JP2726866B2 - ポータブル電気治療装置 - Google Patents
ポータブル電気治療装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
この発明は、骨折等の電気治療用のポータブルな装置
に関するものである。 [従来の技術] 各種の生物学的事象、特にイオン輸送における変化、
プロテイン合成等は骨折の回復に関与している。適切に
供給された電気治療信号は新しい骨折部および結合して
いない骨折部付近で骨の成長を刺激し、明らかに必要な
生物学的変化を開始または刺激することによつてそのよ
うになることが以前から知られている。その延長の研究
は動物実験および試験的人体治療の両者について、侵入
的結合の直流装置、キャパシチブ結合による対称および
非対称波形、および電磁結合した非対称波形を含むその
ような処理のための種々の特定の波形フォーマットを利
用して行われた。この分野におけるすぐれた技術的文献
はジャーナル・オブ・バイオエレクトリシティ第1巻
(1)99頁、1982年(J.A.SpadaroのBioelectric Stimu
lations of Bone Formation:Method,Models and Mechan
isms)およびオルソペディック・クリニックス・オブ・
ノースアメリカ・シンポジウム・オン・エレクトリカリ
・インデュースト・オステオジェネシス(W.B.Sanders
社、1984年)である。 全ての現在使用されている電気治療技術は1以上の制
限を有している。例えば、侵入的技術は伝染の危険を増
加させ易く、予知できない、長時間の影響を有する。キ
ャパシチブな結合は安全な電圧レベルで動作されると
き、キャパシタ電極板と骨折位置を囲む区域の皮膚との
間に電気接続を必要とするという制限がある。ゼリー状
の導電材料が使用され、その性質のためそれを長い時間
設置することはできない。電磁的、誘導的結合技術は高
い電力消費の波形発生装置と嵩ばった形状のコイル装置
を必要とし、それは通常医療環境の外部で機能するため
に患者の能力と妥協することになる。上記の装置につい
て説明した代表的な明細書としては米国特許第4535775
号明細書(発明者BrightonおよびPollack)、米国特許
第4667809号明細書(発明者Brighton)、米国特許第446
7808号明細書(発明者BrightonおよびPollack)、米国
特許第4266532号明細書(発明者Ryaby)、米国特許第39
52751号明細書(発明者Yanger)、米国特許第3893462号
明細書(発明者Manning)、米国特許第3890953号明細書
(発明者KrausおよびViehbach)等がある。 一般に骨折、特に一体でない骨折は治療に何週間ある
いは何ケ月もの長い時間が必要であり、実験的設定にお
いて補助処理として試みられる場合電気治療のためであ
つてもそうである。現在使用されている電気治療装置は
いくつかの例外を除いては完全なポータブルではなく、
患者が電気治療で効果を得るには処理のために電源に容
易にアクセスできなければならない。骨折の治療に要す
る時間を考えると、この強制は毎日のベースでは面倒な
ことであり、患者は処理のために彼の日常のルーチンを
中断しなければならず、それは所要のやるべきスケジュ
ールに従うことをできなくする可能性がある。 [発明の解決すべき問題点] それ故、現在使用されている装置の有効な特徴を有し
ながら、その不所望な特徴のない、特に電力消費につい
ての欠点のない装置を提供することが望ましいことは明
白である。より電力効率のよい電気治療装置を提供する
ことによつて電気治療装置の寸法を大幅に減少すること
が可能になり、したがつて、電源に接続することなく使
用者が日常のルーチンで行なえるような完全にポータブ
ルな装置を構成することが可能になる。 幾人かの発明者はポータブルな電気治療装置のもつ実
際的な利点について認めている。この技術における可搬
性は面倒な支持援助なしに患者によつて容易に運搬でき
る装置、特に重さが2ポンド以下で小型のインスタント
カメラと同程度以下の大きさのものであることを意味し
ている。米国特許第4432361号明細書にはポータブルな
装置が記載され、それは自己監視特性を有し、それは医
療技術学者または装置の使用に熟達した人のチェックに
よらずに患者にその動作状態を確認することを可能にす
るものである。この発明は所望の自己監視特性を有しな
い米国特許第3842841号明細書記載の装置の改良であ
る。別のポータブルな電気治療装置は米国特許第457480
9号明細書に記載されている。それはギプス中に取外し
可能に設置された信号発生装置を備え、整形外科ギプス
中に集積するのに適した装置である。 この発明は従来の装置に比較して顕著な効果を有する
ポータブルな電気治療装置を提供するものである。 [問題点解決のための手段および作用] 本発明は、電源と、この電源により供給された電力を
一連の対称な振幅の電圧サイクルに変換する手段と、こ
の対称な振幅の電圧サイクルを供給されて治療のための
電磁界を発生するトランスデューサ手段とを具備してい
る骨折の電気治療および組織治療刺激用のポータブルな
治療装置において、電圧サイクルは、0.5乃至20マイク
ロ秒のパルス幅を有する一連のバーストパルスよりな
り、トランスデューサ手段は対称な振幅の電圧サイクル
を供給されるとき処理位置において電磁界を発生する位
置に配置されていることを特徴とする。 本発明は上記のような構成により、低い消費電力で効
率の良い治療を行うことを可能にしたものである。従来
は、人体は短いパルス幅の電磁界パルスには反応しない
と考えられており、長いパルス幅のパルスを使用するた
