MXPA05013491A - Metodo y dispositivo para tratar osteoartritis, enfermedad, defectos y lesiones del cartilago en la rodilla humana. - Google Patents

Abstract

Un metodo para determinar el voltaje y corriente de salida para la aplicacion de senales electromagneticas y electricas especificas y selectivas para cartilago articular enfermo en el tratamiento de osteoartritis, defectos de cartilagos debido a trauma o danos ocasionados por el deporte, o utilizando como complemento de otras terapias (transplante celular, andamios para ingenieria del tejido fino, factores de crecimiento, etc) para el tratamiento de defectos de cartilago en la articulacion de la rodilla humana y un dispositivo para entregar dichas senales a la rodilla del paciente. Un modelo analitico de la rodilla humana se desarrolla por medio del cual, el volumen del tejido total en la rodilla human puede determinarse por comparacion del volumen del tejido total en el tejido enfermo en el modelo animal utilizando histogramas de campo electrico y densidad de corriente. El voltaje y la corriente de salida utilizados en el modelo animal aumenta basado en la proporcion del volumen del tejido total del tejido enfermo del humano para el volumen del tejido total del tejido enfermo en el modelo animal y el campo resultante se aplica al tejido enfermo del humano utilizando al menos dos electrodos aplicados a la rodilla o un resorte o solenoide ubicado alrededor de la rodilla. El voltaje de la senal aplicada a los electrodos, resorte o solenoide varia basado en el tamano de la articulacion de la rodilla, articulaciones de rodillas mas grandes requieren voltajes mayores para generar el campo electrico efectivo.

Description

MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA TRATAR OSTEOARTRITIS, ENFERMEDAD, DEFECTOS Y LESIONES DEL CARTÍLAGO EN LA RODILLA HUMANA Campo de la Invención La presente invención se dirige al método para determinar el voltaje y corriente de salida requeridos para la aplicación de señales electromagnéticas y eléctricas selectivas y especificas para cartílagos articulares enfermos en el tratamiento de osteoartritis, defectos de cartílagos debido a trauma o daños ocasionados por deportes, o como un complemento con otras terapias (por ejemplo, transplante celular, andamios para ingeniería del tejido fino, factores de crecimiento, etc) para tratar defectos de cartílago en la articulación de la rodilla humana y un dispositivo para entregar dichas señales a la rodilla del paciente.

Antecedente de la Invención Las interacciones y la actividad bioeléctricas que se cree se encuentran en una variedad de tejidos y células biológicas son uno de los procesos fisiológicos menos entendidos.

Sin embargo, ha habido mucha investigación en estas interacciones y actividad con respecto al crecimiento y reparación de ciertos tejidos y células. En particular, ha habido mucha investigación en la estimulación por campos eléctricos y electromagnéticos y su efecto en el crecimiento y reparación del hueso y cartílago. Los investigadores creen que dicha investigación podría ser útil en el desarrollo de nuevos tratamientos para una variedad de problemas médicos.

La osteoartritis, también conocida como una enfermedad degenerativa de la articulación, se caracteriza por degeneración de cartílago articular así como también proliferación y remodelación del hueso subcondral. Los síntomas usuales son anquilosamiento, limitación de movimiento y dolor. La osteoartritis es la forma más común de artritis, y los índices de preponderancia aumentan de manera importante con la edad. Se ha demostrado que los pacientes de mayor edad con osteoartritis auto medicada visitan al médico dos veces tan frecuentemente como sus pares que no están enfermos. Dichos pacientes también tienen mas días de actividad restringida y reposo comparado con otros en su mismo grupo de edad. En un estudio, la mayoría de los pacientes sintomáticos significativamente quedan inmovilizados durante un periodo de 8 anos. Massardo et al., Ann Rheum Dis 48:893-7 (1989) .

Las drogas antiinflamatorias no esteroidales (NSAIDs) mantienen la primaria modalidad de tratamiento para la osteoartritis . No se sabe si la eficacia de las drogas NSAID depende de sus propiedades antiinflamatorias o analgésicas o de sus lentos procesos degenerativos en el cartílago. También hay una preocupación sobre si las drogas NSAID pueden ser perjudiciales para los pacientes. Por ejemplo, las drogas NSAID tienen efectos tóxicos en el estómago, en el tracto gastrointestinal, hígado y riñon bien conocidos. Sin embargo, la aspirina inhibe los procesos de reparación cartilaginosa normal y síntesis del proteoglicano en animales. Un estudio en humanos sugirió que la indometacina podría acelerar la ruptura del cartílago de la cadera. Todos los efectos colaterales aparecen más comúnmente en los pacientes de mayor edad- la población más susceptible de contraer osteoartritis.

En la enfermedad conocida comúnmente como osteoporosis, el hueso se desmineraliza y anormalmente se rarifica. El hueso comprende un componente orgánico de células y matriz, así como también un componente inorgánico o mineral. Las células y matriz comprenden un marco de fibras colagenosas que se impregnan con el componente mineral de fosfato de calcio (85%) y carbonato de calcio (10%) que proporciona rigidez al hueso. Mientras que la osteoporosis es generalmente pensada como una enfermedad que afecta solamente a la gente de avanzada edad , existen ciertos tipos de osteoporosis que pueden afectar personas de todas las edades cuyos huesos no padecen agotamiento funcional. En dichos casos, los pacientes pueden experimentar una importante pérdida de hueso cortical y canceloso durante periodos prolongados de inmovilización. Los pacientes de mayor edad se sabe padecen de pérdida ósea debido al desuso cando permanecen inmovilizados después de una fractura de hueso, que puede en última instancia llevar a una fractura secundaria en un esqueleto ya con osteoporosis. La disminución de la densidad del hueso puede llevar al colapso de la vértebra, fractura de caderas, antebrazos, muñecas, tobillos asi como también a dolores fuertes. Se necesitan para estas enfermedades terapias no quirúrgicas alternativas .

