JP2010535060A - むくみ治療用超音波装置およびその用途 - Google Patents

むくみ治療用超音波装置およびその用途 Download PDF

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Abstract

本発明は、むくみ治療用超音波装置に関するものであって、さらに詳しくは、20〜400mW/cm2の低強度超音波を発生させ、細胞および組織に対するむくみの緩和または治療用超音波装置およびその用途に関する。
本発明による超音波装置は、20〜400mW/cm2の低強度超音波を発生させるようにする超音波発振制御部を具備するメインコントロール部、メインコントロール部の操縦状態により超音波を発生させる超音波発生器、超音波発生器から入力を受けた超音波データ値により振動する超音波振動子、および治療しようとする部位に超音波エネルギーを伝達するプローブを含んで構成され、本発明による超音波装置を用いれば、血管内の侵透性を増加させ、むくみを治療することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、むくみ治療用超音波装置に関するものであって、さらに詳しくは、20〜400mW/cm2 の低強度超音波を発生させ、細胞および組織に対するむくみの緩和または治療用超音波装置並びにその用途に関する。
我々の体重の60〜70%は、水で構成されている。この中の2/3は細胞の中に存在し、1/3は細胞の外に存在する。むくみとは、血管中の体液が流れ出て、血管の外側の部分の細胞と細胞との間の血しょう、間質液(interstitial fluid)および細胞通過液(transcellular
fluid)といった体液で過剰に蓄積されることをいう。
細胞および組織のむくみは、脳外傷や脳虚血などのように急性に誘発したり、あるいは関節炎による滑液の増加や脳水腫、緑内障のように慢性的に体液が増加し、誘発されたりもする。むくみを初期に適切に治療をしなければ、だんだん細胞および組織に深刻な害を与え得る。むくみを治療するための方法として色々なものがあるが、効率が良くなく、より効果的に治療できる方法が求められているのが実情である。
むくみの治療には主に利尿剤が用いられ、利尿剤はNa+ 、Cl- および水分の腎尿細管の再吸収を減少させ、溶質(solute)と水分の排せつを増加させることによって細胞外液を体内から取り除き、むくみを緩和させる。しかしながら、利尿剤を長期服用したとき、脱水症、甲状腺低下症、副腎昂進症、脳卒中、腎不全などの深刻な副作用を招くおそれがあるため、制限的に処方されている。
最近は超音波が様々な病気の治療に使われており、例えば、薬物デリバリーや遺伝子デリバリー、骨折治療、骨粗しょう症治療、血栓溶解(非特許文献１)、間葉系幹細胞から軟骨細胞への分化(非特許文献２)および骨芽細胞(osteoblast)分化(非特許文献３)等に超音波処理が効果的であると知られている。
しかしながら、細胞および組織のむくみに超音波を処理し、治療効果や緩和効果が確認された例はまだ発表されたことがなかった。
これに本発明者等は、細胞および組織のむくみを効果的に治療する方法を開発すべく鋭意努力した結果、細胞および動物を利用したむくみモデルにおいて、超音波発振制御部にて制御される0.5〜3MHzの周波数、20〜400mW/cm2 の強さを有する超音波を持続的にむくみ部位に処理したところ、むくみの緩和および治療効果があるということが確認され、本発明を完成するに至った。
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したがって、本発明の主な目的は、0.5〜3MHzの周波数、20〜400mW/cm2 の強さの超音波を発生させるむくみ治療用超音波装置を提供するところにある。
前記目的を達成するため、本発明は、(a)0.5〜3MHzの周波数、20〜400mW/cm2の強さを有する超音波を発生させるようにする超音波発振制御部１３０と、(b)ユーザによって設定された電圧を定められた時間プローブ側に供給させるメインコントロール部３００と、(c)前記メインコントロール部の操縦状態に応じて超音波を発生させる超音波発生器３３０と、(d)前記超音波発生器から入力を受けた超音波データ値に応じて振動する超音波振動子３４０と、(e)前記超音波振動子に接触した状態で前記超音波振動子から発生する超音波エネルギーを治療しようとする部位に直接伝達するプローブ４００と、を含む超音波装置を提供する。