めに大きい電力が必要となり、そのため電源が大型にな
り、小型の電池を使用するポータブルな装置を得ること
はできなかった。 本発明は電気治療装置によって行なわれる生物学的治
療、特に骨折の治療においては骨折の治療と共にその周
囲の組織の治療を有効に行うことが重要であることを解
明し、さらに、対称な振幅で、従来使用されていたパル
ス幅に比較して非常に短い0.5乃至20マイクロ秒のパル
ス幅の一連のバーストパルスを使用することによりその
ような治療を有効に行う手段を開発したものである。こ
のようなバーストパルス使用は有効な治療効果に加え
て、従来の治療装置に比較して使用電力を著しく低減す
ることを可能にする。前記のように骨折の治療には長い
期間が必要であり、患者が日常の生活過程で簡単に使用
できる装置が要望されている。本発明の治療装置は消費
電力が非常に少ないため電源が簡単になり、小型の電池
の使用も可能であるため、長期間の治療における使用に
適している。 さらに、本発明の治療装置は治療位置に近接して人体
に適合した設計のトランスデューサと組合わせて使用す
ることによってさらに有効でポータブルな治療装置を得
ることができる。 特定の設計の各種のトランスデューサが装置の全体の
エネルギー効率に寄与することができる。しかしなが
ら、この発明で例示した実施例では、適応した構造体は
処理位置に信号を発生するために手足のまわりに設けら
れ電源に接続された種々の巻線のソレノイドコイルを備
えている。 骨折の治療に適用するときには、ここに説明したはつ
めいの適用は現在の治療の手順に影響したり、阻害した
りすることはない。すなわち、例えば経験および解析に
よれば手術または他の侵入的処理必要とされることが多
くの場合に決定される一体でない骨折のような骨折に対
して治療の任意性を与える。 [実施例] 特にユニークなパラメータの電気信号が骨折および組
織の損傷、特に一体でない骨折のようにこの処理がなけ
れば容易に治癒しない骨折の治療を刺激することができ
ることが発見された。しかしながら、この発明は遅れた
癒着および失敗した融合の治療にも同様に有効である。 ここで説明するポータブルな電気治療装置は特定範囲
のバースト幅、パルス幅、ピーク振幅および周波数を有
し、正および負の位相を有するパルス列からなるほぼ対
称波形を持つ電磁信号の治療学的効果を示す実験研究に
基づいている。この信号のキーとなる特徴は異なる信号
を使用する現在の技術状態の装置よりもほとんど一桁少
ないエネルギしか消費しないことである。部分的に、こ
れは有効な信号のパルス幅が0.5マイクロ秒の範囲に減
少され、しかも組織の治療を行なうことができることが
示されるからである。電磁界および組織中に設定される
関連する電力密度はdB/dt、すなわち磁束密度の変化の
割合いに比例し、したがつて、dB/dt=一定に対してパ
ルス幅は無関係である。信号発生に必要な電力はパルス
幅の2乗の関数であるから、効果的な信号を設定するの
に必要な電力はパルス幅を減少させることによつて減少
させることができる。今まで組織治療、特に骨折治療の
電気的生物学のこの観点はよく知られていない。 生物学的研究は動物モデル系を導き、パルス信号の有
効性が確立した。これらの研究に対する最も信頼できる
動物モデルは文献(Journal of Orthopedic Research、
第3巻第3号1985年、C.T.Brighton)に記載されたよう
な兎のひ骨系であることが立証されている。この系では
兎は一つのひ骨の中央軸横断骨格に骨折が形成され、そ
の後電源に接続された適当なトランスジューサが骨折部
上に設置された。実験および制御の動物は第1図に示す
信号で処理された。それにおいてはVs−cはコイル電
圧、Δt pwはパルス幅、Δt bwはバースト幅、fBWはバ
ースト周波数である。2乃至10マイクロ秒のΔt pwが治
療的に有効であり、特に5マイクロ秒のΔt pwが有効で
あることが発見された。現在使用されている装置では非
対称信号に対して20乃至300マイクロ秒の範囲のΔt pw
を発生している。 我々は実験的に前記の2乃至10マイクロ秒のΔt pwが
治療的に有効であることを示したが、当業者には0.5乃
至20マイクロ秒のΔt pwが治療的に許容できるものであ
ることが容易に確認できる。これは簡単な理論的考察か
ら得られる。例えば、電磁放射による骨または組織の修
復に含まれるセル機構の活性化はバースト幅およびバー
スト周波数に対する時定数を決定する負傷した場所に信
号を放出することを必要とする。これを行なうために、
健康な組織を横切つて負傷した場所に到達することが信
号にとつて必要であり、したがつてその前に減衰しては
ならない。これは信号によつて生じる磁気的、電気的、
化学的、および電気拡散的効果と関係する時定数が特定
の時定数を持つことを示唆している。明細書末尾の表I
(Electric Field,Force,and Flows in Biological Tis
sue,Al Grodzinsky,MIT,1985年7月から)を参照する
と、磁気“拡散”の式は100MHzより下において磁界は完
全に負傷した場所に透過することを示している。電気
“拡散”に対しては、変位電流密度による骨の透過は1M
Hzまでは低いままである。さらに細管中の隙間の流体の
粘性を有する流れは1MHzまで周波数に従っている。しか
しながら、反対に機械的応力周波数特性は500Hz以後減
衰する。この短い解析に基づいて、2マイクロ秒から下
方に推定した0.5マイクロ秒までのパルス幅は治療的に
有効な結果をもたらすことが予想される。 実験では電気治療は16日の期間続けられ、その間に時
