JPH10509605A

JPH10509605A - 超音波による骨治療装置および方法

Info

Publication number: JPH10509605A
Application number: JP8513979A
Authority: JP
Inventors: ジョナサン・ジェイカウフマン、; アレッサンドロ・イーキアブレラ、
Original assignee: オーソロジック・コーポレーション
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1998-09-22
Also published as: ATE255935T1; DE69532305D1; EP0843573A4; AU3954695A; WO1996012519A1; ES2210320T3; EP0843573B1; DE69532305T2; US5752924A; US5547459A; EP0843573A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、骨に隣接したトランスデューサ（14）に供給される一定期間の超音波励起パルス信号に骨（10）をさらす超音波骨医療的方法であり、０Ｈｚ乃至約２５ｋＨｚの周波数を有する正弦波信号により特別に変調される約２Ｍｈｚまでの超音波領域の正弦波信号を含んでおり、励起信号は１Ｈｚ乃至５０００Ｈｚで反復される。治療のための露出時間は骨の治癒または骨の成長および内部成長を促進するのに必要とされる日数に対して、５分乃至１時間、一日に１回乃至３回の範囲で選択される。超音波骨治療用の前述の方法を実行する装置が開示され、これは送信および受信素子を有するトランスデューサ（14）と、特別な波形信号発生器（20）と、好ましい処理レジメを限定する必要な動作を行うためのコンピュータ（16）とを具備している。

Description

【発明の詳細な説明】超音波による骨治療装置および方法［発明の技術的背景］１．技術分野本発明は生体内の骨組織を非侵入的に治療的処理するための装置および方法に関する。２．関連技術の説明近年、骨の成長を刺激する種々の方法が試みられた。これらの方法は基本的に専門的であり、装置内部で最も効率的な刺激を識別する一貫性のない装置によるものである。 Kaufman 氏による米国特許第5,309,808 号明細書は生体内の骨組織を治療的処理し、および／または量的に算定する装置および方法を開示している。Kaufman 氏の方法は骨を一定期間、超音波の音響信号パルスにさらし、複数のディスクリートな周波数からなる複合正弦波信号を与えることを含んでいる。これらの周波数は超音波領域で約２ＭＨｚに間隔を隔てられ、励起信号は実質上１乃至１０００Ｈｚの範囲で反復される。 Duarte氏による米国特許第4,530,360 号明細書は、１．３乃至２．０ＭＨｚの範囲内の実質上単一周波数および１００乃至１０００Ｈｚのパルス反復速度のパルス正弦波を使用して生体内の骨組織の治療的処理を行うための超音波エネルギを用いた装置および方法を開示している。 McLeod氏による米国特許第5,103,806 号明細書と第5,191,880 号明細書は骨組織の機械的負荷を使用して、骨組織の成長を促進しオステオペニアを防止する方法を開示している。両特許明細書では、発明者は約１０乃至約１０００マイクロストレイン程度の比較的低レベルの、ピーク間振幅で、約１０乃至１００ヘルツの範囲の周波数で骨組織に機械的負荷を適用している。 Bassett 氏による米国特許第4,928,959 号明細書は骨の不調を患う患者のための活性処理を与える方法および装置を開示している。患者は骨の成長を刺激するために衝撃負荷を受け、衝撃負荷センサは処理の効力を監視するために使用される。発明者は（１００，０００Ｈｚまでの）高周波数の力成分が骨の成長の刺激に重要であることを述べている。多数の他の特許明細書が電磁信号の発生に依存した骨成長の刺激方法を開示している。例えば、Ryaby 氏による米国特許第4,105,017 号明細書および第4,315, 503 号明細書は非対称的なパルス波形を用いて、時間のかかる複雑骨折した骨の治療を促進する方法を開示している。McLeod氏による米国特許第4,993,413 号明細書は骨粗しょう症を防止し新しい骨の形成を強化するために生きた組織に電流および電圧を誘起する方法および装置を開示している。これらは実質上１乃至１０００ヘルツの範囲の対称的な低周波数で低強度の電磁信号の使用を開示している。Liboff氏による米国特許第5,318,561 号明細書（およびその他）では、骨の治癒と成長を刺激するため静磁界および時間的に変化する磁界を組み合わせて使用する方法を開示している。特定の振幅および周波数は“イオンサイクロトロン共鳴”の理論に基づいて骨の成長を最適に強化することが開示されている。 Weinbaum氏による最近の文献は骨成長を行わせる手段を特徴づけるための包括的で理論的な一貫した基盤を提供している。研究グループの文献“A model for excitation of osteocytes by mechanical loading-induced bone fluid shear stresses”が1994年のJournal of Biomechanics の27巻の339 〜360 頁に記載されている。この文献では、彼等は歪みの大きさではなく歪み率が順応的な骨成長および修復の役目をする主要で適切な変数であることを提案している。簡単に説明した参考文献により例示された従来技術は、骨成長と治癒の促進のために現在まで使用されている外因性刺激を決定するための専門的方法または経験に基づいた発見を主として使用している。幾つかの方法は主要な動作療法として組織の生体力学的歪みの特定値を生成することに注目している。