治療人類膝部骨關節炎、軟骨病及缺損和損傷的方法與裝置的製作方法

2023-10-09 07:18:14

專利名稱：治療人類膝部骨關節炎、軟骨病及缺損和損傷的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種確定電壓和電流輸出的方法，其用於在治療由於外傷或運動損傷引起的骨關節炎、軟骨缺損中需要用於將特定的和選擇的電子與電磁信號應用至患病的關節軟骨，或作為治療人體膝關節軟骨缺損的其它治療方法(例如，細胞移植，組織工程支架，生長因子等)的輔助方法，本發明還涉及將這些信號傳遞至患者膝部的裝置。
背景技術：
相信在各種生物組織和細胞中存在的生物電作用與活動是最不了解的生理過程之一。然而，最近對於關於某些組織與細胞的生長與修復的這些作用與活動已投入了大量的研究。特別對於電與電磁場刺激及其對於骨骼與軟骨的生長與修復的影響投入了大量研究。研究者認為這些研究在開發各種醫學問題的新治療方法方面可能有用。
骨關節炎，也稱為退化性關節炎，特徵在於關節軟骨的退化和軟骨下骨的增生與重構。常見的症狀為僵硬、運動限制和疼痛。骨關節炎是關節炎的最常見形式，且患病率隨年齡顯著上升。已經表明，具有自我報告的骨關節炎的老年患者和他們未患病的同齡人一樣看兩次醫生。相對於它們年齡段的其它人，這些患者還要經歷更多天數的受限活動和病床護理。在一項研究中，大多數病症患者在後面的8年中變得極度殘疾。Massardo等，Ann Rheum Dis 48893-7(1989)。
非甾體抗炎藥(NSAIDs)是骨關節炎的主要治療形式。目前尚不清楚NSAIDs的功效是否與它們的止痛或消炎性質或者軟骨中退化過程的減弱有關。還擔心NSAIDs可能對患者有害。例如，NSAIDs對於胃、胃腸道、肝與腎具有公知的毒性作用。然而，阿斯匹林抑制動物體內蛋白聚糖合成與正常的軟骨修復過程。一項對於人類的研究表明，吲哚美辛(indomethacin)可能加速臀部軟骨的破裂。所有不良作用在老年人中更加常見，他們正是最易患骨關節炎的群體。
在通常稱為骨質疏鬆症的疾病中，骨骼軟化並變得異常疏鬆。骨骼包括細胞與細胞間質的有機成分和無機或礦物成分。細胞與細胞間質構成膠原纖維的主體，該膠原纖維注入有磷酸鈣(85％)和碳酸鈣(10％)的礦物成分，其為骨骼提供硬度。儘管認為骨質疏鬆症常見於老年人，但某些類型的骨質疏鬆症可影響所有年齡段的人，他們的骨骼不能經受機能應力。在這種情況下，患者在延長的固定期中可能經歷皮質骨與海綿骨的大量損失。已知老年人在骨折後固定時，會由於不使用而經歷骨質損失，這可最終導致在已經骨質疏鬆的骨骼中的二次骨折。降低的骨密度可導致椎骨塌陷，臀部、下臂、手腕、腳踝骨折和失能型疼痛(incapacitating pains)。需要這些疾病的非手術替代療法。
自從食品和藥物管理局在1979年批准以來，脈衝電磁場(PEMF)和電容耦合(CC)已經在骨骼治療中廣泛地用於治療未癒合骨折和相關問題。這種試驗治療形式的最初基礎是觀察到骨骼上的物理應力導致出現微弱的電流，該電流與機械應變一起被認為是物理應力轉換為促進骨骼形成的信號的潛在機制。連同成功治療骨不連合的直接電場刺激一起，還發現使用PEMF和電容耦合(其中，將電極置於治療區的皮膚上)的無創技術也是有效的。脈衝電磁場在高電感性的細胞外液中產生小的感應電流(法拉第電流)，而電容耦合直接在組織中引起電流；PEMF和CC都因此模仿內源電流。