Los campos electromagnéticos pulsados (PEMF) y acoplador capacitivo (CC) han sido ampliamente utilizados para tratar fracturas no curadas y problemas relacionados en la curación de huesos desde que fue aprobado por "Food and Drug Administration" en 1979. La base original para la prueba de esta forma de terapia fue la observación de que el cansancio físico en los huesos provoca la aparición de pequeñas corrientes eléctricas que, junto con la tensión mecánica, se cree son los mecanismos subyacentes de transducción de los cansancios físicos en una señal que promueve la formación ósea. Junto con la estimulación del campo eléctrico directo que fue exitosa en el tratamiento de no unión, las tecnologías no invasivas utilizando PEMF y CC (donde los electrodos se ubican el la piel en la zona de tratamiento) también se descubrió que son efectivas. Los campos electromagnéticos pulsados generan pequeñas corrientes inducidas (corrientes Faraday) en el fluido extracelular altamente conductivo, mientras que CC directamente provoca corrientes en los tejidos; ambos PEMFs y CC de ese modo imitan corrientes eléctricas endógenas.

Las corrientes endógenas, que originalmente se creía se debían a un fenómeno que sucede en una superficie de cristales en el hueso, se ha demostrado que se deben en primer lugar al movimiento de fluidos que contienen electrolitos en canales del hueso que contienen constituyentes orgánicos con cargas negativas fijas, generando lo que se llaman "potenciales de corriente". Los estudios del fenómeno eléctrico en el cartílago han demostrado un mecanismo de transducción mecánico- eléctrica que se parece a los descritos en hueso, apareciendo cuando el cartílago está mecánicamente comprimido, provocando movimiento de fluido y electrolitos sobre la superficie de las cargas negativas fijas en los proteoglicanos y colágeno en la matriz del cartílago. Estos potenciales de corriente aparentemente tienen un propósito en el cartílago similar a aquel del hueso, y, junto con una tensión mecánica, conducen a una transducción de señal que es capaz de estimular la síntesis de condrocitos de los componentes de la matriz .

La principal aplicación de la corriente directa, CC y PEMFs ha sido en ortopedia en la curación de fracturas de hueso de no unión (Brighton et al., J. Bone Joint Surg., G3: 2-13, 1981; Brighton and Pollack, J. Bone Joint Surg., 67: 577-585, 1985; Bassett et al., Crit. Rev. Biomed. Eng., 17: 451-529, 1989; Bassett et al., JAMA 247: 623-628, 1982. Las respuestas clínicas han sido informadas en necrosis avascular de caderas en adultos y el mal de Legg- Perthes en niños. Bassett et al., Clin. Orthop. 246: 172-176, 1989; Aaron et al., Clin. Orthop. 249: 209-218, 1989; Harrison et al . , J. Pediatr. Orthop. 4: 579-584, 1984. También se ha demostrado que PEMFs (Mooney, Spine, 15:708-712, 1990) y CC (Good in, Brighton et al., Spine, 24: 1349-1356, 1999) pueden significativamente aumentar el promedio de éxito de las fusiones lumbares. También hay informes de aumento de regeneración de nervio periférico y de función y promoción de angiogenesis . Bassett, Bioessays 6:36-42, 1987. Los pacientes con tendonitis persistente resistente a la inyección de esferoides y otras medidas convencionales, mostraron beneficios importantes en comparación con los pacientes tratados con placebo. Binder et al., Lancet 695-698, 1984. Finalmente, Brighton et al. ha mostrado en ratas la capacidad de un adecuado campo eléctrico de acoplador capacitivo para evitar y revertir la osteoporosis vertebral en la espina lumbar (Brighton et al., J. Orthop. Res. 6: 676-684, 1988; Brighton et al., J. Bone Joint Surg. , 71: 228-236, 1989) .

Más recientemente, la investigación en este tema se ha enfocado a los efectos de estimulación que tiene en los tejidos y células. Por ejemplo, se ha conjeturado que las corrientes directas no penetran las membranas celulares y que el control se logra mediante la diferenciación de matriz extracelular (Grodzínsky, Crit. Rev. Biomed. Eng. 9:133, 1983). En contraste con las corrientes directas, se ha informado que PEMF pueden penetrar en las membranas celulares y estimularlas o directamente afectar organelos intracelulares . Un examen de este efecto de PEMFs en las matrices extracelulares y osificación endocondral mostraron síntesis aumentada de moléculas de cartílago y maduración de trabecula ósea (Aaron et al., J. Bone iner. Res. 4: 227-233, 1989). Más recientemente, Lorich, Brighton et al. informó (Clin. Orthop. Related Res. 350: 246-256, 1998) que la transducción de señal eléctrica CC se realiza mediante canales de calcio que llevan a un aumento de calcio citosólico con un subsiguiente aumento en calmodulin activado (citoesqueletal) Se ha realizado profunda investigación para estudiar el tejido para entender los mecanismos de respuesta. En un estudio, se descubrió que los campos eléctricos aumentaron la incorporación de [3H] -timidina en el ADN de condrocitos, respaldando la idea de que flujos Na+ y Ca2+ generados por estimulación eléctrica provocan la síntesis de ADN (Rodan et al., Science 199: 690-692, 1978). Estudios han descubierto los cambios en el segundo mensajero, cAMP, y las redisposiciones citoesqueletales debido a perturbaciones eléctricas (Ryaby et al., Trans. BRAGS 6: 1986; Jones et al., Trans . BRAGS 6: 51, 1986; Brighton and Townsend, J. Orthop. Res. 6: 552-558, 1988). Otros estudios han descubierto efectos en glicosaminoglicano, sulfatación, ácido hialurónico, actividad de lisozima, y secuencias de polipéptidos (Norton et al., J. Orthop. Res. 6: 685-689, 1988; Goodman et al., Proc. Natn. Acad. Sci. USA 85: 3928-3932 1988) .