しかしながら本発明は一般的な生理学的負荷で誘起される流体流が骨の治癒に臨界的に重要な変数である認識を具体化し、さらに、この流体流を生きた組織に生成させるための効率的な手段を含んでいる。特に、本発明は骨等のイオン流体で飽和された多孔性媒体で超音波伝播の非線形特性を特別に利用することにより比較的高い周波数で流体流を刺激する手段を含んでいる。さらに、本発明は通常の生理的負荷で見られる反復的刺激と類似した刺激の重要特性と、最適な信号量が所望の骨組織の位置に到着することを確実にするための適切なフィードバック制御の重要特性とを具体化している。［発明の要約］本発明の目的は、骨治癒と骨成長を促進するため生体内の骨組織を非侵入的に治療処理するための改良された方法および装置を提供することである。本発明の別の目的は、骨治癒および骨成長がこれまでよりも能率的で実効的に刺激され、それによって前述の目的を達成することである。特定の目的は、骨組織内の伝播の特定の非線形特性と、生理学的負荷のエミュレーションに関して選択された最適な組の超音波信号により前述の目的を達成することである。さらに特定の目的は、適用された外因性の超音波音響治療的信号の最適量を適切にオンラインで算定することを可能にすることである。本発明の一般的目的は、ほとんどが市場で入手可能な装置部品により前述の目的を達成することである。本発明は好ましい形態で、骨を覆っている皮膚表面に音響結合するのに適したトランスデューサへ供給される超音波音響励起信号パルスに約１．１ＭＨｚの超音波範囲で一定の時間、骨をさらすことにより前述の目的を達成し、励起信号は約１Ｈｚ乃至約５０００Ｈｚの範囲で反復される。治療のための露出時間は完全な治癒または骨成長或いは内部成長を促進するのに必要とされる周期としては、５分から１時間、一日に１回から３回の範囲で選択される。超音波治療を開始する前に、初期的な質問音響超音波パルスは好ましくは骨の処理位置を覆っているソフトな組織の実際の厚さを決定するために送信されることが好ましい（厚さは例えば組織の腫れにより時間で変化することに留意する）。骨の処理位置は骨折ゾーンであるか、移植された装置（例えばヒップ）と骨との間の境界であるか、または例えば骨粗しょう症によるような密度が減少された無傷の骨である。トランスデューサと骨に近い表面との間の往復パルス伝送時間と、ソフトな組織に関する公称減衰値を使用して、トランスデューサに供給される入力信号振幅は、骨近くの表面に達する空間的に平均され時間的に平均された（ＳＡＴＡ）パワー密度（即ち強度Ｉ_SATA）が約４５ｍＷ／ｃｍ²であることを確実にするために調整される。受信された信号は患者が指示通りの処理時間で指示通りの治療を受けていることを確実にするため実際の処理露出期間中にも監視される。問題としているこれらおよび他の目的および利点は図面を伴った以下の詳細な説明から明白に理解されるであろう。［図面の簡単な説明］図１は本発明の装置の部品の相互接続を示した概略図である。図２、３、４は本発明の好ましい実施形態のうちの数例による骨成長および治癒の刺激に使用される１組の音響超音波信号をそれぞれ図示している。［好ましい実施例の詳細な説明］図１は本発明に関連する方法、即ち骨成長（内部成長）および骨治癒を刺激するために生体内の骨組織の非侵入的に治療的処理を行う装置を構成するための選択された相互接続された部品を概略して図示している。これらの部品は一般的に異なった製造元から市場で入手可能であり、動作全体の詳細な説明が与えられるときに認識されよう。図１を参照すると、骨折位置、骨粗しょう症による影響を受けた領域または非侵入的に処理されるべき他の部分の骨組織等の骨の患部10がソフトな組織12に覆われて示されている。超音波トランスデューサ14はソフトな組織12に隣接した骨の患部10近辺に位置されている。例示により説明すると、トランスデューサ14は約１×２インチの長方形のピエゾ電気トランスデューサであり、これはほぼ骨折位置の骨折骨を覆っている皮膚表面上に配置される。トランスデューサは送信および受信の両方に適した単一のピエゾ電気素子または１つの送信素子と１以上のの受信素子（特に図示せず）を具備してもよい。このようなトランスデューサは Parallel Designs社、Phoenix,Azから入手可能である。示されているように、トランスデューサ14は信号の送信と、送信された信号が骨10から反射し周囲のソフトな組織12を通過した後に受信するために使用される。ゲル等の超音波結合媒体（図示せず）がトランスデューサ14とソフトな組織12を覆う患者の外部皮膚との間に供給される。基本的な動作は信号処理ユニット16により制御され、これは特にコンピュータでよく、より厳密にはGateway 2000社（North Sioux City、South Dakota）から入手可能な６６ＭＨｚのPentium のようなパーソナルコンピュータであってもよい。図が指示しているように、このコンピュータは６６ＭＨｚのクロックパルス発生器と、インテル（Intel ）586 （Pentium ）プロセッサを含んでおり、キーボード入力設備18を有する。コンピュータ16は本発明にしたがって装置の適切な機能の定期的なオンライン監視を行う。特に、コンピュータ16は、適切な処理量の超音波露出を計算するように、反射された信号に対する応答および監視によって指示通りの治療が患者に施されることを確実にする。カード20での正弦波の関数発生器は励起信号を発生するために設けられ、この信号はパワー増幅器手段22を経て送信トランスデューサ14へ供給される。パワー増幅器としては、EIN 社、Rochester 、NYのモデル番号2401のＲＦパワー増幅器が適切である。この増幅器は２０ｋＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲にわたって５０ｄＢの利得を与える。カード20で発生器により発生される励起信号は超音波範囲が約２ＭＨｚのパルス正弦波信号であり、これは０乃至２５ｋＨｚの範囲で変調された正弦波である。