間、Vs−c、Δt pwおよびデユーティサイクルが変化さ
れた。処理に続いて制御および実験動物は殺され、骨折
したひ骨が検査された。ひ骨は3点でブライトンによつ
て記載されたようにCGSローレンス試験装置でベンディ
ングスティフネスを機械的に試験され、ベンディングに
対する最大抵抗が全てのひ骨に対して測定された。電気
的刺激された兎のひ骨の骨折部と損傷していないものと
のスティフネス比が決定され、刺激を受けない兎の場合
と比較された。 簡単に説明すると、動物を殺してから約30分以内に、
約4mm/分の変形速度が使用され、パラメータ、スティフ
ネス比が決定された。後者は同じ動物の骨折した、およ
び健全なひ骨の負荷変形曲線の傾斜、すなわちスティフ
ネスから導出される。このようにして、個々の動物に対
するひ骨の強さの変化が制御される。実験グループの動
物のスティフネス比は種々のパルス幅および振幅で制御
動物のそれらと比較された。 表IIは得られたスティフネス比が統計的に意味がある
ものであり、特にVs−cが74ミリボルト、Δt pwが5μ
s、fBが15Hz、Δt bwが5ms、Δt pwが2〜10μsの範
囲で変化するとき意味があることを示している。さらに
表IIIおよび第2図はこれらのパラメータの有効性は信
号の振幅の関数であることを示している。ピークで25mV
以上200mV以下の振幅は効果があり、50〜100mVが特に有
効である。この場合サーチコイルの巻数は67であり、直
径は5.8mmであつた。 上記の信号は特に電気治療に有効であるが、単純な正
および負の方形波に加えて他の信号も効果があることが
予測される。すなわち、適当な信号のキーとなる特徴は
それが対称であり、上述のように狭いパルス幅を有し、
さらにバーストフォーマットを示すことである。すなわ
ち、方形波、正弦波およびこれらの特性を有する他の波
形は治療的に有効であることが予測される。 上記の議論は従来期待されていなかつた短いパルス幅
の信号で骨折の有効な治療が可能であることを示してい
る。この発見は2cmの距離で3〜9mv/cmの範囲の適当な
強度で有効な信号を発生することのできる小型のポータ
ブルなバッテリー駆動の装置を構成することを可能にさ
せるものである。しかしながら、可搬性(ポータブル)
に門戸を開く本発明者の電気治療における観察の利点を
取上げる前に、信号を組織の損傷した場所へ放出するも
つとエネルギー効率のよいトランスデューサ手段と信号
発生装置を組合わせることが望ましい。最良のトランス
デューサ設計の決定は各種トランスデューサの電力効率
の考察を必要とする。さらに骨折の場合の特定の応用に
好ましいトランスデューサの部分的決定要素は処理しよ
うとしている骨折の性質である。すなわち、深い一体で
ない骨折、特に大腿骨に発生した骨折に対しては、比較
的柔らかな組織をとおってふエネルギを放出することの
できるトランスデューサが望ましい。反対に同じ強度を
維持するための必要電力が少ないトランスデューサは皮
膚に近いすなわちけい骨、鎖骨等の骨折に対して使用で
きる。 深部の骨折にはコイル型式のトランスデューサが最も
好ましい。例えばコイル型式のトランスデューサ(例え
ばヘルムホルツ型式の1対のコイル、単純なコイル、骨
折部に対して傾斜した単純なコイル、またはソレノイ
ド)に供給される必要な電力は式1のとおりである。 ここで、nRECは骨折エネルギ回復係数、Lはコイルイ
ンダクタンス、fcはコイル感度、Vs−cはサーチコイル
電圧、Δt pw、Δt bw、fBはそれぞれパルス幅、バース
ト幅、およびバースト周波数である。それ故、各種型式
のコイルトランスデューサの電力効率に反映するコイル
定数は次のように表わされる。 KC=L/fc2 いくつかの型式のコイルトランスデューサのKCの比較
が第3図に示され、ソレノイド型式のトランスデューサ
が最もエネルギ効率がよいことが分る。事実エネルギ効
率がよいコイルトランスデューサの順序は、ソレノイド
>単純コイル>傾斜コイル>ヘルムホルツコイルであ
る。 第1図に示された信号を送信する適合したソレノイド
トランスデューサが信号発生装置と組合わせられたと
き、その組合わせはギプスまたはそれと関連するものと
一体にすることが考えられる。その一例は第4図に示さ
れている。さらに、適合したソレノイドが好ましいけれ
ども、他のコイルトランスデューサもまた使用できる。
したがつて、真にポータブルな電気治療装置が浅いまた
は深い位置の骨折を処理するために容易に構成できる。
第1図はこの装置に対する典型的なブロック図である。 別の実験的トランスデューサは適合した形状の磁気ダ
イポール(以下CMDという)であり、それはけい骨、尺
骨、とう骨、鎖骨、肩甲骨のような比較的表面に近い骨
折に狭い集中した磁界を効率よく設定する。一方他のト
ランスデューサ、単純コイル、ヘルムホルツコイル等は
トランスデューサの外方に大きな、電力を消費する磁界
を設定するが、CMDはこれらの外部磁界を“捕捉し”そ
れらを骨折区域に向け、20〜40の電力節減を行ない、体
の残りの部分が外部磁界にさらされることを減少させ
る。第6図乃至第8図は典型的な適合した磁気ダイポー
ルトランスデューサを示す。第6図乃至第8図におい
て、トランスデューサはトランスデューサコイル14,1
4′を収容する隆起した部分12,12′を備えた金属シール
ド10,10′を有している。電流は線16,16′によつて供給
され、適当な支持部材18,18′に巻かれたコイル14,14′
を通って流れる。この支持部材18,18′は接着剤、樹脂
等19によつてその位置に保持されている。第9図は適合
した磁気ダイポールから放射される磁界の磁力線を示し
ている。磁界を好ましい方向に向けることによつて、可