En 1996 el presente inventor informó que una tensión mecánica 0,17% biaxial cíclica produce un importante aumento en TGF-ß? mARN en células óseas MC3T3 El en cultivo (Brighton et al., Biochem. Biophys .. Res. Commun. 229: 449-453, 1996). Muchos estudios importantes se hicieron en 1997. En un estudio se informó que la misma tensión mecánica 0,17% biaxial cíclica produce un importante aumento en PDGF-A mARN en similares células óseas (Brighton et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 43: 339-346, 1997) . También se informó que un campo eléctrico acoplador capacitivo de 60 kHz de 20 mV/cm produjo un importante aumento en TGF-ß! en similares células óseas (Brighton et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 237: 225-229, 1997). Sin embargo, el efecto que dicho campo podría tener en otros genes no ha sido informado en la literatura.

En la anteriormente referida solicitud de patente, titulada "Regulación de Genes mediante aplicación de Señales electromagnéticas y eléctricas específicas y selectivas" se revelaron métodos para determinar las señales electromagnéticas y eléctricas selectivas y específicas para el uso al crear campos selectivos y específicos para regular genes objetivo de tejidos enfermos o lastimados. La presente invención se construye con la técnica descrita describiendo así el método para determinar el voltaje y corriente de salida requeridos y el correspondiente aparato para entregar señales electromagnéticas y eléctricas selectivas y específicas a las articulaciones de la rodilla humana dañadas con osteoartritis y defectos, daños y enfermedades del cartílago.

Extracto de la Invención La presente invención se relaciona con tratamiento de osteoartritis y otras enfermedades, defectos y daños del cartílago en la articulación de la rodilla humana mediante la aplicación de campos selectivos y específicos generados por señales electromagnéticas y/o eléctricas selectivas y específicas. La invención incluye un método para determinar el voltaje y corriente de la señal para aplicar a los electrodos o dispositivos aplicados a la rodilla para el tratamiento.

Mas particularmente, la invención se relaciona con un método para tratar tejido enfermo en el humano a través de la aplicación de campo electromagnético o eléctrico específico y selectivo al tejido enfermo en un humano, incluyendo osteoartritis y otras enfermedades, defectos y daños del cartílago en la rodilla. El método incluye los pasos de determinar el voltaje y corriente de salida que proporciona el tratamiento del tejido enfermo en un modelo animal correspondiente con el tejido enfermo del humano, determinando las dimensiones anatómicas y el volumen del tejido total del tejido enfermo en el modelo animal, determinando las dimensiones anatómicas del volumen de tejido total del tejido enfermo del humano, escalando el voltaje y corriente de salida utilizados en el modelo animal basado en las dimensiones anatómicas comparativas y el volumen de tejido total del tejido enfermo del humano para el volumen del tejido total del tejido enfermo en el modelo animal, y aplicando el voltaje y la corriente pulsados para el tejido enfermo del humano.

Para determinar los factores de volumen de tejido y anatómicos de la rodilla del humano, se desarrollo un modelo analítico de la rodilla del humano, que explica las contribuciones del volumen del tejido total mediante los diferentes componentes de la articulación de la rodilla. Las conductividades de los tejidos entre electrodos aplicados a la rodilla, la amplitud del campo eléctrico para el hueso, cartílago, médula, músculo y grasa en la rodilla, la amplitud de la densidad de corriente para el hueso cartílago, médula ósea, músculo y grasa en la rodilla, la amplitud del campo eléctrico para diferente grosor del cartílago articular de la rodilla de diferentes tamaños, la amplitud del campo eléctrico sin grasa subcutánea en la rodilla, la amplitud de la densidad de corriente con y sin grasa subcutánea en la rodilla, la amplitud del campo eléctrico y la densidad de corriente para al menos dos posiciones longitudinales de los electrodos en relación con la rodilla, y las variaciones de al menos dos señales de conducción efectivas aplicadas al organismo desde un generador de señal externo se determinan mediante el campo eléctrico derivado y/o histogramas de densidad de corriente para una determinación de señales de corriente y voltaje para aplicar a la rodilla para crear el deseado campo terapéutico.

Se entiende que un simple valor de voltaje aplicado, en una frecuencia particular, a través de la estructura anatómica, como por ejemplo, la rodilla, proporciona un promedio de valores de campo eléctrico y densidad de corriente en cada compartimiento de tejido. Esto resulta desde la complejidad espacial de los compartimientos anatómicos en las estructuras y sus diferentes propiedades. De tal manera, los histogramas derivados por los análisis presentan el porcentaje del volumen del tejido para el cual el campo eléctrico o la densidad de corriente tiene un valor especifico como una función del ámbito del campo eléctrico y los valores de la densidad de corriente. Por ejemplo, la aplicación de un voltaje de valor de seno de 0,25 V amplitud en 60 kHz resulta en un pico de valores en el sinovio del cartílago, de la amplitud del campo eléctrico de aproximadamente 8 mV/cm a 200 mV/cm en una rodilla del tamaño de la rodilla de un conejo mientras que en una rodilla de humano una amplitud de voltaje de 5 V a 60 kHz sería requerida para lograr el promedio aproximado de los valores pico. El promedio de valores de la amplitud del campo eléctrico en el tejido tratado es un parámetro de dosis importante en esta invención.

El promedio de los valores obtenidos desde el modelo analítico debe cubrir los valores obtenidos desde estudios detallados de respuestas celulares para estimular campos eléctricos. Uno además mide la respuesta de dosis del campo eléctrico de las células tomadas desde el tejido objetivo para determinar las amplitudes del campo que son más efectivas. Así, desde los histogramas mostrados, uno determina la corriente y voltaje externos, primero en modelos animales, y luego en humanos, para cubrir estos parámetros eléctricos efectivos en el tejido para curarlos. En el ejemplo establecido aquí, una frecuencia de 60 kHz para la señal aplicada se utiliza para obtener valores numéricos específicos. De tal manera, los valores de impedancia de todos los compartimientos de tejidos se tomaron en una frecuencia de 60 kHz. Un experto en la materia podría realizar el mismo análisis en otras frecuencias, ajustar las impedancias del tejido a sus valores en la nueva frecuencia y obtener valores diferentes para los promedios del campo eléctrico y la densidad de corriente en cualquier frecuencia elegida o conjunto de frecuencias.