カード20における発生器としては、Quatech 部品番号がWSB-100 により識別されるAkron,OHのQuatech 社の製品等、市場で入手可能な波形シンセサイザが適している。この波形シンセサイザーはホストコンピュータ16と独立してアナログ信号の発生を与え、十分なプロセッサパワーが波形データの計算を含む他の目的で使用されることを可能にする。カード20は好ましくは指示された超音波周波数範囲で数千の点を有する出力信号を生成する容量を有する。別のカード24はまたトランスデューサ14の受信素子から得られるアナログ信号をさらにコンピュータ16で処理するためデジタルフォーマットに変換するようにコンピュータ16に設置されて示されている。技術で知られたスイッチング素子（図示せず）はトランスデューサ14をカード20から遮断し、これをカード24に接続するために使用され、この後者のカードは好ましくはSpringfield,VAのSONIX から入手可能な製品である部品番号 STR* 8100の１００ＭＨｚの波形デジタル装置を含んでいる。（破線で示されている）接続26は、同期目的および反射された波形のデジタル化の目的で信号発生器カード20をＡ／Ｄカード24に接続し、それによってトランスデューサ14で受信される信号に関する適切に補償された連続的な動作更新平均をコンピュータ16が行うことを可能にする。カード24に入力される前に反射波形レベルを増加するための一般的な再増幅器（図示せず）が含まれることができる。骨折位置を覆っているソフトな組織を横切る厚さの算定および、治療的な超音波信号の振幅の適切な調整のために、初期的な質問音響超音波パルスがトランスデューサ14を経てカード20により予備的に送信される。約２μｓの継続期間で１ .１ＭＨｚの指数的に制動された正弦波信号がこのようなパルスの１例である。トランスデューサ14は骨表面近辺からの反射された信号を記録するため受信機として使用される。音響パルスがソフトな組織を通ってトランスデューサから（部分的に反射される）骨表面に伝播し、ソフトな組織を通って戻るまでの反射された信号の到着時間は往復通過時間τの測定値を与える。ソフトな組織の厚さｄ_s は次式により計算されることができる。ｄ_s＝ｖ_sτ／２ここでｖ_sはソフトな組織における超音波の速度であり、ｖ_s＝１５４０ｍ／ｓにより与えられる。ソフトな組織の厚さの算定が一度得られると、最適なパワー強度が骨折した骨に入射することを確実にするためにこの算定値は入力信号振幅を超音波トランスデューサ14に調整することに使用される。これは好ましくは以下のように実行される。反射測定によって前述のソフトな組織の厚さの算定値ｄ_s［ｃｍ］が得られる。その後、例えばP.N.T Wells によるBiomedical Ultrasonics、Academic P ress、London、1977年に記載された方法にしたがって、ソフトな組織における１ .１ＭＨｚの超音波減衰の公称値がα_sが近似的に１ｄＢ／ｃｍとして得られることができる。したがってｄ_sにより与えられるソフトな組織の厚さに対して、骨表面における信号振幅の全体的な減少、ｄＢのΔαは以下のようになる。 Δα＝α_sｄ_s 以下の式は入力信号に与えられる相対的な振幅Ａの必要な値を与える検索表を構成するために使用される。信号振幅は次式から計算される。Ａ＝１０⁽ ^Δα/20) 例えば、使用される関連した入力信号増幅はソフトな組織の厚さの範囲に対して計算される。ソフトな組織の厚さ［ｃｍ］信号増幅１１．１２２１．２６３１．４１４１．５８５１．７８６２．００これらの信号増幅は、水などの無視できる程度の減衰の媒体中で超音波トランスデューサの近辺のフィールド内に所望のパワー密度（強度Ｉ_SATA＝４５ｍＷ／ｃｍ²）を生成するために使用される公称信号値に関連されることに留意する。安全性を考慮すると、（皮膚表面に）任意の大きな入射パワー強度を使用することが可能ではないことに留意すべきであり、これは例えば骨折した骨を覆っているソフトな組織の厚さが相当である場合に必要とされる。これらの場合、最大のパワー強度は演繹的に特定され、この値を越える場合にはこの最大強度に飽和される。治療信号は骨折治癒プロセスを最適に刺激するように特別に設計されている。以下詳細に説明するように最適な信号特性は非線形波伝播理論を使用して得られ、流体流におけるその直接効果を通じて骨の治癒と成長を刺激する。内因性超音波信号の主要な生体効果的局面としての音響マイクロストリーミングへの依存は、従来の技術、例えば（前述のDuarte氏による）骨の内因性ピエゾ電気、（前述のBassett 氏による米国特許第4,928,959 号明細書およびMcLeod氏による米国特許第5,046,484 号明細書による）骨組織の機械的歪みの発生または（Ryaby 氏による米国特許第4,266,533 号明細書参照による）骨組織への電流誘起とは対照的に、骨を修復する効率的で有効な処理につながるものである。骨成長および修復の超音波刺激に関する流体流特性をより良好に理解するため、流体流の誘起は外部から供給された超音波信号と骨組織の複雑な１組の相互作用から生じることを考慮すべきである。この相互作用は骨組織に存在するような多孔性空間でのイオン流体の効果を含む多孔性媒体における音響の一般化された理論を使用して特徴づけられる。以下与えられるこの理論の要約は最適な超音波治療信号を獲得する基礎を与えるものである。流体流は基本的な集団であると想定され、これは刺激されたとき、骨の成長と治癒を強化する。以下の説明で、ｗは（固体に関する特別な放電としても知られている）固体マトリックスに関する流体の変位ベクトルである限められ、ξ＝− ▽・ｗは媒体の単位容積当りの流体内容のインクレメントである。ここで▽はナブラ演算子であり、（・）はスカラ積である。