成のエネルギを節減できることが予想される。 可搬性は集積化することによつて、すなわちトランス
デューサをギプスと一体とし、電源と信号発生装置を短
い距離離して配置することによつて実現される。例えば
後者の2個の部品は使用者の腰のベルトに取付けること
ができ、導線によつてトランスデューサと接続される。
その代わりに、全ての部品をギプスに取付け、あるいは
その中に一体に集積することもできる。前者の方法はし
ばしば電池を交換する必要がある一定の電気刺激を患者
が必要とする場合に好ましい。他方小さな骨折で患者に
とつて最大速度の治療に必要なデューティサイクルが著
しく減少され、所要の刺激期間に電池を交換する必要が
ない場合がある。この場合には患者の便利さと美的観点
から全体の装置をギプス中に集積することが望ましい。 治療信号を発生するために使用される電源は2ポンド
以下の重量で中程度の大きさの手持ちのインスタントカ
メラと同程度である。 電気治療装置のエネルギ効率のために、使用者は少な
くとも数日の間は電池の交換をする必要がなく、恐らく
1月でも交換をする必要がないことが望ましい。表IVは
直径12.7cm、l/dの比が約1で、抵抗0.63オームのソレ
ノイドトランスデューサを有する装置が特定の電池によ
つて駆動されるときの装置の使用時間の近似的値を示し
ている。もちろん、これらのパラメータを変更すること
によつて処理を行なうのに必要な電池の大きさは影響さ
れる。さらに、表中の情報は次の式2を使用して導かれ
ることに注意すべきである。 ここでIB:電池電流、 IOH:オーバーヘッド電流、 KC:コイル定数、 Δt pw:パルス幅、 N:巻数/コイル VS:電池電圧、 R:駆動回路、出力抵抗、 r/t:抵抗/巻数、 Δt bw:バースト幅、 fBW:バースト周波数、 Vs−c=200mv、t pw=5μs、t bw=5ms、 fB=15Hzである。 この発明に関係する追加的な特徴は式2と表IIIを参
照することによつて認識されるであろう。Nすなわちソ
レノイドを構成するコイルの巻数は不変ではない。巻数
を増加または減少させることによつて、装置の駆動に使
用する電池の寿命を著しく変化させることが可能であ
る。すなわち、特定の用途において、Nは使用者の必要
に最良の効果を生じるように選択される。 もちろん、以上の説明はこの発明の一般的原理および
この発明に適用できる材料の単なる例示と理解すべきで
ある。この発明の技術的範囲を逸脱することなく使用で
きる多くの変形が容易に想達できよう。例えば第5図に
示すような装置をギプスに取外し可能に設け、電池充電
装置と適合させて患者が再充電できるように構成するこ
とができる。これは処理しない期間中電池を戻して保存
するために望ましいことである。さらに処理の時間、処
理量の長さの追跡ならびにその患者への通報のための可
視または可聴警報のできる回路も容易に装置中に設けら
れる。さらに、ここで説明したこの発明の基礎となる実
験結果および処理を行なうために使用される電気信号の
特定の物理的パラメータは組織または骨の損傷に対して
人間に直接適用できるとは思われないかも知れない。こ
の発明の目的は、従来知られていない型式の電気信号が
治療に有効であり、適当なトランスデューサと組合わせ
られるとき真にポータブルな電気治療装置を与えること
を教えることである。したがつて当業者の容易に行なう
ことのできる実験によつてこの発明を人間に対して使用
できるように効果的に形態するために必要な詳細な構成
を設定することができる。
に関するものである。 [従来の技術] 各種の生物学的事象、特にイオン輸送における変化、
プロテイン合成等は骨折の回復に関与している。適切に
供給された電気治療信号は新しい骨折部および結合して
いない骨折部付近で骨の成長を刺激し、明らかに必要な
生物学的変化を開始または刺激することによつてそのよ
うになることが以前から知られている。その延長の研究
は動物実験および試験的人体治療の両者について、侵入
的結合の直流装置、キャパシチブ結合による対称および
非対称波形、および電磁結合した非対称波形を含むその
ような処理のための種々の特定の波形フォーマットを利
用して行われた。この分野におけるすぐれた技術的文献
はジャーナル・オブ・バイオエレクトリシティ第1巻
(1)99頁、1982年(J.A.SpadaroのBioelectric Stimu
lations of Bone Formation:Method,Models and Mechan
isms)およびオルソペディック・クリニックス・オブ・
ノースアメリカ・シンポジウム・オン・エレクトリカリ
・インデュースト・オステオジェネシス(W.B.Sanders
社、1984年)である。 全ての現在使用されている電気治療技術は1以上の制
限を有している。例えば、侵入的技術は伝染の危険を増
加させ易く、予知できない、長時間の影響を有する。キ
ャパシチブな結合は安全な電圧レベルで動作されると
き、キャパシタ電極板と骨折位置を囲む区域の皮膚との
間に電気接続を必要とするという制限がある。ゼリー状
の導電材料が使用され、その性質のためそれを長い時間
設置することはできない。電磁的、誘導的結合技術は高
い電力消費の波形発生装置と嵩ばった形状のコイル装置
を必要とし、それは通常医療環境の外部で機能するため
に患者の能力と妥協することになる。上記の装置につい
て説明した代表的な明細書としては米国特許第4535775
号明細書(発明者BrightonおよびPollack)、米国特許
第4667809号明細書(発明者Brighton)、米国特許第446
7808号明細書(発明者BrightonおよびPollack)、米国
特許第4266532号明細書(発明者Ryaby)、米国特許第39