La invención además incluye un método y un dispositivo para tratar el tejido enfermo (como por ejemplo, con osteoartritis) , con defectos o daños en la articulación de la rodilla humana a través de la aplicación de un campo electromagnético o eléctrico sensitivo y especifico en la articulación de la rodilla humana. Este dispositivo de acuerdo con una incorporación de acoplador capacitivo de la invención incluye al menos dos electrodos adaptados para la aplicación en la proximidad de la articulación de la rodilla del paciente y un generador de señal que genera las señales eléctricas para la aplicación de electrodos para producir un campo eléctrico de amplitud aproximadamente 8 mV/cm a 360 mV/cm y una densidad de corriente desde aproximadamente 8 µ?/cm2 a 300 µ?/cm2 en sinovio de cartílago articular de la articulación de la rodilla del paciente. Una incorporación de acoplador capacitivo de la invención incluye un resorte adaptado y configurado para recibir las señales eléctricas para producir estos campos eléctricos. Preferentemente, el generador de señal proporciona uno de una pluralidad de señales eléctricas de salida con un voltaje seleccionado por un usuario de acuerdo con el tamaño de la articulación de la rodilla humana. Articulaciones de rodillas mas grandes reciben voltajes más grandes.

Estos y otros aspectos de la presente invención serán aclarados en la descripción detallada de la invención.

Breve descripción de las Figuras La presente invención será evidente desde la descripción detallada de la invención tomada en conjunto con las figuras que acompañan, de las cuales; La Figura 1 ilustra una articulación de rodilla humana con electrodos aplicados utilizados para el tratamiento de osteoartritis, defectos de cartílago, o de acuerdo con la invención.

La Figura 2 ilustra una vista frontal de un modelo analítico de la articulación de la rodilla humana de la Figura 1 para el uso al calcular requisitos de voltaje y corrientes para el tratamiento de osteoartritis de acuerdo con la invención.

La Figura 3 ilustra una vista transversal de un modelo analítico de la articulación de la rodilla humana de la Figura 1 para su uso al calcular requisitos de voltaje y corrientes para el tratamiento de osteoartritis de acuerdo con la invención.

La Figura 4 ilustra histogramas del campo eléctrico trazando el porcentaje del volumen de tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico para cada uno de los tejidos.

La Figura 5 ilustra histogramas de densidad de corriente trazando el porcentaje del volumen de tejido total como una función de la densidad de corriente para cada uno de los tejidos.

La Figura 6 ilustra histogramas del campo eléctrico que traza el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico para tres valores del ancho de espacio del compartimiento fluido de sinovio de cartílago.

La Figura 7 ilustra histogramas del campo eléctrico que muestran que a medida que aumenta el tamaño de la rodilla desde el tamaño de la rodilla del conejo al tamaño de la rodilla del humano, el campo eléctrico en el compartimiento fluido de sinovio de cartílago disminuye.

La Figura 8 ilustra histogramas del campo eléctrico para modelo analítico de la rodilla humana con o sin grasa subcutánea.

La Figura 9 ilustra histogramas de densidad de corriente para modelo analítico de la rodilla humana con o sin grasa subcutánea.

La Figura 10 ilustra histogramas del campo eléctrico para cuatro posiciones longitudinales de los electrodos en relación con la zona del cartílago en el modelo analítico de la rodilla humana.

La Figura 11 ilustra histogramas de densidad de corriente para cuatro posiciones longitudinales de los electrodos en relación con la zona del cartílago en el modelo analítico de la rodilla humana .

La Figura 12 ilustra histogramas del campo eléctrico para modelos anatómicos de la osteotomía fibular del conejo y la no unión tibial humana para las señales de conducción efectivas.

La Figura 13 ilustra histogramas de densidad de corriente para modelos anatómicos de la osteotomía fibular del conejo y la no unión tibial humana para la conducción de señales efectiva.

La Figura 14 ilustra la articulación de la rodilla humana con resortes aplicados para el tratamiento de osteoartritis, defectos del cartílago debido a trauma o daños ocasionados por deportes, o utilizados como complemento de otras terapias (transplante celular, andamios para ingeniería del tejido fino, factores de crecimiento, etc) en el tratamiento de defectos en cartílagos utilizando acoplador capacitivo.

La Figura 15 ilustra un resorte de N vueltas totales de alambre de radio a y longitud 1 utilizado al determinar las dimensiones y números de vueltas de alambre requerido para realizar un alambre que produzca el deseado campo eléctrico en el cartílago articular cuando se utiliza acoplador capacitivo.

La Figura 16 ilustra una vista transversal a través de un resorte en relación con la zona de articulación de la rodilla a lo largo del eje en el cual se calcula el flujo magnético.

Descripción Detallada de las Incorporaciones Preferidas de la Invención La invención será descrita en detalle a continuación con referencia a las Figuras 1-16. Los expertos en la materia apreciarán que la descripción aqui proporcionada con respecto a aquellas figuras se da con propósitos de ejemplificación solamente y no pretende de ninguna manera limitar el alcance de esta invención. Todas las preguntas con respecto al alcance de la invención pueden ser resueltas refiriéndose a las reivindicaciones adjuntas.

Definiciones : Como se utiliza en la presente, la frase "señal" se utiliza para referirse a una variedad de señales incluyendo señales mecánicas, señales ultrasonido, señales electromagnéticas y señales eléctricas de salida por un dispositivo.

Como se utiliza en la presente, el término "campo" se refiere a un campo eléctrico en el tejido objetivo, ya sea un campo combinado o un campo electromagnético aumentado o generado por una corriente directa, o acoplador capacitivo.