起初認為內源電流是由在骨骼中晶體表面出現的現象導致，現在已經表明內源電流主要是由於液體的流動造成，生成所謂的「流動電勢」，該液體包含骨骼間的電解液，骨骼包含帶有固定負電荷的有機成分。對於軟骨中電現象的研究顯示了一種機械-電子轉換機制，該機制類似對於骨骼的說明，當機械壓縮軟骨時出現，引起蛋白聚糖中固定負電荷表面上的液體和電解液以及軟骨細胞間質中膠原質的流動。這些流動電勢在軟骨中顯然用於與在骨骼中類似的目的，並且連同機械應變一起導致信號轉換，該轉換能夠促進細胞間質成分的軟骨細胞合成。
直流電、電容耦合與PEMF已主要應用於骨折不癒合治療的整型手術中(Brighton等，J.Bone Joint Surg.，632-12，1981；Brighton和Pollack，J.Bone Joint Surg.，67577-585，1985；Bassett等，Crit.Rev.Biomed.Eng.，17451-529，1989；Bassett等，JAMA 247623-628，1982)。已經在成人臀部缺血性壞死和兒童Legg-Perthes病例中報告了臨床反應。Bassett等，Clin.Orthop.246172-176，1989；Aaron等，Clin.Orthop.249209-218，1989；Harrison等，J.Pediatr.Orthop.4579-584，1984。已經表明，PEMF(Mooney，Spine，15708-712，1990)和電容耦合(Goodwin，Brighton等，Spine，241349-1356，1999)能夠顯著增加腰椎椎間融合術的成功率。還報告了周圍神經再生和機能的增加與血管生成的促進。Bassett，Bioessays 636-42，1987。難以用類固醇注射和其它常規方法治癒的長期軸轉肌肌鍵炎患者與用安慰劑治療的患者相比表現出顯著的益處。Binder等，Lancet 695-698，1984。最後，Brighton等已經表明適當的電場耦合在老鼠中對於預防和治療腰椎中脊椎骨質疏鬆症的作用(Brighton等，J.Orthop.Res.6676-684，1988；Brighton等，J.Joint Surg.71228-236；1989)。
就在最近，本領域的研究集中在刺激組織與細胞的效果上。例如，假設直流電並不穿透細胞膜並且通過胞外細胞間質差異獲得控制(Grodzinsky，Crit.Rev.Biomed，Eng.9133，1983)。與直流電相比較，有報告稱PEMFs可滲透所有細胞膜，並且刺激它們或直接影響細胞間的細胞器官。一項對於PEMFs對細胞外基質和活有機體軟骨內骨化影響的檢驗發現增加的軟骨分子合成和骨小梁的形成(Aaron等，J.Bone Miner.Res.4227-233，1989)。最近，Lorich，Brighton等報告(Clin.Orthop.Related Res.350246-256，1998)稱電容性耦合的電子信號的信號轉換是藉助於電壓門控鈣通道，導致游離鈣的增加和隨後的活性(細胞骨架)鈣調素的增加。
對組織培養投入了大量研究，以理解反應的機制。在一項研究中發現電場增大[3H]-胸腺核苷滲入至軟骨細胞的DNA，支持了由電刺激生成的Na+和Ca+流促發DNA合成的觀點(Rodam等，Science 199690-692，1978)。研究發現了由於電子擾動造成的第二信使，cAMP的變化和細胞骨架的重新排列(Ryaby等，Trans.BRAGS 61986；Jones等，Trans.BRAGS 651，1986；Brighton和Townsend，J.Orthop.Res.6552-558，1988)。其它研究已經發現對於糖胺聚糖、硫酸鹽化、透明質酸、溶菌酶活力以及多肽序列的作用(Norton等，J.Orthop.Res.6685-689，1988；Goodman等，Proc.Natn.Acad.Sci.USA 853928-39321988)。