一つの実施形態において、本発明は、(a)0.5〜3MHzの周波数、20〜400mW/cm2 の強さを有する超音波を発生させるようにする超音波発振制御部１３０と、(b)ユーザによって設定された電圧を定められた時間プローブ側に供給させるメインコントロール部３００と、(c)前記メインコントロール部の操縦状態に応じて超音波を発生させる超音波発生器３３０と、(d)前記超音波発生器から入力を受けた超音波データ値により振動する超音波振動子３４０と、(e)前記超音波振動子に接触した状態で前記超音波振動子から発生する超音波エネルギーを治療しようとする部位に直接伝達するプローブ４００と、を含む超音波装置に関する。
本発明において、前記メインコントロール部は、電源供給レベル調節器１１０またはタイム設定部１２０をさらに含めることができ、前記プローブは楕円形の適用端部を有することができる。また、前記超音波発振制御部は100〜400mW/cm2 の強さを有する超音波を発生させるように構成されることが好ましい。
本発明において、前記超音波は連続モード(continuous mode)またはパルスモード(pulse mode)で発生することが好ましい。
さらに、本発明は、0.5〜3MHzの周波数、20〜400mW/cm2 の強さを有する超音波をむくみ部位に適用させることを特徴とするむくみの緩和または治療方法を提供する。
本発明のむくみの緩和または治療方法において、前記超音波装置を用いることが好ましい。
本発明のむくみの緩和または治療方法において、前記むくみは脳外傷によるむくみ、脳虚血によるむくみ、関節炎による滑液の増加、脳水腫および緑内障によるむくみのような特異組織内の体液の増加により誘発され得るむくみを広範囲に含むことを特徴とすることができ、全身に現れるむくみは除外される。
本発明による超音波装置は、20〜400mW/cm2 の低強度超音波を発生させ、細胞膜または生体膜を通した水の透過性を増加させることにより、細胞および組織に対するむくみの緩和または治療をすることが可能であり、簡単な操作を通して手軽に用いることができる。
本発明の一実施例によるむくみ治療用超音波装置の全体斜視図である。 本発明の一実施例によるむくみ治療用超音波装置の構成を利用し、むくみを治療する超音波装置の動作を示すフローチャートである。 グラミシジンD(gramicidin D)で処理した赤血球の時間に応じたむくみの程度を示すものである。 30ng/mlのグラミシジンDを処理し、むくみを誘導させた赤血球に互いに異なった強さの超音波を処理した時、むくみの変化を示すものである。 塩化水銀の濃度による赤血球のむくみの程度を一般の生理食塩水と低張液で比較して示すものである。 塩化水銀によりアクアポリンの活性が抑制された赤血球を超音波で処理した結果を示すグラフである。 動物モデルにおいて脳に衝撃を与えた後、経過時間による大脳の水分含有量変化を示すグラフである。 脳むくみ動物モデルにおいて、超音波処理後、大脳の水分含有量変化を示すグラフである。 超音波処理後動物モデルにおいて、血液脳関門の損傷程度を測定した結果を示すものである。
本発明の前記およびもう一つの技術的課題、特徴および実施例は下記の詳細な説明および添付の図面を通して、当業者に明確になり得る。
以下、添付の図面を参照に本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の一実施例によるむくみ治療用超音波装置の斜視図を示すものである。
図１に示す通り、本発明の超音波装置は、外部にメインコントロール部３００があり、その内部には超音波発生器３３０および超音波振動子３４０が具備されている。メインコントロール部には、電源供給レベル調節器１１０、タイム設定部１２０および超音波発振制御部１３０等が備えられているため、ユーザがむくみ治療器の使用に先立ち自分が所望する電源供給レベルと動作時間を任意に設定することができる。超音波発振制御部１３０は、本発明者により研究されたむくみ治療の最適条件である80〜100mW/cm2 の強さを有する超音波を発生させるように設定されることが好ましい。
本発明のむくみ治療用超音波装置は、個人が家庭で使えるように開発されたものであって、安全性を考慮し、超音波発振制御部に設けられたタイム設定部により治療しようとする時間が経過すると自動に消えるように設定されることが好ましく、初期設定時、略１０分と設定されており、最大３０分まで設定することができるようにすることが好ましい。