Descripción de las Incorporaciones Ilustradas : Estudios previos realizados por los inventores han demostrado que un campo de acoplador capacitivo significativamente aumentó la proliferación del crecimiento de células óseas en cultivo (Brighton, Pollack, et al., J. Orthop. Res. 3: 331-340, 1985) y significativamente aumentó el promedio de curación en un peroné fracturado de una rata modelo (Brighton, Pollack, et al., Clin. Orthop. Related Res. 285: 255-262, 1992). Además, las distribuciones del campo en los cuerpos vertebrales de las ratas durante la estimulación eléctrica de acoplador capacitivo han sido determinadas (Cárter, Vresilovic, Pollack, and Brighton, IEEE Trans . Biomed. Eng. 36(-3): 333-334, 1989). Para determinar el voltaje de salida requerido y la corriente requerida para producir un campo eléctrico equivalente y una densidad de corriente en la rodilla humana como se descubrió en los estudios de célula ósea y peroné del conejo, el modelo analítico ilustrado en las Figuras 2 y 3 se desarrolló de acuerdo con la invención para representar la articulación de la rodilla humana típica ilustrada en la Figura 1.

Como se muestra en la Figura 1, la articulación de la rodilla humana típica incluye un compartimiento relleno con fluido sinovial que se encuentra delimitado por el cartílago articular en los extremo del fémur y tibia, respectivamente, y cápsulas fibrosas. De acuerdo con la invención, la osteoartritis en la articulación de la rodilla es tratada con la aplicación de campos eléctricos selectivos y específicos mediante electrodos flexibles unidos en relación con la articulación de la rodilla sustancialmente como se muestra en la Figura 1. ün generador de señal proporciona las señales adecuadas para los electrodos para generar los campos eléctricos selectivos y específicos. El campo eléctrico selectivo y específico necesario para tratar osteoartritis en la articulación de la rodilla se calcula de acuerdo con la invención utilizando el modelo analítico de la articulación de la rodilla ilustrado en las Figuras 2 y 3.

En el modelo analítico de las Figuras 2 y 3, los siguientes elementos se identifican como se indica: electrodos 1, piel 2, músculo 3, hueso 4, y compartimiento fluido de sinovio de cartílago 5. Al llegar al modelo analítico, las siguientes suposiciones se realizaron con respecto a los tamaños de los elementos: ancho fenaoral= 76,5 mm; ancho tibial = 101,5 mm; y distancia de interelectrodo = 108 mm. La cantidad específica de las propiedades eléctricas de los ligamentos no fue incluida- en cambio, el espacio que no sea entre cartílago y hueso se consideró que tiene las mismas propiedades eléctricas que el músculo y la médula. Además, las conductividades de los tejidos en el estudio se midieron de la siguiente manera: Material Conductividad compleja (S/m) at 60 kHz Músculo Paralelo a fibras 7,0 x 10"1 Perpendicular 2,0 x 10"1 fibras Médula 2,0 x 10"1 Corteza ósea 1,0 x 10"2 Cartílago 8,9 x 10"2 Grasa subcutánea 2,0 x 10"1 Area/ acceso (S/cm2) a 60 kHz Interfaz electrodo dermal 3,0 x 10"3 Como se explicará más abajo, el compartimiento fluido de sinovio de cartílago 5 se computó para tres tamaños: 0,3 cm, 2,3 cm y 4,3 cm, y el potencial de electrodo aplicado (potencial entre los dos electrodos) se tomó como 1,0 V.

Los resultados aproximados para el modelo analítico de la rodilla humana para un voltaje aplicado de 1,0 V pico -a pico a 60 kHz se proporcionan mas abajo para varios parámetros como una función del campo eléctrico y de la densidad de corriente.

Como se muestra en la Figura 4, el campo eléctrico en el compartimiento sinovio del cartílago 5 no es uniforme en valor sobre el volumen total del compartimiento. Esto también es verdadero para todos los compartimientos y refleja la compleja simetría para el modelo analítico. Además, como se muestra en la figura 5, la densidad de corriente en el compartimiento 5 no es uniforme sobre el volumen del compartimiento. Esto también es verdadero para todos los compartimientos y refleja la compleja simetría en el modelo analítico.

Como se muestra en la Figura 6, a medida que el grosor del compartimiento 5 aumenta, el campo eléctrico en el compartimiento 5 aumenta y se hace más uniforme.

Como se muestra en la Figura 7, a medida que el tamaño de la rodilla aumentó desde una rodilla de conejo hasta llegar al tamaño de la rodilla humana, el campo eléctrico en el compartimiento 5 disminuye. En general, el aumento o disminución el diámetro de la rodilla se descubrió que cambia toda la distribución del campo mediante la reciprocidad de la distancia entre los dos electrodos. En otras palabras, cuando más grande es el diámetro de la rodilla, más grande es el campo eléctrico par aun voltaje aplicado fijo. la cantidad de grasa subcutánea también se descubrió que tiene un pequeño efecto en el campo y la densidad de corriente. La grasa subcutánea tiene menor conductividad que el músculo y, además, el campo eléctrico (Figura 8) y la densidad de corriente (Figura 9) levemente disminuyen, pero no es fundamental en la mayoría de los casos de la rodilla.

Finalmente, se ha descubierto que el efecto de una alineación inadecuada de los electrodos 1 ubicados en la rodilla en relación con el compartimiento 5 no es critica. Se consideraron 4 casos: 1) espacio medio (medio del compartimiento 5); 2) medio diámetro debajo del espacio; 3) diámetro debajo del especio; y 4) 2 diámetros debajo del espacio. Los resultados para el campo eléctrico se mostraron en la Figura 10 y para la densidad de corriente se mostraron en la Figura 11. Asi, la alineación de electrodos no es un factor critico en este modelo.

Un trabajo anterior de los inventores sobre la estimulación de la cura de fracturas con acoplador capacitivo llevaron a la siguiente comprensión del campo y los niveles de corriente como un progreso que se realizó desde estudios de células óseas para estudios de animales para estudios de humanos: Resultados de Célula (in Efecto máximo en 20 mV/cm densidad vitro) : de corriente del campo eléctrico de 200 µ?/cm2. Resultados en Animal Voltaje de salida de 0,25 Vp-P (conejo) : para el dispositivo con electrodos Cura exitosa de callo de en la rodilla del conejo. Promedio fractura aproximado de pico del campo eléctrico de 8-200 mV/cm callo de fractura. Promedio aproximado de densidad de corriente eléctrica pico 8-195 µ?/cm2 en la callosidad de fractura. Resultados en humano (no Voltaje de salida de 5 Vp-P para unión) : el dispositivo con electrodos en Cura exitosa de fractura de la piel. Promedio aproximado de no unión pico del campo eléctrico de 8-360 mV/cm. Densidad de corriente eléctrica de 8-300 µ?/cm2.