本發明者於1996年報告稱循環雙軸的0.17％機械應變在培養的MC3T3-E1骨細胞中產生了TGF-β1mRNA的顯著增加(Brighton等，Biochem.Biohpys.Res.Commun.229449-453，1996)。隨後在1997年進行了幾項重要的研究。在其中一項研究中報告稱同樣的循環雙軸的0.17％機械應變在類似的骨細胞中產生了PDGF-A mRNA的顯著增加(Brighton等，Biochem.Biophys.Res.Commun.43339-346，1997)。還報告稱60kHz的20mV/cm電容性耦合電場在類似的骨細胞中產生TGF-β1的顯著增加(Brighton等，Biochem.Biophys.Res.Commun.237225-229，1997)。然而，在該文獻中沒有報告這樣的場對於其它基因的影響。
在上面參考的題為「Regulation of Genes Via Application of Specificand Selective Electrical and Electromagnetic Signals」的父專利申請中，公開了確定特定的和選擇的電子和電磁信號的方法，這些信號用於產生特定的和選擇的場，以調節患病或受傷組織的目標基因。本發明建立於其中說明的技術之上，說明了確定所需的電壓和電流輸出的方法和將特定的和選擇的電子與電磁信號傳遞到患有骨關節炎和其它軟骨缺損、疾病和損傷的患者的人類膝關節的對應裝置。

發明內容
本發明涉及通過將由特定的和選擇的電子和/或電磁信號產生的特定的和選擇的場施加至人體膝部，治療人體膝關節中的骨關節炎和其它軟骨疾病、缺損和損傷。本發明包括一種確定信號的電壓與電流的方法，以將電極或線圈應用至膝部進行治療。
更具體地，本發明涉及一種通過將特定的和選擇的電或電磁場施加至人類的患病組織，治療人類患病組織的方法，包括膝部的骨關節炎和其它軟骨疾病、缺損和損傷。該方法包括以下步驟確定提供治療對應於人體患病組織的動物模型中患病組織的電壓與電流輸出；確定動物模型中患病組織的總組織體積和解剖尺寸；確定人類患病組織的總組織體積的解剖尺寸；基於比較人類患病組織的總組織體積和解剖尺寸與動物模型中患病組織的總組織體積，按比例縮放動物模型中使用的電壓與電流輸出；以及將按比例縮放的電壓與電流施加至人類患病組織。
為了確定人類膝部的解剖與組織體積因子，開發了人類膝部的分析模型，該模型考慮了膝關節不同部分對於總組織體積的貢獻。根據導出的用於確定電流和電壓信號的電場和/或電流密度直方圖，確定施加至膝部的電極間的組織的導電率，膝部內骨骼、軟骨、骨髓、肌肉和脂肪的電場幅度，膝部內骨骼、軟骨、骨髓、肌肉和脂肪的電流密度幅度，膝部不同厚度的關節軟骨的電場幅度，不同尺寸的膝部的電場幅度，沒有膝部皮下脂肪的電場幅度，有和沒有膝部皮下脂肪的電流密度幅度，對於膝部呈縱向的至少兩個位置的電場幅度和電流密度，以及來自外部信號源的施加至人體的至少兩個有效驅動信號的變化，以將其施加至膝部，產生所需的治療場。