図２は、本発明の一実施例によるむくみ治療用超音波装置の構成を説明するフローチャートである。
図２に示す通り、超音波発生器３３０は、発振器３３１、分周器３３２、波形発生部３３３、出力増幅部３３４および出力マッチング切換部３３５を含んでいる。このような構成を通して、メインコントロール部によって制御されたデータの入力を受け、超音波発生器３３０から最初に発生した超音波は、後段の超音波振動子３４０に引加され、超音波振動子３４０は、それ自体に接触しているプローブ４００を振動させる。
具体例として、発振器３３１は、メインコントロール部にて操縦したデータの入力を受け、最終決定される超音波を発生させるために用いられる基本超音波を発生させ、かつ分周器３３２は、発振器３３１の波形が入力され、超音波治療器のメインコントロール部にて操縦された状態に応じて分周の状態を決定する。後段の波形発生部３３３は、分周器３３２にて分周され、割り込みした超音波およびメインコントロール部３００の操縦状態の入力を受け、本発明のむくみ治療用超音波装置にて用いる最終波形を決定する。このような最終超音波波形は、連続型、パルス型のいずれも可能である。
前記波形発生部３３３から出力された最終超音波波形は、後段の出力増幅部３３４に引加され、該出力増幅部３３４は得られた超音波波形の動作およびパワー増幅を通して決定された超音波波形のピーク値を増幅させることになる。以後、出力増幅部３３４から出力された増幅波形は、後段の出力マッチング切換部３３５にて最終出力のためのマッチング波形生成、波形変換等を通して切り換えられ、後段の超音波振動子３４０に引加することができる状態に最終的に出力される。
本発明の超音波装置から出力される超音波は、20〜400mW/cm2 の低強度を有する超音波であることが好ましく、20mW/cm2 未満の超音波を処理した場合には、むくみの緩和効果がなく、400mW/cm2 超過の超音波を処理した場合には超音波によって細胞が損傷されたり破壊される恐れがある。
超音波振動子３４０の振動は、楕円形の適用端部を有するプローブに伝達され、20〜400mW/cm2 の低強度を有する超音波の持続的な物理的力または生物学的活性によって、細胞膜の透過性を増加させ、細胞および組織のむくみを根本的に治療する効果を提供する。
本発明のむくみ治療用超音波装置の好ましい効果が得られるためには、使用しようとする部位にプローブを密着させて使用することができる。
一度密着させたプローブは動かないことが好ましく、メインコントロール部のタイム設定部１２０を利用して、希望時間を設定した上、一日１〜４回、一度に３０分未満で使用することができる。
以下、本発明を実施例によって、さらに詳しく説明する。しかし、これらの実施例は、ただ単に本発明をより具体的に説明するためであって、本発明の範囲がこれら実施例に限定されないことは、当業界にて通常の知識を有する者において自明であるといえる。
実施例１.赤血球のむくみ減少の効果
1-1：グラミシジンD処理による赤血球のむくみ誘導
20〜30代の志願者の静脈血管から10mlずつ血液を採血した。採血された血液サンプルは10分間3000rpmで遠心分離し、上澄み液とバッフィーコート(buffy coat)を除去した後、赤血球ペレット(pellet)を食塩水(0.9% NaCl)で３度洗浄した。
グラミシジンD(Gramicidin D)は、細胞外へカリウムイオンを送り出し、細胞内にナトリウムイオンを速やかに蓄積させる作用をする製剤であって、グラミシジンDで処理された赤血球は、イオンの濃度差によりむくみ性を有するようになる。赤血球のむくみを誘導するためにそれぞれの赤血球懸濁液に0ng/ml、30ng/ml、60ng/ml、100ng/mlおよび200ng/mlのグラミシジンDを処理し、０．５、１、２および３時間ごとにヘマトクリット(hematocrit)で遠心分離し、赤血球の容積を測定した。
100ng/mlおよび200ng/mlのグラミシジンDで処理したサンプルにおいては、初期に赤血球の容積が増加したが、２〜３時間後には溶血現象により容積を測定することができなかった。60ng/mlのグラミシジンDで処理したサンプルにおいては、処理後1時間が経過した時、赤血球の容積が最大に増加しており、約７%の容積が増加した。30ng/mlのグラミシジンDで処理したサンプルにおいては、60ng/ml のグラミシジンDで処理した場合より、明確な差が見られなかったものの、時間に応じた赤血球の容積の増加が明確に確認された(図３)。赤血球の溶血現象なく、むくみ誘導を最適化するため、次の実験においては30ng/mlのグラミシジンDで行った。