52751号明細書(発明者Yanger)、米国特許第3893462号
明細書(発明者Manning)、米国特許第3890953号明細書
(発明者KrausおよびViehbach)等がある。 一般に骨折、特に一体でない骨折は治療に何週間ある
いは何ケ月もの長い時間が必要であり、実験的設定にお
いて補助処理として試みられる場合電気治療のためであ
つてもそうである。現在使用されている電気治療装置は
いくつかの例外を除いては完全なポータブルではなく、
患者が電気治療で効果を得るには処理のために電源に容
易にアクセスできなければならない。骨折の治療に要す
る時間を考えると、この強制は毎日のベースでは面倒な
ことであり、患者は処理のために彼の日常のルーチンを
中断しなければならず、それは所要のやるべきスケジュ
ールに従うことをできなくする可能性がある。 [発明の解決すべき問題点] それ故、現在使用されている装置の有効な特徴を有し
ながら、その不所望な特徴のない、特に電力消費につい
ての欠点のない装置を提供することが望ましいことは明
白である。より電力効率のよい電気治療装置を提供する
ことによつて電気治療装置の寸法を大幅に減少すること
が可能になり、したがつて、電源に接続することなく使
用者が日常のルーチンで行なえるような完全にポータブ
ルな装置を構成することが可能になる。 幾人かの発明者はポータブルな電気治療装置のもつ実
際的な利点について認めている。この技術における可搬
性は面倒な支持援助なしに患者によつて容易に運搬でき
る装置、特に重さが2ポンド以下で小型のインスタント
カメラと同程度以下の大きさのものであることを意味し
ている。米国特許第4432361号明細書にはポータブルな
装置が記載され、それは自己監視特性を有し、それは医
療技術学者または装置の使用に熟達した人のチェックに
よらずに患者にその動作状態を確認することを可能にす
るものである。この発明は所望の自己監視特性を有しな
い米国特許第3842841号明細書記載の装置の改良であ
る。別のポータブルな電気治療装置は米国特許第457480
9号明細書に記載されている。それはギプス中に取外し
可能に設置された信号発生装置を備え、整形外科ギプス
中に集積するのに適した装置である。 この発明は従来の装置に比較して顕著な効果を有する
ポータブルな電気治療装置を提供するものである。 [問題点解決のための手段および作用] 本発明は、電源と、この電源により供給された電力を
一連の対称な振幅の電圧サイクルに変換する手段と、こ
の対称な振幅の電圧サイクルを供給されて治療のための
電磁界を発生するトランスデューサ手段とを具備してい
る骨折の電気治療および組織治療刺激用のポータブルな
治療装置において、電圧サイクルは、0.5乃至20マイク
ロ秒のパルス幅を有する一連のバーストパルスよりな
り、トランスデューサ手段は対称な振幅の電圧サイクル
を供給されるとき処理位置において電磁界を発生する位
置に配置されていることを特徴とする。 本発明は上記のような構成により、低い消費電力で効
率の良い治療を行うことを可能にしたものである。従来
は、人体は短いパルス幅の電磁界パルスには反応しない
と考えられており、長いパルス幅のパルスを使用するた
めに大きい電力が必要となり、そのため電源が大型にな
り、小型の電池を使用するポータブルな装置を得ること
はできなかった。 本発明は電気治療装置によって行なわれる生物学的治
療、特に骨折の治療においては骨折の治療と共にその周
囲の組織の治療を有効に行うことが重要であることを解
明し、さらに、対称な振幅で、従来使用されていたパル
ス幅に比較して非常に短い0.5乃至20マイクロ秒のパル
ス幅の一連のバーストパルスを使用することによりその
ような治療を有効に行う手段を開発したものである。こ
のようなバーストパルス使用は有効な治療効果に加え
て、従来の治療装置に比較して使用電力を著しく低減す
ることを可能にする。前記のように骨折の治療には長い
期間が必要であり、患者が日常の生活過程で簡単に使用
できる装置が要望されている。本発明の治療装置は消費
電力が非常に少ないため電源が簡単になり、小型の電池
の使用も可能であるため、長期間の治療における使用に
適している。 さらに、本発明の治療装置は治療位置に近接して人体
に適合した設計のトランスデューサと組合わせて使用す
ることによってさらに有効でポータブルな治療装置を得
ることができる。 特定の設計の各種のトランスデューサが装置の全体の
エネルギー効率に寄与することができる。しかしなが
ら、この発明で例示した実施例では、適応した構造体は
処理位置に信号を発生するために手足のまわりに設けら
れ電源に接続された種々の巻線のソレノイドコイルを備
えている。 骨折の治療に適用するときには、ここに説明したはつ
めいの適用は現在の治療の手順に影響したり、阻害した
りすることはない。すなわち、例えば経験および解析に
よれば手術または他の侵入的処理必要とされることが多
くの場合に決定される一体でない骨折のような骨折に対
して治療の任意性を与える。 [実施例] 特にユニークなパラメータの電気信号が骨折および組
織の損傷、特に一体でない骨折のようにこの処理がなけ
れば容易に治癒しない骨折の治療を刺激することができ
ることが発見された。しかしながら、この発明は遅れた
癒着および失敗した融合の治療にも同様に有効である。 ここで説明するポータブルな電気治療装置は特定範囲
のバースト幅、パルス幅、ピーク振幅および周波数を有
し、正および負の位相を有するパルス列からなるほぼ対
称波形を持つ電磁信号の治療学的効果を示す実験研究に
基づいている。この信号のキーとなる特徴は異なる信号
を使用する現在の技術状態の装置よりもほとんど一桁少