應當理解，以特定頻率對諸如膝部的解剖結構施加的電壓的單一值在每個組織間室導致電場與電流密度的範圍值。這源自活體結構中解剖間室的空間複雜性和它們的不同電特性。相應地，由此分析得到的直方圖提供了組織體積的百分比，因此電場或電流密度具有作為電場與電流密度範圍值的函數的特定值。例如，施加60kHz 0.25v幅度的正弦電壓值在野兔膝部大小的膝部的軟骨/滑膜中產生約為8mV/cm至200mV/cm的電場幅度的峰值範圍，然而，在人類膝部中，需要60kHz5V的正弦波電壓幅度獲得峰值範圍的近似重疊。在接收治療的組織中電場幅度值的範圍在本發明中是重要的「劑量」。
從分析模型得到的值的範圍必須包括從對於刺激電場的細胞反應的詳細研究中得到的值。因此，人們測量從目標組織提取的細胞的電場劑量反應，以確定最有效的電場幅度。然後，根據顯示的直方圖，確定要施加的外部電壓和電流，首先施加至動物模型，然後施加至人類，以便包括治療目標組織處的這些有效電參數。在這裡說明的示例中，對於施加的信號採用60kHz的頻率，以獲得特定的數值。所以，所有組織間室的阻抗在60kHz的頻率獲得。本領域的資深研究人員可在其它頻率下進行相同的分析，將組織阻抗調整為它們在新頻率下的值，並且在任一選擇的頻率或頻率組中獲得不同的電場與電流密度範圍值。
本發明還包括一種通過向人類膝關節中的患病組織施加特定的和選擇的電或電磁場，來治療人類膝關節中病變組織(例如骨關節炎)，缺損或損傷組織的方法和裝置。這種根據本發明電容耦合實施例的裝置包括至少兩個電極，其用於施加至患者膝關節附近，以及信號發生器，其生成施加至電極的電子信號，以在患者膝關節的滑膜和關節軟骨中產生約8mV/cm至360mV/cm的電場幅度。本發明的電感耦合實施例包括線圈，調整並配置其接收電子信號，以產生這些電場。優選地，信號發生器提供多個輸出電信號中的一個，信號電壓由用戶根據人體膝關節的大小進行選擇。較大的膝關節接收具有較大電壓的信號。
在下面對於本發明的詳細說明中將闡述本發明的這些和其它方面。


根據本發明的下述詳細說明並結合附圖，本發明將變得顯而易見，在圖中圖1表示施加有電極的人體膝關節，電極用於治療骨關節炎，軟骨缺損，其遵照本發明。
圖2表示圖1的人類膝關節的分析模型的前視圖，其用於計算治療骨關節炎的電壓與電流需求，其遵照本發明。
圖3表示圖1的人體膝關節的分析模型的剖視圖，其用於計算治療骨關節炎的電壓與電流需求，其遵照本發明。
圖4表示電場直方圖，其對於每個組織繪製了作為電場幅度的函數的總組織體積的百分比。
圖5表示電流密度直方圖，其對於每個組織繪製了作為電流密度幅度的函數的總組織體積的百分比。
圖6表示電場直方圖，其對於軟骨/滑膜間室的三個間隙寬度值繪製了作為電場幅度的函數的總組織體積的百分比。
圖7表示電場直方圖，其表明隨著膝部尺寸從野兔膝部尺寸增大至人類膝部尺寸，軟骨/滑膜液體間室中的電場降低。
圖8表示對於具有和沒有皮下脂肪的人類膝部的分析模型的電場直方圖。
圖9表示對於具有和沒有皮下脂肪的人體膝部的分析模型的電流密度直方圖。
圖10表示在人體膝部的分析模型中，對於相對於軟骨區的四個電極縱向位置的電場直方圖。
圖11表示在人體膝部的分析模型中，對於相對於軟骨區的四個電極縱向位置的電流密度直方圖。
圖12表示對於有效驅動信號的野兔腓骨截骨和人類脛骨骨不連合的解剖模型的電場直方圖。
圖13表示對於有效驅動信號的野兔腓骨截骨和人類脛骨骨不連合的解剖模型的電流密度直方圖。
圖14表示施加有線圈的人類膝關節，該線圈用於治療由於外傷和運動損傷引起的骨關節炎、軟骨缺損，或者用作使用電感耦合治療軟骨缺損的其它治療方法(膝部移植，組織工程支架，生長因子等)的附件。
圖15表示總共為N匝的半徑為α，長度為1的導線線圈，在使用電感耦合時，其確定用於製作在關節軟骨中產生所需電場的線圈所需的導線匝數與尺寸。
圖16表示沿計算磁通量的軸線對於膝關節區的線圈的剖視圖。