それ故、Ψ_E・ｎ＝（∂ｗ／∂ｔ）・ｎは垂直単位ベクトルがｎである単位範囲を横切る流体のオイラー（Euleri an）流束（ｍ／ｓ）である。（この流束は音響マイクロストリーミングにおける流体流に関連する。）この場合∂Ｅ／∂ｔは単位容積に入る本質的な流体（即ち流体の入力束）である。一般化されたダーシー（Darcy ）の式は、流体中のマクスウェルの応力テンソルの影響度を考慮することによって流体の流束と、多孔性媒体中の関連量との間の関係を表すために使用されることができる。この式では、η（ｋｇｍ^-1ｓ^-1）は流体の粘度であり、α_∞は多孔性媒体の（高周波数）屈折であり、ｋ_o（ｍ²）は（低周波数）ダーシー透磁率であり、ε_Fと ε_o（Ｆｍ^-1）は流体および真空の誘電率であり、（ε_F》ε_o）とｆ_oはそれぞれ容積多孔性であり、ρ_F（ｋｇｍ^-3）は流体密度である。関数φ_F（Ｖ）は外因性の音響露出（即ち超音波信号）による内因性電位の変動から生じる流体中のスカラ電位である。内因性の電位は、主として充電された固体マトリックス表面とイオン流体との相互作用等を含む幾つかの原因から生じる。流体中の電界は−▽φ_F （Ｖｍ^-1）に等しいことにも留意すべきである。流体中の圧力はＰ_F（Ｎｍ^-2）により示され、外因性の音響露出と流体の充満された多孔性骨構造との相互作用から生じる圧力である。合理的に幾つかの仮定を簡単にし、時間平均を示すため“＜＞”を使用した後、先の式は次式のように時間平均の流体圧力と電位との関数として時間平均オイラー流体（ストリーミング）を表すことに使用されることができる。この式は、多孔性媒体中の流体の平均オイラー流束が二乗にされた電界に依存し、後者の空間的変化は、電界−▽φ_F上での超音波露出によって誘起される変動の時間波形にかかわりなく、ゼロではない平均（または実質的な）流体流束に上昇することができる。さらに、供給された平均圧力（即ち時間平均）がゼロであってもゼロでなくても、例えば超音波入力で生じるように流体流束の固定した成分が生じる。詳細はかなりやっかいであり、先に示した結果をさらに深く考察しないので、音響フィールドの全ての成分を算定するのに必要な幾つかの式が省略される。単位容積に入る実質的な平均流体流束はゼロであり、即ち次式であることに留意すべきである。したがって交流の脈動流体流入を与える。与えられた理論は、超音波信号と骨組織との相互作用における非線形の２つの他の原因を特徴づけることができることも指摘するべきである。第１の特徴は対流流動に関し、音響波により与えられた“放射圧力”としてよく知られている１つの原因である。この現象は流体力学的考察から得られ、使用する表記法を以下に示す。ここでΨ_Lはラグランジュ流体（ストリーミング）流束の材料であり、（Ψ_L・▽ ）ｗは対流の非線形性である。非線形性の別の原因と、基本的理論に具体化される原因は圧力と密度との構造関係により生じ、即ち、ここでρ_FoとＰ_Foはそれぞれ変動のない流体密度と圧力であり、ＡとＢはよく知られた流体の非線形パラメータであり、ここでＢ／Ａは典型的に１１程の大きさである。この関係を流体相に適用する。同様に、非線形構造関係は骨組織の固体相に対して書かれることもでき、これは流体流束の全体の解の式中の付加的な非線形を考慮している。さらに固体マトリックスに対するマクスウェルの応力テンソルの影響は非線形性の別の原因である。説明された式から容易に分かるように、骨成長と修復を促進するための一定および振動性の両方の流体流は、以下詳細に説明する供給された音響信号の適切な設計を通じて刺激されることができる。前述の理論は、治療的骨力学に対して妥当な速度で、一定および振動性の流体流を得るため、主要な条件は、供給された超音波信号ρ（ｔ）の二乗、即ちρ²（ｔ）であることを明白にしている。この非線形性は外因性超音波波形の“生体内”復調を可能にし、これが骨成長と治癒に最大の治療効果を有することを可能にする。信号はパルス励起モードで比較的高い周波数（通常５００Ｈｚを越える）により変調されるように特別に設計され、このことは骨組織が各刺激サイクル期間に最大限に応答することを許容する。非線形音響理論についての前述の観点は決定することについての根底基盤を提供し、それによって外因性超音波治療信号による流体流を誘起する。受信された超音波信号はオンラインの患部検出を行うための手段として使用されることに留意すべきであり、したがって必要な治療信号が、患者に施される処理期間全体にわたって骨折位置に到達していることを確実にする。信号処理制御およびコンピュータ16の動作のための一般的な信号処理／ディスプレイ／記憶ソフトウェアは図示されていないが、28においてコンピュータ16に負荷される一般的なフロッピーディスクに含まれているものと理解されよう。このソフトウェアはMathWorks 社、Natick、MAから入手可能なMATLAB-386であることが好ましい。さらにソフトウェア（図示せず）は信号処理用ツールボックスを含んでおり、これはMicrosoft 社、Bothell 、WAから入手可能なFortran 5.0 と、National Instruments社、Austin、TXから入手可能なLabView と同様にMathWo rks 社からも入手可能である。本発明の好ましい実施形態において、図２、３、４をさらに参照すると、使用される信号の一般的状態を示しているが、特に周波数およびパワーパラメータに関する具体的な詳細はなく、ソフトな組織12に覆われている骨の構成組織10は超音波トランスデューサ14に隣接して位置されている。超音波信号はトランスデューサ14から送信され、ソフトな組織12を通過し、部分的に骨の構成組織に送信され、部分的に骨組織10から反射されてソフトな組織12を通ってトランスデューサ 14の受信素子（特に図示せず）により受信される。送信された超音波信号は一定の期間の正弦波信号を使用して発生され、これは正弦波変調される。この波形の単一サイクルを以下に示す。