1-2:超音波による治療効果
前述した実施例のような方法により30ng/mlのグラミシジンDで処理され、むくみが誘導されたそれぞれの赤血球のサンプルに1 MHzの周波数で２０分間０、１００、２００、４００mW/cm2 強さの超音波を照射(irradiation)した。
超音波の強さが０mW/cm2 の場合を除き、超音波照射後、残りのすべての強さでは赤血球の容積が減り、超音波の強さによる赤血球の容積の減少に明確な差は見られなかった(図４)。
超音波による赤血球の溶血現象を調べるため、超音波を処理した後３分間3000rpmで遠心分離した後、上澄み液は捨て、１００倍に希釈してOD 560nmで測定した。各サンプルの溶血程度を決めるため、標準溶血曲線と比較してみると、溶血現象は起こらなかった。
グラミシジンDでむくみが誘導された赤血球に超音波処理をした場合には、細胞に致命的な損傷なく、むくみが減少することが分かった。
1-3：赤血球でアクアポリン(aquaporins)活性抑制
赤血球はタイプ1のアクアポリンを発現するものとして知られている。水分の移動通路の役割をするアクアポリンがむくみにどんな機能をするのか調査するため、アクアポリン活性を抑制する塩化水銀を処理した。赤血球の容積を増加させる最適の濃度を調べるため、低張液(0.45% NaCl)懸濁させた赤血球に0.5〜800μM範囲の塩化水銀を処理し、1時間後にヘマトクリットで遠心分離し、容積の増加を測定した。
低張液(0.45% NaCl)の赤血球は、一般の生理食塩水(0.9% NaCl)の赤血球より約28%の容積の増加をみせており、塩化水銀の濃度が増加するにつれて赤血球の容積の増加がみられた。塩化水銀が50μM以上ではもはや濃度依存的増加をみせておらず、明確な差もみられなかった。したがって、赤血球のむくみを誘導する塩化水銀濃度を50μMで遂行した(図５)。
1-4：超音波による治療効果
前記実施例のような方法により塩化水銀50μMおよび/またはグラミシジンD(30ng/ml)を処理した赤血球に２０分間、100mW/cm2強さの超音波を照射した。図６に示す通り、グラミシジンDのみ処理されたものは、対照群と比較したとき、赤血球のむくみがみられ(ヘマトクリット52.7%)、超音波処理後、むくみ減少が現われた(ヘマトクリット50.2％)。比較のために塩化水銀のみで処理されたグループから若干の赤血球のむくみ減少がみられており、したがって、グラミシジンDに誘導された赤血球のむくみにおいてアクアポリンの活性が抑制された場合、超音波処理はむくみの減少がみられないことが分かった(図６)。したがって、これは超音波による赤血球のむくみ減少が単なる物理的作用ばかりでなく、アクアポリンを通してもおきるということを示すものである。
実施例２．動物モデルにおけるむくみ減少の効果
2-1：むくみが誘導された動物モデル
むくみ誘導モデルを確立するため、雄Sprague-Dawleyラット(rat)(270〜300g)の腹腔内にペントタール(Pentothal)(40mg/kg)を注入して麻酔させた。麻酔後、ラット頭の中央を切開した後、頭蓋骨表面が外部にあらわれるようにした。衝撃を与える条件を把握するため、50g重りを利用して高さ40cm、60cm、70cmおよび80cmから各々3匹のラットを利用し、頭蓋骨のbregma(脳天)とlambdaの間に落下させた。落下させたところ、40cmと60cmではむくみの発生程度が微弱であり、70cmでむくみ形成程度が高く、80cm以上の高さでは衝撃を受けた後、ラットがすぐに死んだ。むくみが誘導された動物モデルは50g重りで、70cmで衝撃を与えた。むくみが形成されたラットは、歯科用ドリル(206-103L、Saeshin)を利用してsagittal suture(矢状縫合)を基準としてラットの頭蓋骨左右両側に直径5mmの蓋頭術(craniotomy)を施術した。
2-2：超音波によるむくみ治療の効果
