive udstyr af den pågældende ortopædiske kirurg, og behandlingen skete ambulant. Behandlingstiden var typisk 12 til 16 timer pr. dag i omkring 4 måneder.

15

DK 151687 B

Omkring 20 patienter med "knogleuorden" er blevet behandlet til dato. I omkring 90¾ af tilfældene blev der opnået knogledannelse .

5 For pådraget falsk led enten traumatisk eller operativt er patienterne for det meste voksne mennesker, og de har i middel gennemgået tre forfejlede operationer, og bruddet er i middel indtrådt for ca. 2,5 år siden. Amputation er blevet diskuteret i 70¾ af disse tilfælde. I nogle af disse tilfælde var det jq primære problem mangel på benmatrix. Dette kunne ad radiografisk vej vises som gab i benet, der er støre end 2 mm. En sådan patient blev behandlet med mode 2 modalitet. Når man mente, at en tilstrækkelig ikke-knogledannet benmatrix var til stede, blev der gjort brug af mode 1 modalitet til hurtig opnåelse af ubevægelighed af brudstedet.

J. O

Som følge af den særlige patologi af flere af patienterne i denne gruppe blev en kombination af mode 1 og mode 2 anvendt under denne behandling. Mode 2 blev efterfulgt af mode 1. Som ved medfødt falsk led blev det pågældende udstyr ordineret af 2 0 en ortopædisk kirurg, og behandlingen blev foretaget ambulant. Behandlingstiden var typisk 10-14 timer pr. dag over en periode på 3-9 måneder.

Omkring 30 patienter med "benuorden" er blevet behandlet til 25 dato. Der er blevet observeret benforening i 75¾ af tilfæl de n e .

Disse kliniske resultater demonstrerer klart, at når den særlige patologi af en benuorden er diagnostiseret, så kan den .. behandles selektivt ved tilførsel af korrekt indkodede æn-

o U

dringer i de elektriske omgivelser.

Lignende erfaringer or gjort ved studium af bilateralt lårbensbrud og radialt osteotomi i 160 rotter. Disse dyr blev opdelt i to hovedgrupper. Felterne blev påtrykt, og der blev 3 5 foretaget en kontrol 14 dage efter operation. Efter aflivning blev graden af brudheling bedømt ved hjælp af røntgenstråler og ved en efterfølgende histologisk evaluering i forbindelse 16

DK 151687 B

med en ikke-destruktiv mekanisk undersøgelse. Disse dyr blev anvendt til at bedømme effektiviteten af behandlingen ved mode 1 og mode 2 modalitet og ved kombinationer deraf. Når osteoto-migabet var mindre end 0,1 mm, var et mode 1 signal i alminde-5 lighed effektivt, eftersom der i så fald kun kræves en meget lille benmatrix til at gøre benet stift. For bredere osteoto-mier blev en væsentlig forøget matrixproduktion observeret under anvendelse af mode 2. En kombination af mode 1 og mode 2 blev anvendt i det sidste tilfælde til opnåelse af et stivere 10 helingssted på en tilsvarende behandlingstid.

Behandlingen blev evalueret ved en mekanisk undersøgelse af disse ben. Unersøgelsen blev foretaget ved at underkaste benet af rotterne en cantileverbelastning ved forskellige deforme-15 ringer i overensstemmelse med de testprocedurer, der er beskrevet i artiklen "Acceleration of Fracture Repair by Electromagnetic Fields. A Surgically Noninvasive Method" af C.A.L. Bassett, R.J. Pawluk og A.A. Pilla side 242-262 i Annals of the New York Academy of Sciences. Prøverne blev deformeret i 20 den bageste del, til siden i midten, efter den bageste del, i midten til siden og igen efter den bageste del.

Middelreaktionen af et lårben ved en deformering på 0,127 cm er anført i tabel I.

25 Tabel I

Mekaniske belastninger under elektrisk stimulation af kun-_stig osteotomi i lårbenet af en voksen hunrotte._

Stimulation_Belastning til en deformering på 0.127 cm 30

Kontrol (ubehandlet) 42 g i 5,2 g

Mode 1 signal (fig. 5a) 580 g + 65,0 g

Udover radiografisk og mekanisk bevis på effektiviteten af de 35 anvendte signaler godtgøres effektiviteten også af histologiske beviser.