Ｔ秒毎（１／ＴＨｚ）に反復し、ここでρ_s（ｔ）は以下の式により与えられる。式１ａと１ｂでは、信号パラメータ値の範囲は０≦ｆ_m≦２５ｋＨｚ（好ましくはゼロ値を除き、即ちほとんどの場合ｆ_m≠０）であり、２５ｋＨｚ＜ｆ_o≦２ＭＨｚ、０．２ｍｓ≦Ｔ≦１．０ｓ（１Ｈｚ乃至５ｋＨｚのパルス反復速度に対応）、０．１ｍｓ≦Ｔ_s＜１．０ｓ、０．１ｍｓ＜Ｔｓ´≦１．０ｓ（デューティサイクルに対応）、Υ＝ＮＴ_s´／Ｔ、または効率的なデューティサイクルは１サイクル内の積分された“オン時間”（パルス継続期間全体）を考慮し、Υ＝（Ｔ_s1＋Ｔ_s2＋・・・＋Ｔ_sN）／Ｔ、０．０００１≦Υ＜１）、１≦Ｎ≦１０，０００である。変調指数ａの範囲は０≦ａ≦１０００により与えられる。定数Ｋは骨表面近辺に入射する音響超音波が２０−１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲内の強度（Ｉ_S _ATA ）を有するように調整される。 ρ（ｔ）＝ρ_s（ｔ）である特別な場合（Ｎ＝１）では、この波形は次式のように表せる。 ρ（ｔ）＝Ｋ｛１＋ａｓｉｎ（２πｆ_mｔ）｝ｓｉｎ（２πｆ_oｔ）），０＜ｔ＜Ｔ_s 好ましくは５分乃至１時間の範囲の時間期間にＴ秒毎に反復する。パラメータの範囲は０≦ｆ_m≦２５ｋＨｚ（好ましくはゼロ値を除き、即ちほとんどの場合ｆ_m ≠０）；２５ｋＨｚ＜ｆ_o≦２ＭＨｚ；０．２ｍｓ≦Ｔ≦１ｓ（１Ｈｚ乃至５０００Ｈｚのパルス反復速度に対応）、０．１ｍｓ≦Ｔ_s≦１ｓ（０．０００１≦ Υ＜１のデューティサイクルΥ＝Ｔ_s／Ｔに対応）である。定数Ｋは骨表面近辺に入射する音響超音波が強度（Ｉ_SATA）が２０−１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲内であるように調整される。パルスレジメにおける動作は高い振幅波が存在するとき音響非線形性を利用する。最大のピーク振幅はＫ（１＋ａ）であり、通常の安全レベルを越えないように制限される。比較的高い周波数の搬送波信号の振幅変調は比較的高い速度で流体流束を生成するために特別に使用される。本発明の好ましい実施形態では、前述したように信号の振幅は骨折部分に約４５ｍＷ／ｃｍ²のＩ_SATAを与えるように調整される。骨組織で誘起される力学的歪みは主に超音波スペクトル領域、即ち供給された超音波信号の公称周波数にあることに注意すべきである。本発明の好ましい実施形態では、この周波数は１．１ＭＨｚであり、全ての場合２５ｋＨｚを越える。付加的に、１０ｃｍの特徴的長さを仮定すると、骨組織で誘起される歪みレベルは非常に小さい。ピーク間の歪み値は超音波入力に関する誘起された粒子変位についてのよく知られた式から合理的に近似されることができる（例えばPhysical Principles of Medical Ultrasonics、CR Hill 、Halsted Press 、1986年、57 頁参照）。粒子の変位Ｄは次式により与えられる。Ｄ＝１／（πｆ）Ｉ^1/2／（ρ_oｃ／２）^1/2 ここでＩは骨組織中の超音波パワー強度であり、ρ_oは変動のない骨密度であり、ｃは骨中の超音波の速度であり、ｆは超音波周波数である。骨に関する値を使用して、好ましい超音波信号の実施形態では、（１．１ＭＨｚで）約０．０１６ミクロンの値Ｄが得られ、それ故、誘起されたピーク間歪み値は約０．２マイクロストレインよりも小さいことが認められる。本発明の目的に対して、３つの好ましい実施形態は以下のように特定される超音波信号を含んでいる。１．図２で示されているように、信号30は２００Ｈｚ（Ｔ＝５ｍｓ）の反復速度で反復される。波形の単一サイクルは２０ｋＨｚの正弦波により変調される搬送波周波数１．１ＭＨｚの０．５ｍｓの継続期間の正弦波であり、その後に変調指数ａ＝０．３を有する４．５ｍｓの“オフ時間”が続く。この信号は次式により与えられる。２００Ｈｚで反復し、ＫはＩ_SATA＝４５ｍＷ／ｃｍ²であるように調整される。２．図３で示されているように、信号40は２０００Ｈｚ（Ｔ＝０．５ｍｓ）の反復速度で反復される。波形の単一サイクルは２０ｋＨｚの正弦波により変調される搬送波周波数１．１ＭＨｚの０．１ｍｓの継続期間の正弦波であり、その後に変調指数ａ＝０．３を有する０．４ｍｓの継続期間の“オフ時間”が続く。この信号は次式により与えられる。２００Ｈｚで反復し、ＫはＩ_SATA＝４５ｍＷ／ｃｍ²であるように調整される。３．図４で示されているように、信号50は１Ｈｚの反復速度で反復される。波形の単一サイクルは、４ｍｓの継続期間（Ｔ_s＝４ｍｓ）で、５ｋＨｚの正弦波（ｆ_m＝５ｋＨｚ）により変調される１．１ＭＨｚの正弦波の２５反復（Ｎ＝２５）からなり、それぞれのこのような４ｍｓの“オン時間”の後には４ｍｓの信号“オフ時間”（Ｔ_s´＝８ｍｓ）が続く。関連する４ｍｓの“オフ時間”を伴って２５の正弦波的に変調された正弦波パルスのシーケンス全体は２００ｍｓ継続し、その後の時間、信号は８００ｍｓの間オフである。シーケンスは１秒間隔（１Ｈｚ）で反復され、変調指数はａ＝０．３である。この信号は次式により与えられる。ここで、ＫはＩ_SATA＝４５ｍＷ／ｃｍ²であるように調整される。好ましい実施形態の第２の信号を合成するため、前述のQuatech カードが別の装置と関連して使用され、Wavetek 社、San Diego 、Californiaから入手可能な Wavetek Model 番号178 のプログラム可能な波形シンセサイザが好ましい。この場合、Quatech カードは１．１ＭＨｚの搬送波信号を振幅変調するためWavetek 波形シンセサイザーへの入力として変調波形を出力する。拡大したクラスの超音波治療信号は振幅変調されることに加えて周波数変調され、したがって骨組織の非線形伝播特性をさらに利用する。