Esto se muestra en las Figuras 12 y 13 en las cuales los modelos anatómicos de ambos, modelo de fractura de peroné del conejo y modelo de no unión en humano se comparan. Se ve que las mismas condiciones de estimulación eléctrica exitosa se logran en el nivel del tejido mediante aumento del dispositivo de voltaje aplicado externamente para el tratamiento de acuerdo con los volúmenes de tejidos relativos entre el modelo animal y el modelo humano .

Como resultado de estas comparaciones anteriores, los presentes inventores han determinado que se desean los siguientes promedios efectivos terapéuticos del campo (E) y la densidad de corriente en el callo (Véase Figura 12: callo) y para estudios in vitro de las células óseas (Brighton, Pollack, et al., Clin. Orthop. Related Res., 285: 255- 262, 1992).

(J) Callo humano/ animal Células óseas E 8 mV/cm a 180 mV/cm 20 mV/cm J 8 µ?/cm2 a 180 200 µ?/cm2 µ?/cm2 Estos alcances animal/ humano de la amplitud del campo eléctrico tienen en cuenta un importante factor. Este es que sus limites extremos deben abarcar los resultados obtenidos desde los estudios de células óseas donde los factores geométricos permitieron determinaciones de campo más exactas. De esta manera, regiones del tejido animal / humano tienen ciclos a través del alcance terapéutico efectivo del campo eléctrico y la densidad de corriente mientras que el voltaje aplicado sinusoidal tiene su ciclo a través de la onda de seno.

Dado que los resultados de la célula del cartílago in vitro también ocurrieron en un campo efectivo de 20 mV/cm, y dado que la circunferencia medida de la articulación de la rodilla humana es aproximadamente la misma que el diámetro medido de la región media de la pantorrilla en un paciente dado, entonces el mismo factor de escala de 5, utilizado en el modelo de fractura de tibia (Figura 12) se aplica al modelo analítico de articulación de la rodilla humana de la Figura 2 donde el callo se reemplaza por la membrana sinovial y el cartílago articular.

De esta manera, si la circunferencia de una rodilla humana dada es = 15,7 pulgadas, entonces el diámetro es = a 5 pulgadas. Esto se descubrió ser el medio más común de circunferencia de rodilla medida en pacientes con osteoartritis . ün voltaje de salida de 5 vp-p deberla producir el anteriormente mencionado campo E y la densidad de corriente en el compartimiento 5 de articulación de rodilla de tamaño promedio. Un diámetro de articulación de rodilla menor, como por ejemplo de 4,6 pulgadas, requerirla menor voltaje de salida (4,6 vp_p)y un diámetro muy grande de articulación de rodilla, por ejemplo, 7,6 pulgadas, requerirla mayor voltaje de salida (7,6 vp_p) . De esta manera, un voltaje de salida de 4,6 vp_p a 7,6 vp_p cubriría el promedio de tamaño de rodillas medidos hasta la fecha para producir el deseado campo E terapéutico y la densidad de corriente en el compartimiento 5 de las rodillas como se describe anteriormente. Las variaciones de ±10% en el voltaje aplicado se toleran a causa de la distribución de valores E y J resultantes de la complejidad anatómica.

De esta manera, de acuerdo con la invención, el tamaño aproximado ( y por ende, el diámetro aproximado) de la rodilla del paciente se determina, y se genera una señal y se aplica a los electrodos que generarán el deseado campo eléctrico en un promedio de 8 mV/cm a 360 mV/cm y una densidad de corriente de 8 µ?/cm2 a 300 µ?/cm2 para el tratamiento de osteoartritis en la rodilla, por ejemplo. Preferentemente, el generador de señal incluye un control de selección (Figura 1) que permite que el operador seleccione la salida adecuada basado en el tamaño de rodilla del paciente.

Además, de acuerdo con la invención, el campo eléctrico adecuado puede ser entregado a un cartílago articular enfermo o dañado utilizando un dispositivo de acoplador capacitivo del tipo mostrado en la Figura 14. Para calcular el campo eléctrico generado por el resorte en la Figura 14, imaginamos una banda elástica que contiene el resorte de N vueltas que se colocan sobre la rodilla y centran. Un dispositivo a batería se une al resorte de manera tal que una corriente que varía fluye a través de dicho resorte. Esta corriente produce un flujo magnético que en cambio produce un campo eléctrico que varía con el tiempo. Se entiende que la amplitud de corriente, frecuencia, ciclo de trabajo y formas de onda pueden controlarse desde el abastecimiento de energía como para producir un valor terapéutico para el campo E. Ahora calculamos las combinaciones que realizarán.

Los diagramas esquemáticos que muestran un resorte vueltas totales de alambre y una sección opuesta a través del resorte se muestran en las Figuras 15 y 16. respectivamente. Los ángulos ?? y ?2 son aquellos entre el punto sobre el eje X en los cuales el flujo magnético se calcula y los extremos de resorte en las direcciones +Z y -Z. Para tamaños arbitrarios, el flujo se proporciona mediante la siguiente ecuación: donde sin ?? y I es la corriente en el resorte, 1 es la longitud de resorte y µ0 es la permeabilidad magnética del aire (y tejido) . En la región central del resorte, el campo de un solenoide es un poco uniforme, asi se puede seleccionar los valores de li y 1 de manera tal que sean iguales. Dado que sin9i es un número negativo porque li es negativo en el eje Z, sin ?2 - sin ?? = 2sin ?2 si li = 12.