ないエネルギしか消費しないことである。部分的に、こ
れは有効な信号のパルス幅が0.5マイクロ秒の範囲に減
少され、しかも組織の治療を行なうことができることが
示されるからである。電磁界および組織中に設定される
関連する電力密度はdB/dt、すなわち磁束密度の変化の
割合いに比例し、したがつて、dB/dt=一定に対してパ
ルス幅は無関係である。信号発生に必要な電力はパルス
幅の2乗の関数であるから、効果的な信号を設定するの
に必要な電力はパルス幅を減少させることによつて減少
させることができる。今まで組織治療、特に骨折治療の
電気的生物学のこの観点はよく知られていない。 生物学的研究は動物モデル系を導き、パルス信号の有
効性が確立した。これらの研究に対する最も信頼できる
動物モデルは文献(Journal of Orthopedic Research、
第3巻第3号1985年、C.T.Brighton)に記載されたよう
な兎のひ骨系であることが立証されている。この系では
兎は一つのひ骨の中央軸横断骨格に骨折が形成され、そ
の後電源に接続された適当なトランスジューサが骨折部
上に設置された。実験および制御の動物は第1図に示す
信号で処理された。それにおいてはVs−cはコイル電
圧、Δt pwはパルス幅、Δt bwはバースト幅、fBWはバ
ースト周波数である。2乃至10マイクロ秒のΔt pwが治
療的に有効であり、特に5マイクロ秒のΔt pwが有効で
あることが発見された。現在使用されている装置では非
対称信号に対して20乃至300マイクロ秒の範囲のΔt pw
を発生している。 我々は実験的に前記の2乃至10マイクロ秒のΔt pwが
治療的に有効であることを示したが、当業者には0.5乃
至20マイクロ秒のΔt pwが治療的に許容できるものであ
ることが容易に確認できる。これは簡単な理論的考察か
ら得られる。例えば、電磁放射による骨または組織の修
復に含まれるセル機構の活性化はバースト幅およびバー
スト周波数に対する時定数を決定する負傷した場所に信
号を放出することを必要とする。これを行なうために、
健康な組織を横切つて負傷した場所に到達することが信
号にとつて必要であり、したがつてその前に減衰しては
ならない。これは信号によつて生じる磁気的、電気的、
化学的、および電気拡散的効果と関係する時定数が特定
の時定数を持つことを示唆している。明細書末尾の表I
(Electric Field,Force,and Flows in Biological Tis
sue,Al Grodzinsky,MIT,1985年7月から)を参照する
と、磁気“拡散”の式は100MHzより下において磁界は完
全に負傷した場所に透過することを示している。電気
“拡散”に対しては、変位電流密度による骨の透過は1M
Hzまでは低いままである。さらに細管中の隙間の流体の
粘性を有する流れは1MHzまで周波数に従っている。しか
しながら、反対に機械的応力周波数特性は500Hz以後減
衰する。この短い解析に基づいて、2マイクロ秒から下
方に推定した0.5マイクロ秒までのパルス幅は治療的に
有効な結果をもたらすことが予想される。 実験では電気治療は16日の期間続けられ、その間に時
間、Vs−c、Δt pwおよびデユーティサイクルが変化さ
れた。処理に続いて制御および実験動物は殺され、骨折
したひ骨が検査された。ひ骨は3点でブライトンによつ
て記載されたようにCGSローレンス試験装置でベンディ
ングスティフネスを機械的に試験され、ベンディングに
対する最大抵抗が全てのひ骨に対して測定された。電気
的刺激された兎のひ骨の骨折部と損傷していないものと
のスティフネス比が決定され、刺激を受けない兎の場合
と比較された。 簡単に説明すると、動物を殺してから約30分以内に、
約4mm/分の変形速度が使用され、パラメータ、スティフ
ネス比が決定された。後者は同じ動物の骨折した、およ
び健全なひ骨の負荷変形曲線の傾斜、すなわちスティフ
ネスから導出される。このようにして、個々の動物に対
するひ骨の強さの変化が制御される。実験グループの動
物のスティフネス比は種々のパルス幅および振幅で制御
動物のそれらと比較された。 表IIは得られたスティフネス比が統計的に意味がある
ものであり、特にVs−cが74ミリボルト、Δt pwが5μ
s、fBが15Hz、Δt bwが5ms、Δt pwが2〜10μsの範
囲で変化するとき意味があることを示している。さらに
表IIIおよび第2図はこれらのパラメータの有効性は信
号の振幅の関数であることを示している。ピークで25mV
以上200mV以下の振幅は効果があり、50〜100mVが特に有
効である。この場合サーチコイルの巻数は67であり、直
径は5.8mmであつた。 上記の信号は特に電気治療に有効であるが、単純な正
および負の方形波に加えて他の信号も効果があることが
予測される。すなわち、適当な信号のキーとなる特徴は
それが対称であり、上述のように狭いパルス幅を有し、
さらにバーストフォーマットを示すことである。すなわ
ち、方形波、正弦波およびこれらの特性を有する他の波
形は治療的に有効であることが予測される。 上記の議論は従来期待されていなかつた短いパルス幅
の信号で骨折の有効な治療が可能であることを示してい
る。この発見は2cmの距離で3〜9mv/cmの範囲の適当な
強度で有効な信号を発生することのできる小型のポータ
ブルなバッテリー駆動の装置を構成することを可能にさ
せるものである。しかしながら、可搬性(ポータブル)
に門戸を開く本発明者の電気治療における観察の利点を
取上げる前に、信号を組織の損傷した場所へ放出するも
つとエネルギー効率のよいトランスデューサ手段と信号
発生装置を組合わせることが望ましい。最良のトランス