この場合、変調周波数の掃引だけでなく、搬送波周波数は組織の超音波処理におけるいわゆるホットおよびコールドスポットの変化と操作の両者に影響し、エネルギを異なった周波数で骨に伝送する。これらの事柄が考慮され、本発明にしたがった骨組織の処理効率は付加的に増加される。このクラスの波形は次式のように記載されることができる。Ｔ秒毎に反復し、ここで０≦ｔ≦Ｔ_sであり、ここで全てのパラメータは先に限定したものと同一の範囲に含まれ、ｆ_m ^*とｆ_o ^*はそれぞれ変調周波数と搬送波周波数の掃引値の上限を限定しており、ｆ_m≦ｆ_m ^*＜２５ｋＨｚで、ｆ_o≦ｆ_o ^*＜２ＭＨｚである。本発明の目的に対して、このクラスの信号の好ましい実施形態は以下のように特定される超音波波形を含んでおり、ｆ_o ^*＝ｆ_o＝１．１ＭＨｚ、ｆ_m＝５００Ｈｚ、ｆ_m ^*＝２０００Ｈｚである。ここで、ＫはＩ_SATA＝４５ｍＷ／ｃｍ²であるように調整される。前述したことから、本発明にしたがって、前述の特定のパラメータを有する４つのタイプの信号がこの構造で使用されることができる。即ち、 −正弦波変調された正弦波信号、 −掃引正弦波変調された正弦波信号、 −正弦波変調された掃引された正弦波信号、 −掃引正弦波変調された掃引された正弦波信号。本発明の目的に対して、正弦波は単一周波数における正弦波関数または周波数変調を有する正弦波関数、即ち掃引された正弦波を示すために使用されるものと仮定されることができる。ほとんどの場合、これらの信号の変調周波数はゼロ値を想定しないことも認識される。しかしながら、ある具体例では、この値で開始し、またはこの値で終了するか、この値を通過することができる。本発明の主要で重要な利点を以下に要約する。 −骨の成長に関連する主要な生物物理学現象として流体流に依存し、これは超音波信号によりほぼ最適な方法で行われ、 −骨等の多孔性媒体における超音波伝播を特徴とする解析モデルを使用し、それによって実験的観察のみまたは専門的方法を使用した従来技術と比較して、問題の生物物理学パラメータ（即ち流体流）を設け、 −直接流体流に影響を与えるための手段として比較的高い周波数（好ましくは５００Ｈｚよりも大きく２５ｋＨｚよりも小さい）正弦波振幅変調を使用し、 −比較的低い周波数を使用し、非常に減少した信号減衰によってより大きなソフトな組織と骨の浸透性を可能にし、 −反復的な刺激を使用し、生理的負荷をエミュレートし、 −非常に市場で入手可能な素子により装置を構成することができ、 −実際のソフトな組織の厚さを算定するため反射測定を使用し、それによって各患者に対する適切な振幅レベル（即ち量）を調整し、オンラインで患部を検出する。本発明にしたがった方法および装置を詳細に説明したが、本発明の特徴を有する変形および他の実施形態も可能である。特に、全体の価格と複雑さを大きく低下させるように、装置はアナログ素子のみを使用して構成されることができる。したがって前述の説明は、限定ではなく本発明の原理の例示と考慮されるべきものであり、技術的範囲は以下の請求の範囲によって定められる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＥ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】（１）超音波信号を使用して生体内の骨組織を非侵入的に治療処理する方法において、（Ａ）予め選択された周期の治療用の正弦波変調された超音波正弦波信号を生成し、（Ｂ）前記骨組織を覆っているソフトな組織を通して伝送される前記治療用超音波信号に前記骨組織をさらして、それによって前記骨組織に流体流を誘起させる非侵入的な治療処理方法。（２）さらに、（Ｃ）前記治療用信号のパワー強度を予め選択するステップを有する請求項１記載の非侵入的な治療処理方法。（３）前記ステップ（Ｃ）は、前記骨組織を覆っているソフトな組織を通して前記骨組織へ質問音響超音波パルスを送信し、前記骨組織から反射された前期質問信号の一部を受信し、前記反射された部分を使用して前記ソフトな組織の厚さを決定し、前記骨組織に到達する空間的に平均され、時間的に平均されたそのパワー強度が予め決定された値に確実に対応するように前記治療用超音波信号の振幅を調整するサブステップを有している請求項２記載の非侵入的な治療処理方法。（４）前記正弦波変調された超音波正弦波信号が振幅変調され、約２５ｋＨｚ乃至約２ＭＨｚの間の範囲で選択された搬送波周波数と、約２５ｋＨｚまでの範囲で選択された変調周波数と、１０００まで変調指数と、約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓのパルス幅と、約０．２ｍｓ乃至約１．０ｓのサイクル継続期間と、２０乃至１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲である強度（Ｉ_SATA）と、一日に１回乃至３回で、約５分乃至約１時間の露出時間とを有している請求項１記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（５）前記正弦波変調された超音波正弦波信号が振幅変調された信号であり、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、２０ｋＨｚの変調周波数と、０．３の変調指数と、０．５ｍｓのパルス幅と、５ｍｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度を有する請求項４記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（６）前記正弦変調された超音波正弦波信号が振幅変調された信号であり、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、２０ｋＨｚの変調周波数と、０．３の変調指数と、０．１ｍｓのパルス幅と、０．５ｍｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度を有する請求項４記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（７）前記予め選択された周期的の治療用の正弦波変調された超音波正弦波信号が振幅変調された信号であり、約２５ｋＨｚ乃至約２ＭＨｚの間の範囲で選択された搬送波周波数と、約２５ｋＨｚまでの範囲で選択された変調周波数と、１０００まで変調指数と、約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓとの間のパルス幅と、１反復において１つのパルスおよび休止が約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓとの間である継続期間と、１サイクル内で５０００までのパルス反復数と、約０．２ｍｓ乃至約１．０ｓとの間の範囲であるサイクル継続期間と、２０乃至１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲である強度（Ｉ_SATA）と、一日に１回乃至３回で、約５分乃至約１時間の露出時間を含んでいる請求項１記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（８）前記予め選択された周期的な治療用の正弦波変調された超音波正弦波信号が振幅変調された信号であり、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、５ｋＨｚの変調周波数と、０．３の変調指数と、４ｍｓまでのパルス幅と、１反復において１つのパルスおよび休止が８ｍｓである継続期間と、１サイクル内で２５までのパルス反復数と、１ｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度を有する請求項７記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（９）前記予め選択された周期的の治療用正弦波変調された超音波正弦波信号は周波数変調および振幅変調された信号であり、約２５ｋＨｚ乃至約２ＭＨｚの範囲で選択された値と、選択された値と約２ＭＨｚの間の掃引範囲とを有する搬送波周波数と、約２５ｋＨｚまでの範囲で選択された値と、選択された値と約２５ｋＨｚの間の掃引範囲とを有する変調周波数と、１０００までの変調指数と、約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓのパルス幅と、１反復において１つのパルスおよび休止が約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓとの間である継続期間と、１サイクル内で５０００までのパルス反復数と、約０．２ｍｓ乃至約１．０ｓのサイクル継続期間と、２０乃至１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲の強度と、一日に１回乃至３回で、約５分乃至約１時間の露出時間を含んでいる請求項１記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１０）前記予め選択された周期的の治療用正弦波変調された超音波正弦波信号が周波数変調および振幅変調された信号であり、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、５００Ｈｚの変調周波数と、５０Ｈｚ乃至２０００Ｈｚの掃引範囲を有する変調周波数と、１の変調指数と、４ｍｓまでのパルス幅と、１反復においてパルスおよび休止が８ｍｓである継続期間と、１サイクル内で２５までのパルス反復数と、１ｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度を有する請求項９記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１１）前記ソフトな組織の前記厚さが次式により計算され、ｄ_s＝ｖ_sτ／２ここでｄ_sは所望の厚さであり、ｖ_sはソフトな組織内の超音波速度であり、τは、前記音響パルスがソフトな組織を通ってソースから骨組織に伝播し、ソフトな組織を通って戻るまでの往復経過時間である請求項３記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１２）前記初期的な質問音響超音波パルスが１．１ＭＨｚで外因的に制動された正弦波信号であり、継続期間が約２μｓである請求項３記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１３）超音波信号を使用して生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法において、（Ａ）予め選択された周期の治療用超音波正弦波信号を発生し、（Ｂ）以下の方法によって、前記治療用信号のパワー強度を選択し、（Ｂａ）質問超音波パルスを発生し、（Ｂｂ）前記質問超音波パルスを前記骨組織を覆っているソフトな組織を通して伝送し、（Ｂｃ）前記骨組織から反射された前記質問信号の一部を受信し、（Ｂｄ）前記反射された部分を使用して前記ソフトな組織の厚さを決定し、（Ｂｅ）前記骨組織に到達する空間的に平均され、時間的に平均されたそのパワー強度が予め決定された値に確実に対応するように前記治療用超音波信号の振幅を調整し、（Ｃ）前記骨組織を覆っているソフトな組織を通して伝送される前記治療用超音波信号に前記骨組織をさらして、それによって前記骨組織に流体流を誘起させる非侵入的な治療処理方法。（１４）前記予め選択された周期的治療用超音波信号が振幅変調され、約２５ｋＨｚ乃至約２ＭＨｚの搬送波周波数と、約２５ｋＨｚまでの変調周波数と、１０００まで変調指数と、約０．