Por lo tanto la Ecuación (1) es: La corriente, I es una corriente variable de sinusoidal y puede escribirse como: (3) I = lo - eifflt donde lo es la amplitud de la corriente sinusoidal, ? es 2p veces la frecuencia (que será de 60 kHz, y i es el número imaginario ?- Esta notación equivale a lo siguiente: 14 ) I = I0 sin ffit Por lo tanto la Ecuación (2) es: De las ecuaciones de Maxwell, obtenemos una expresión para las amplitudes del campo eléctrico asociado con el flujo magnético variable con el tiempo. Debería notarse que el flujo magnético es paralelo al eje largo de la pierna y es por lo tanto perpendicular a los planos del cartílago en la rodilla. El campo eléctrico, sin embargo, está en los planos del cartílago, es circular en dirección, y variará en amplitud con radio de manera tal que el centro geométrico del rodilla, la amplitud del campo eléctrico será cero y aumentará en amplitud en una dependencia lineal en el radio. teoría dice que donde |E| es amplitud del campo eléctrico, dB/dt es el derivado de tiempo de la Ecuación (5), y r es la distancia desde el centro geométrico de la articulación de la rodilla hasta un radio arbitrario, r. Ubicar la Ecuación (5) en la ecuación (6) y realizar diferenciación proporciona: (7) donde eos ? indica que el campo eléctrico es 90° fuera de la fase con el flujo magnético.

Si insertamos los valores de todos los parámetros en la Ecuación (7), a saber 6,35 x 10"2metros 6,35 x l(T2metros 6,35 x 10"7metros = 3x 103 cambios I0= 100 itiA 6,35 x 10~2metros n x 60 x 10~31 /sec obtenemos donde |E|Max es la amplitud en el radio máximo de la rodilla, a saber 6, 35 x 10-2 metros.

Por lo tanto, por cualquier ciclo dado, el centro del rodilla tiene campo magnético cero, mientras que en el radio extremo, el campo tiene ciclos de 0 a 315 mV/cm. Para 90% del área de la región del cartílago sinovial para lograr fuerza del campo eléctrico de 20 mV/cm, el máximo campo en la periferia de la articulación de la rodilla debe ser 65 mV/cm. Esto significa que el número de cambios (N) en el transductor puede reducirse de 3000 a (65/315) x 3000 = 620.

Aunque las implementaciones de la invención se ha descrito en detalle anteriormente, los expertos en la materia fácilmente apreciarán que muchas modificaciones adicionales son posibles sin materialmente alejarse de las ventajas y enseñanzas novedosas de la invención. Se pretende incluir cualquiera de estas modificaciones dentro del alcance de la invención con se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (28)

REIVINDICACIONES

1. Un método para tratar un tejido enfermo en un humano a través de la aplicación de un campo eléctrico y electromagnético especifico y selectivo para el tejido enfermo en el humano, que comprende los siguientes pasos: a. determinar el voltaje y corriente de salida que proporciona el tratamiento del tejido enfermo en un modelo animal que corresponde con el tejido enfermo del humano; b. determinar el volumen del tejido total del tejido enfermo en el modelo animal; c. determinar el volumen del tejido total del tejido enfermo del humano; d. escalar el voltaje y corriente de salida utilizado en el modelo animal en un tamaño anatómico y la proporción del volumen del tejido total del tejido enfermo del humano para el tamaño anatómico y el volumen de tejido total del tejido enfermo en el modelo animal; y e. aplicar el voltaje y corriente aumentado para el tejido enfermo del humano.

2. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de aplicar voltaje y corriente pulsados comprende el paso de aplicar la corriente y voltaje pulsados al humano utilizando dos electrodos en el caso de combinación de capacidad.

3. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de aplicar voltaje y corriente pulsados comprende el paso de aplicar la corriente y voltaje pulsados al humano utilizando solenoide o resorte en el caso de acoplador inductivo.

4. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de utilizar un modelo analítico de la rodilla humana.

5. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el potencial de electrodo aplicado para compartimientos sinoviales y de cartílago de dos o mas tamaños utilizando conductividades de los tejidos entre al menos dos electrodos .

6. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico, cartílago, médula, músculo y grasa en la rodilla del paciente utilizando histogramas del campo eléctricos.

7. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico, cartílago, médula, músculo y grasa en la rodilla del paciente utilizando histogramas de densidad de corriente.

8. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico para el grosor diferente del cartílago articular en la rodilla utilizando histogramas del campo eléctrico.

9. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico para rodillas de diferente tamaño utilizando histogramas del campo eléctrico.

10. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico sin grasa subcutánea en la rodilla del paciente utilizando histogramas del campo eléctrico.

11. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico con o sin grasa subcutánea en la rodilla del paciente utilizando histogramas de densidad de corriente.

12. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la amplitud del campo eléctrico para al menos dos posiciones longitudinales de los electrodos en relación con la rodilla del paciente utilizando histogramas del campo eléctrico.

13. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de la densidad de corriente para al menos dos posiciones longitudinales de electrodos en relación con la rodilla de un paciente utilizando histogramas de densidad de corriente.

14. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de al menos dos señales de conducción efectivas aplicados al organismo de un generador de señal externo utilizando histogramas de campo eléctricos.

15. El método de la reivindicación 1 caracterizado porque el paso de determinar el volumen del tejido humano comprende el paso de determinar el porcentaje del volumen del tejido total como una función de al menos dos señales de conducción efectivas aplicados al organismo de un generador de señal externo utilizando histogramas de densidad de corriente.

16. Un dispositivo para tratar tejido enfermo en una articulación de rodilla humana a través de la aplicación de un campo electromagnético y eléctrico selectivo y especifico para el tejido lastimado o enfermo en la articulación de la rodilla humana, que comprende: a. uno de (a) al menos dos electrodos, en el caso de acoplador capacitivo, adaptada para la aplicación en la proximidad de la articulación del paciente; y (b) un solenoide o al menos un resorte, en el caso de acoplador capacitivo, adaptado para la aplicación en la proximidad de una articulación de rodilla de paciente; b. un generador de señal que genera señales eléctricas para la aplicación a los electrodos, el solenoide o al menos un resorte para producir un alcance de campo eléctrico de aproximadamente 8mV/cm a 360 mV/cm y un alcance de densidad de corriente de aproximadamente 8 a 300 en el sinovio de cartílago articular de la articulación de la rodilla del paciente.