衝撃を与えた後、０時間、６時間、１０時間、２４時間において、水分含有量を測定したところ、衝撃後6時間が最も高く、時間が立つにつれて脱水を起こし、水分含有量はますます減少した(図７)。超音波処理時間は６時間までに制限し、KCl (25%, 1ml)を血管内に注入し、ラットを死亡させた上、大脳を分離した後、水分含有量を測定するため、大脳重量を測定した後、乾燥オーブンで100℃で３０時間の間乾燥させた後、大脳乾燥重量を測定した。水分含有量の百分率は%H2O=[(wet weight-dry weight)/wet weight]×１００公式により計算した。
衝撃を与えた後、ラットの頭蓋骨左右に直径5mmの蓋頭術を施術した。衝撃後０時間、２時間および５時間において100mW/cm2
の強さで５分間脳の左右側ともに超音波を処理した後、すべてのラットは衝撃後６時間後に犠牲させた。衝撃後６時間で超音波を処理しなかったグループを対照群として統計処理した結果、超音波を衝撃後０時間で処理した時、最も低い水分含有量値を見せ、時間が立つにつれ水分含有量値の増加がみられた(図８)。
血液脳関門(Blood Brain Barrier)の損傷程度を調べるため、2%(4ml/kg)のエヴァンスブルー(Evans blue)溶液を衝撃後５時間後に大腿部静脈に注射した上、大脳を抽出してELISAで610nmで吸光度を調査した。正常なラットからは血液脳関門の破壊が全くみられず、超音波を処理しなかったシャム対照群(sham control)において最も高い数値がみられた。超音波を処理したところ、衝撃後０時間において血液脳関門の損傷程度が低いことが分かり、時間が立つにつれて血液脳関門の回復程度が乏しいことが確認された(図９)。
以上、本発明内容の特定部分を詳細に記述したところ、当業界の通常の知識を有する者において、このような具体的技術は単なる好ましい実施様態にすぎず、これによって本発明の範囲が制限されるものではないことは明らかであるといえる。したがって、本発明の実質的な範囲は、添付の請求項等とそれらの等価物によって定義されるといえる。
１１０ 電源供給レベル調節器
１２０ タイム設定部
１３０ 超音波発振制御部
３００ メインコントロール部
３３０ 超音波発生器
３３１ 発振器
３３２ 分周器
３３３ 波形発生部
３３４ 出力増幅部
３３５ 出力マッチング切換部
３４０ 超音波振動子
４００ プローブ

Claims (6)

  1. (a)0.5〜3MHzの周波数、20〜400mW/cm2 の強さを有する超音波を発生させるようにする超音波発振制御部１３０と、
    (b)ユーザによって設定された電圧を定められた時間プローブ(probe)側に供給するメインコントロール部３００と、
    (c)該メインコントロール部の操縦状態に応じて超音波を発生させる超音波発生器３３０と、
    (d)該超音波発生器から入力された超音波のデータ値に応じて振動する超音波振動子３４０と、
    (e)前記超音波振動子に接触した状態で該超音波振動子から発生する超音波エネルギーを治療しようとする部位に直接伝達するプローブ４００と、を含むむくみ治療用超音波装置。
  2. 前記超音波は、連続モード(continuous mode)またはパルスモード(pulse mode)で発生することを特徴とする請求項1に記載のむくみ治療用超音波装置。
  3. 前記むくみは脳外傷(brain injury)による脳むくみ(brain edema)、脳虚血(brain ischemia)による脳むくみ、関節炎による滑液(synovial fluid)の増加によるむくみ、そして脳水腫(hydrocephalus)および緑内障(glaucoma)によるむくみから構成された群で選択されることを特徴とする請求項１に記載のむくみ治療用超音波装置。
  4. 0.5〜3MHzの周波数、20〜400mW/cm2 の強さを有する超音波をむくみ部位に適用させることを特徴とするむくみの緩和または治療方法。
  5. 請求項1の装置を用いることを特徴とする請求項４に記載のむくみの緩和または治療方法。
  6. 前記むくみは、脳外傷(brain injury)による脳むくみ(brain edema)、脳虚血(brain ischemia)による脳むくみ、関節炎による滑液(synovial fluid)の増加によるむくみ、さらに脳水腫(hydrocephalus)および緑内障(glaucoma)によるむくみで構成された群から選択されることを特徴とする請求項４に記載のむくみの緩和または治療方法。
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