０００１乃至約１の実効デューティサイクルと、２０乃至１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲である強度と、一日１回乃至３回で、約５分乃至約１時間の露出時間とを有する請求項１３記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１５）前記振幅変調された信号が、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、２０ｋＨｚの変調周波数と、０．３の変調指数と、０．５ｍｓのパルス幅と、５ｍｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度とを有する請求項１４記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１６）前記振幅変調された信号が、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、２０ｋＨｚの変調周波数と、０．３の変調指数と、０．１ｍｓのパルス幅と、０．５ｍｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度とを有する請求項１４記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１７）前記振幅変調された信号が、約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓのパルス幅と、１反復において１つのパルスおよび休止が約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓの範囲である継続期間と、１サイクル内で５０００までのパルス反復数と、約０．２ｍｓ乃至約１．０ｓのサイクル継続期間と有する請求項１４記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１８）前記振幅変調された信号が、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、５ｋＨｚの変調周波数と、０．３の変調指数と、４ｍｓのパルス幅と、１反復において１つのパルスおよび休止が約８ｍｓの継続期間と、１サイクル内で２５のパルス反復数と、１ｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度とを有する請求項１７記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（１９）前記予め選択された周期的の治療用超音波信号が周波数変調および振幅変調された信号であり、約２５ｋＨｚ乃至約２ＭＨｚの範囲で選択された値と、選択された値と約２ＭＨｚの掃引範囲とを有する搬送波周波数と、約２５ｋＨｚまでの範囲の選択された値と、選択された値と約２５ｋＨｚの間の掃引範囲とを有する変調周波数と、１０００まで変調指数と、約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓとの間のパルス幅と、１反復において１つのパルスおよび休止が約０．１ｍｓ乃至約１．０ｓとの間である継続期間と、１サイクル内で５０００までのパルス反復数と、約０．２ｍｓ乃至約１．０ｓのサイクル継続期間と、２０乃至１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲である強度と、一日に１回乃至３回で、約５分乃至約１時間の露出時間とを有している請求項１３記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（２０）前記周波数変調および振幅変調された信号が、１．１ＭＨｚの搬送波周波数と、５００Ｈｚの変調周波数および、５００Ｈｚ乃至２０００Ｈｚの前記変調周波数の掃引範囲と、１の変調指数と、４ｍｓまでのパルス幅と、１反復において１つのパルスおよび休止が約８ｍｓの継続期間と、１サイクル内で２５のパルス反復数と、１ｓのサイクル継続期間と、４５ｍＷ／ｃｍ²の強度とを有する請求項１９記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（２１）前記ソフトな組織の前記厚さが次式により計算され、ｄ_s＝ｖ_sτ／２ここでｄ_sは所望の厚さであり、ｖ_sはソフトな組織内の超音波速度であり、τは、前記音響パルスがソフトな組織を通ってソースから骨組織に伝播し、ソフトな組織を通って戻るまでの往復経過時間である請求項１３記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（２２）前記初期的な質問音響超音波パルスが１．１ＭＨｚで外因的に制動された正弦波信号であり、継続期間が約２μｓである請求項１３記載の生体内の骨組織の非侵入的な治療処理方法。（２３）骨組織を覆っているソフトな組織の厚さを決定するための初期的な質問音響超音波信号を発生し、また、前記骨組織へ供給され、超音波領域を約１．１ＭＨｚに選択された周波数を有し、約０Ｈｚ乃至約２５ｋＨｚの範囲の選択された周波数を有する変調正弦波信号で変調された有限の継続期間を有し、実質上１乃至５０００Ｈｚの範囲で反復される正弦波搬送波信号である励起信号を発生する波形シンセサイザーと、前記波形シンセサイザーに接続され、近接する皮膚に音響結合して前記質問信号および前記励起信号を確定された通路に沿って前記骨組織へ伝送するための送信素子と、前記骨組織から反射された前記質問信号の反射された部分を受信する受信素子とを有する超音波トランスデューサと、前記トランスデューサと前記受信素子とに結合され、前記受信された反射信号に応答して前記励起信号を調整するコンピュータとを具備している生体内の骨組織の非侵入的に治療処理装置。