Hemotoxylin og eosin plettede longitudinale prøver viser en meget højere grad af materieafsondring for mode 1 signaler end

, DK 151687B

17 i kontroltilfældet.

For bredere osteotomlgab viste behandlingstider på 14 dage, at de aktive dyr havde et væsentlig større kallus (erstatnings- væv) end kontroltilfældet. Histologiske beviser indikerer, at 5 forøgelsen i hvert fald er 150¾ sammenlignet med kontroltilfældet .

Begrænsede tandekstraktions-studier viser, at impulser af mode 1 typen kan have en meget gunstig indvirkning på helingsha-10 stigheden og på bentabet i mundhulen. Den sidste effekt i mundhulen er især vigtig for opretholdelse af unerkæbe- og overkæbe-kambenshøjde, idet kambenshøjden har betydning ved implantationsfastgørelse.

15 Disse observationer peger i retning af, at elektromagnetiske felter med meget specifikke impulskarakteristikker ad induktiv vej kan kobles til biologiske systemer til styring af cellernes reaktion. Ved den oprindelige anvendelse af disse principper blev indvirkningerne på bencellerne undersøgt. Andre 20 biologiske processer vil kunne styres ved lignende teknikker. Dette gælder f.eks. ondartethed, nervehelingsprocesser, betændelsesprocesser og immunreaktioner.

Der er således blevet tilvejebragt en ganske enestående elektromagnetisk og ikke-indtrængende behandlingsteknik. Induce-

Ct O

rede impulskarakteristikker synes at være af stor betydning, især impulskarakteristikker med relation til tids-frekvens-amplitude-relationerne af hele impulsen eller impulssekvensen. Alting tyder desuden på, at en udvælgelse af særlige tidsgø frekvens-amplitude-relationer kan være nøglen til heldige be handlinger af varierende celleadfærd i flere forskellige vævstyper.

Det er underforstået, at fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen vil kunne modificeres. Selvom fig. 1 og 2 f.eks.

viser en behandlingsenhed, der kan spændes til benet, så kan behandlingsenheder, der er indsat i forme, også komme på tale. Behandlingen kan udføres ved hjælp af en eller flere spoler af 35

Claims

1. Apparat til behandling af knoglevæv og/eller celler ved 20 hjælp af impulser af modsat polaritet, der frembringes med en af en impulsgenerator fødet spoleanordning, hvorhos impulsfrekvensen ligger mellem ca. 10 Hz og 10 kHz, idet forholdet mellem spidsværdien og amplituden af impulserne af den første polaritet og spidsværdien af amplituden af impulserne af den 25 anden polaritet er større end 1, og forholdet mellem impulsbredden af impulserne af den første polaritet og impulsbredden af impulserne af den anden polaritet er mindre 1, kendetegnet ved, at impulsen af den første polaritet er kva-sirektangulær, således at amplituden i begyndelsen af den 30 stejle henfaldsflange andrager mindst 25¾ af spidsværdien af amplituden af stigflangen, at forholdet mellem spidsværiden af amplituderne af impulserne af modsat polaritet ikke er mere end 40, og forholdet mellem impulsbredderne ikke er mere end 1/4, og at impulserne af den første polaritet har en værdi på 35 0,1-10 m V/cm svarende til en værdi på mellem ca. 0,1 og 10 μΑ/οπι2 i det levende væv og/eller i cellerne.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forholdet mellem spidsværdien af amplituderne af impulserne af DK 151687 B modsat polaritet ikke er mindre end 3, og at impulsen af den anden polaritet falder eksponentielt fra sin spidsamplitude.

3. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at for-5 holdet mellem impulsbredderne ikke er større end 1/6.

4. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forholdet mellem impulsbredderne ikke er større end 1/12.

5. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at im-10 pulsfrekvensen ligger mellem 10 og 100 Hz.

6. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at impulsgeneratoren frembringer en gentaget følge af diskrete impulsgrupper, der hver især består af et antal impulser af før-ste polaritet og impulser af anden polaritet med måleangivel-ser, at varigheden af den enkelte impulsgruppe ikke andrager mere end 1/2 af tidsintervallet mellem på hinanden følgende impulsgrupper, impulsfrekvensen i impulsgruppen ligger mellem 2 og 10 kHz, og impulsgruppefrekvensen ligger mellem 5 og 30

20 Hz' 25 30 35