デューサ設計の決定は各種トランスデューサの電力効率
の考察を必要とする。さらに骨折の場合の特定の応用に
好ましいトランスデューサの部分的決定要素は処理しよ
うとしている骨折の性質である。すなわち、深い一体で
ない骨折、特に大腿骨に発生した骨折に対しては、比較
的柔らかな組織をとおってふエネルギを放出することの
できるトランスデューサが望ましい。反対に同じ強度を
維持するための必要電力が少ないトランスデューサは皮
膚に近いすなわちけい骨、鎖骨等の骨折に対して使用で
きる。 深部の骨折にはコイル型式のトランスデューサが最も
好ましい。例えばコイル型式のトランスデューサ(例え
ばヘルムホルツ型式の1対のコイル、単純なコイル、骨
折部に対して傾斜した単純なコイル、またはソレノイ
ド)に供給される必要な電力は式1のとおりである。 ここで、nRECは骨折エネルギ回復係数、Lはコイルイ
ンダクタンス、fcはコイル感度、Vs−cはサーチコイル
電圧、Δt pw、Δt bw、fBはそれぞれパルス幅、バース
ト幅、およびバースト周波数である。それ故、各種型式
のコイルトランスデューサの電力効率に反映するコイル
定数は次のように表わされる。 KC=L/fc2 いくつかの型式のコイルトランスデューサのKCの比較
が第3図に示され、ソレノイド型式のトランスデューサ
が最もエネルギ効率がよいことが分る。事実エネルギ効
率がよいコイルトランスデューサの順序は、ソレノイド
>単純コイル>傾斜コイル>ヘルムホルツコイルであ
る。 第1図に示された信号を送信する適合したソレノイド
トランスデューサが信号発生装置と組合わせられたと
き、その組合わせはギプスまたはそれと関連するものと
一体にすることが考えられる。その一例は第4図に示さ
れている。さらに、適合したソレノイドが好ましいけれ
ども、他のコイルトランスデューサもまた使用できる。
したがつて、真にポータブルな電気治療装置が浅いまた
は深い位置の骨折を処理するために容易に構成できる。
第1図はこの装置に対する典型的なブロック図である。 別の実験的トランスデューサは適合した形状の磁気ダ
イポール(以下CMDという)であり、それはけい骨、尺
骨、とう骨、鎖骨、肩甲骨のような比較的表面に近い骨
折に狭い集中した磁界を効率よく設定する。一方他のト
ランスデューサ、単純コイル、ヘルムホルツコイル等は
トランスデューサの外方に大きな、電力を消費する磁界
を設定するが、CMDはこれらの外部磁界を“捕捉し”そ
れらを骨折区域に向け、20〜40の電力節減を行ない、体
の残りの部分が外部磁界にさらされることを減少させ
る。第6図乃至第8図は典型的な適合した磁気ダイポー
ルトランスデューサを示す。第6図乃至第8図におい
て、トランスデューサはトランスデューサコイル14,1
4′を収容する隆起した部分12,12′を備えた金属シール
ド10,10′を有している。電流は線16,16′によつて供給
され、適当な支持部材18,18′に巻かれたコイル14,14′
を通って流れる。この支持部材18,18′は接着剤、樹脂
等19によつてその位置に保持されている。第9図は適合
した磁気ダイポールから放射される磁界の磁力線を示し
ている。磁界を好ましい方向に向けることによつて、可
成のエネルギを節減できることが予想される。 可搬性は集積化することによつて、すなわちトランス
デューサをギプスと一体とし、電源と信号発生装置を短
い距離離して配置することによつて実現される。例えば
後者の2個の部品は使用者の腰のベルトに取付けること
ができ、導線によつてトランスデューサと接続される。
その代わりに、全ての部品をギプスに取付け、あるいは
その中に一体に集積することもできる。前者の方法はし
ばしば電池を交換する必要がある一定の電気刺激を患者
が必要とする場合に好ましい。他方小さな骨折で患者に
とつて最大速度の治療に必要なデューティサイクルが著
しく減少され、所要の刺激期間に電池を交換する必要が
ない場合がある。この場合には患者の便利さと美的観点
から全体の装置をギプス中に集積することが望ましい。 治療信号を発生するために使用される電源は2ポンド
以下の重量で中程度の大きさの手持ちのインスタントカ
メラと同程度である。 電気治療装置のエネルギ効率のために、使用者は少な
くとも数日の間は電池の交換をする必要がなく、恐らく
1月でも交換をする必要がないことが望ましい。表IVは
直径12.7cm、l/dの比が約1で、抵抗0.63オームのソレ
ノイドトランスデューサを有する装置が特定の電池によ
つて駆動されるときの装置の使用時間の近似的値を示し
ている。もちろん、これらのパラメータを変更すること
によつて処理を行なうのに必要な電池の大きさは影響さ
れる。さらに、表中の情報は次の式2を使用して導かれ
ることに注意すべきである。 ここでIB:電池電流、 IOH:オーバーヘッド電流、 KC:コイル定数、 Δt pw:パルス幅、 N:巻数/コイル VS:電池電圧、 R:駆動回路、出力抵抗、 r/t:抵抗/巻数、 Δt bw:バースト幅、 fBW:バースト周波数、 Vs−c=200mv、t pw=5μs、t bw=5ms、 fB=15Hzである。 この発明に関係する追加的な特徴は式2と表IIIを参
照することによつて認識されるであろう。Nすなわちソ
レノイドを構成するコイルの巻数は不変ではない。巻数
を増加または減少させることによつて、装置の駆動に使
用する電池の寿命を著しく変化させることが可能であ
る。すなわち、特定の用途において、Nは使用者の必要
に最良の効果を生じるように選択される。 もちろん、以上の説明はこの発明の一般的原理および
この発明に適用できる材料の単なる例示と理解すべきで
ある。この発明の技術的範囲を逸脱することなく使用で