17. Un dispositivo para tratar osteoartritis, defectos de cartílago debido a trauma o daños ocasionados por deportes, o utilizado como suplemento de otras terapias para el tratamiento de defecto de cartílagos en la rodilla humana a través de la aplicación de un campo electromagnético o eléctrico selectivo o específico al tejido dañado en la articulación de la rodilla humana que comprende : - uno de (a) al menos dos electrodos y (b) un solenoide o al menos un resorte adaptado para la aplicación en la proximidad de una articulación de rodilla del paciente; - un generador de señal que genera señales eléctricas para la aplicación a los electrodos, el solenoide o al menos un resorte de manera que produzca un alcance de campo eléctrico de aproximadamente 8 mV/cm a 360 mV/cm y una densidad de corriente de aproximadamente 8 µ?/cm2 a 300 µ?/cm2 en el cartílago articular de la rodilla del paciente.

18. Un dispositivo como en la reivindicación 17 caracterizado porque el generador de señal proporciona una pluralidad de señales eléctricas de salida con un voltaje seleccionado por un usuario de acuerdo con el tamaño de la articulación de la rodilla human .

19. Un dispositivo como en la reivindicación 18, caracterizado porque una de las señales eléctricas de salida del generador de señal para una frecuencia de 60 kHz tiene un voltaje de aproximadamente 4,6 Vp_p ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño pequeño.

20. Un dispositivo como en la reivindicación 18, caracterizado porque una de las señales eléctricas de salida del generador de señal para una frecuencia de 60 kHz tiene un voltaje de aproximadamente 5,0 Vp-P ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño pequeño.

21. Un dispositivo como en la reivindicación 18, caracterizado porque una de las señales eléctricas de salida del generador de señal para una frecuencia de 60 kHz tiene un voltaje de aproximadamente 5,6 Vp-P ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño grande .

22. Un dispositivo como en la reivindicación 18, caracterizado porque una de las señales eléctricas de salida del generador de señal para una frecuencia de 60 kHz tiene un voltaje de aproximadamente 7,6 Vp-P ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño extra grande .

23. Un método para tratar osteoartritis , defectos de cartílago debido a trauma o daños ocasionados por deportes, o utilizado como suplemento de otras terapias para el tratamiento de defecto de cartílagos en la rodilla humana a través de la aplicación de un campo electromagnético o eléctrico selectivo o específico al tejido dañado en la articulación de la rodilla humana que comprende : a. convertir potencial eléctrico en una señal eléctrica cuando se aplica a uno de (a) al menos dos electrodos y (b) un solenoide o al menos un resorte adaptado para la aplicación en proximidad de una articulación de rodilla produce un alcance de campo eléctrico de no menos de aproximadamente 8 mV/cm a 360 mV/cm y una densidad de corriente de aproximadamente 8 µ?/cm2 a 300 µ?/cm2 en el sinovio de cartílago articular de la articulación de rodilla del paciente; y b. aplicar la señal eléctrica a (a) al menos dos electrodos o (b) el solenoide o al menos un resorte como para producir el campo eléctrico en el sinovio de cartílago articular de la articulación de la rodilla del paciente.

24. Un método como en la reivindicación 23, que comprende el paso adicional de seleccionar una de las señales eléctricas de salida con un voltaje de acuerdo con un diámetro de la articulación de la rodilla humana.

25. Un método como en la reivindicación 24, caracterizado porque el paso de seleccionar comprende el paso de seleccionar una señal eléctrica de frecuencia 60 kHz que tiene un voltaje de aproximadamente 4,6 vp-p ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño pequeño.

26. Un método como en la reivindicación 24, caracterizado porque el paso de seleccionar comprende el paso de seleccionar una señal eléctrica de frecuencia 60 kHz que tiene un voltaje de aproximadamente 5,0 Vp_p ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño promedio.

27. Un método como en la reivindicación 24, caracterizado porque el paso de seleccionar comprende el paso de seleccionar una señal eléctrica de frecuencia 60 kHz que tiene un voltaje de aproximadamente 5,6 Vp_p ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño grande .

28. Un método como en la reivindicación 24, caracterizado porque el paso de seleccionar comprende el paso de seleccionar una señal eléctrica de frecuencia 60 kHz que tiene un voltaje de aproximadamente 7,6 Vp-P ± 10% para una articulación de rodilla de tamaño extra grande . RESUMEN DE LA INVENCIÓN Un método para determinar el voltaje y corriente de salida para la aplicación de señales electromagnéticas y eléctricas especificas y selectivas para cartílago articular enfermo en el tratamiento de osteoartritis, defectos de cartílagos debido a trauma o daños ocasionados por el deporte, o utilizando como complemento de otras terapias (transplante celular, andamios para ingeniería del tejido fino, factores de crecimiento, etc) para el tratamiento de defectos de cartílago en la articulación de la rodilla humana y un dispositivo para entregar dichas señales a la rodilla del paciente. Un modelo analítico de la rodilla humana se desarrolla por medio del cual, el volumen del tejido total en la rodilla humana puede determinarse por comparación del volumen del tejido total en el tejido enfermo en el modelo animal utilizando histogramas de campo eléctrico y densidad de corriente. El voltaje y la corriente de salida utilizados en el modelo animal aumenta basado en la proporción del volumen del tejido total del tejido enfermo del humano para el volumen del tejido total del tejido enfermo en el modelo animal y el campo resultante se aplica al tejido enfermo del humano utilizando al menos dos electrodos aplicados a la rodilla o un resorte o solenoide ubicado alrededor de la rodilla. El voltaje de la señal aplicada a los electrodos, resorte o solenoide varia basado en el tamaño de la articulación de la rodilla; articulaciones de rodillas mas grandes requieren voltajes mayores para generar el campo eléctrico efectivo.