きる多くの変形が容易に想達できよう。例えば第5図に
示すような装置をギプスに取外し可能に設け、電池充電
装置と適合させて患者が再充電できるように構成するこ
とができる。これは処理しない期間中電池を戻して保存
するために望ましいことである。さらに処理の時間、処
理量の長さの追跡ならびにその患者への通報のための可
視または可聴警報のできる回路も容易に装置中に設けら
れる。さらに、ここで説明したこの発明の基礎となる実
験結果および処理を行なうために使用される電気信号の
特定の物理的パラメータは組織または骨の損傷に対して
人間に直接適用できるとは思われないかも知れない。こ
の発明の目的は、従来知られていない型式の電気信号が
治療に有効であり、適当なトランスデューサと組合わせ
られるとき真にポータブルな電気治療装置を与えること
を教えることである。したがつて当業者の容易に行なう
ことのできる実験によつてこの発明を人間に対して使用
できるように効果的に形態するために必要な詳細な構成
を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は有効な電気治療信号を示し、第2図はΔt pw=
5μs、Δt bw=5ms、fB=15Hzのときスティフネス比
と実効信号の振幅との関係を示し、第3図は種々のコイ
ルトランスデューサのエネルギ効率の比較図である。第
4図は骨折したけい骨を有する患者の足の周囲に位置す
るソレノイドトランスデューサを示す。第5図はの発明
の装置の1実施例のブロック図である。第6図は適応し
た磁気ダイポールの斜視図であり、第7図は第6図の線
7−7における断面図であり、第8図は第6図の線8−
8における断面図である。第9図はシールドされたダイ
ポールにより設定された磁界の磁力線を示す。 10,10′……シールド、12,12′……隆起部、14,14′…
…トランスデューサコイル、16,16′……導線、18,18′
……支持体。
5μs、Δt bw=5ms、fB=15Hzのときスティフネス比
と実効信号の振幅との関係を示し、第3図は種々のコイ
ルトランスデューサのエネルギ効率の比較図である。第
4図は骨折したけい骨を有する患者の足の周囲に位置す
るソレノイドトランスデューサを示す。第5図はの発明
の装置の1実施例のブロック図である。第6図は適応し
た磁気ダイポールの斜視図であり、第7図は第6図の線
7−7における断面図であり、第8図は第6図の線8−
8における断面図である。第9図はシールドされたダイ
ポールにより設定された磁界の磁力線を示す。 10,10′……シールド、12,12′……隆起部、14,14′…
…トランスデューサコイル、16,16′……導線、18,18′
……支持体。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ソロモン・アール・ポラック
アメリカ合衆国、ペンシルバニア州
19025、ドレシャー、エア・レーン
3213
(56)参考文献 特開 昭53−63791(JP,A)
特表 昭61−500594(JP,A)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 1.電源と、この電源により供給された電力を一連の対
称な振幅の電圧サイクルに変換する手段と、この対称な
振幅の電圧サイクルを供給されて治療のための電磁界を
発生するトランスデューサ手段とを具備している骨折の
電気治療および組織治療刺激用のポータブルな治療装置
において、 前記電圧サイクルは、0.5乃至20マイクロ秒のパルス幅
を有する一連のバーストパルスよりなり、 前記トランスデューサ手段は前記対称な振幅の電圧サイ
クルを供給されるとき処理位置において電磁界を発生す
る位置に配置されていることを特徴とするポータブルな
治療装置。 2.前記電源は電池であり、その電池は10乃至40ボルト
の電圧と、32.77乃至98.32立方cm(2乃至6立方イン
チ)の容積とを有する特許請求の範囲第1項記載の装
置。 3.前記対称な振幅の電圧サイクルは、5乃至25ヘルツ
の周波数と、1乃至10ミリ秒のバースト幅とを有してい
る特許請求の範囲第1項または第2項記載の装置。 4.前記電源の重量は0.91Kg(2ポンド)以下である特
許請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか1項記載の装
置。 5.前記トランスデューサ手段は、治療部分の外形に適
合した形状のソレノイドコイル、傾斜コイル、および単
純なコイルからなる群から選択されたコイルトランスデ
ューサである特許請求の範囲第1項乃至第3項のいずれ
か1項記載の装置。 6.前記トランスデューサ手段は、治療部分の外形に適
合した形状のソレノイドである請求項1記載の装置。 7.前記トランスデューサ手段は、治療部分の外形に適
合した形状の磁気ダイポールである請求項1記載の装
置。 8.前記対称な振幅の一連のバーストパルスの各パルス
はピーク対ピーク振幅が50乃至150ミリボルトである特
許請求の範囲第1項記載の装置。 9.前記トランスデューサ手段は前記骨折位置に接近さ
せるようにギブス中に一体に構成されている特許請求の
範囲第1項記載の装置。 10.前記電気信号が正弦波である特許請求の範囲第3
項記載の装置。 11.前記電気信号が方形波である特許請求の範囲第3
項記載の装置。 12.前記電気信号が三角波である特許請求の範囲第3
項記載の装置。 13.前記対称な振幅の電圧サイクルはピーク対ピーク
振幅が25ミリボルトよりは大きく200ミリボルトよりは
小さい特許請求の範囲第3項記載の装置。
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