具體實施例方式
下面將參考圖1-16詳細說明本發明。本領域的技術人員將認識到，文中參考這些圖給出的說明僅是出於示例目的，並不以任何方式限制本發明的範圍。通過參考所附權利要求可解決關於本發明的範圍的所有問題。
如文中所使用的，短語「信號」用於指各種信號，包括設備輸出的機械信號、超聲信號、電磁信號和電子信號。
如文中所使用的，術語「場」指目標組織中的電場，無論其為組合場或脈衝電磁場或由直流電，電容耦合或電感耦合所產生。
所述實施例說明本發明者以前的研究已經表明，電容性耦合的場顯著地增加了在培養液中生長的骨骼細胞的繁殖(Brighton，Pollack等，J.Orthop.Res.3331-340，1985)，並且顯著地增加了老鼠腓骨骨折模型中的治癒率(Brighton，Pollack等，Clin.Orthop.Related Res.285255-262，1992)。另外，也已經確定了在電容性耦合的電刺激期間老鼠椎體中的電場分布(Carter，Vresilovic，Pollack和Brighton，IEEE Trans.Biomed.Eng.36(-3)333-334，1989)。為了確定在人體膝部產生等效的電場和電流密度所需的輸出電壓和電流，如在骨骼細胞與野兔腓骨研究中所發現的，開發了在圖2和3中所示的分析模型，其遵照本發明，用於表示在圖1中所示的典型的人類膝關節。
如在圖1中所示，典型的人類膝關節包括充滿滑液的間室，其分別由股骨和脛骨端部的軟骨，和纖維囊包圍。遵照本發明，通過藉助連接至基本如圖1所示的膝關節的柔軟電極施加特定的和選擇的電場，來治療膝關節中的骨關節炎。信號發生器向電極提供適當的信號，生成該特定的和選擇的電場。使用圖2和3中所示的膝關節分析模型計算治療膝關節骨關節炎所需的特定的和選擇的電場，其遵照本發明。
在圖2和3的分析模型中，標識如下元件電極1，皮膚2，肌肉3，骨骼4以及軟骨與滑液間室5。在應用該分析模型時，進行如下關於元件大小的假設股骨寬度＝76.5mm；脛骨寬度＝101.5mm；以及電極間距離＝108mm。並沒有包括韌帶的電特性的具體量，當然，認為除過軟骨和骨骼外的空間具有與肌肉和骨髓一樣的電特性。另外，測量得到這些包括在此項研究中的組織的導電率，如下
材料 60kHz下的復導電率(S/m)肌肉平行於纖維7.0×10-1纖維於垂直2.0×10-1骨髓 2.0×10-1骨皮質1.0×10-2軟骨 8.9×10-2皮下脂肪 2.0×10-160kHz下的導納/面積(S/cm2)電極皮膚接口 3.0×10-2如下面所解釋，對於三個尺寸0.3cm，2.3cm和4.3cm計算軟骨與滑液間室5，並將施加的電極電勢(兩個電極間的電勢)取為1.0V。
對於作為電場與電流密度的函數的各種參數，在下面給出了在60kHz 1.0v峰峰值的施加電壓下，人類膝部分析模型的近似結果。
如圖4中所示，軟骨/滑液間室5中的電場在該間室的全部體積中的值並不均勻。對於所有間室也是如此，並且甚至反映出分析模型的複雜幾何形狀。另外，如圖5中所示，軟骨/滑液間室5中的電場在該間室的全部體積中的值並不均勻。對於其它所有間室也是如此，並且甚至反映出分析模型中的複雜幾何形狀。
如圖6中所示，隨著軟骨/滑液間室5的厚度增加，軟骨/滑液間室5中的電場增大並變得更加均勻。
如圖7中所示，隨著膝部尺寸從兔類膝部尺寸增大至人類膝部尺寸，軟骨/滑液間室5中的電場降低。總而言之，發現增加或降低膝部直徑能夠隨兩個電極間距離的倒數改變整個場分布。換言之，膝部直徑越大，固定的施加電壓的電場就越小。
還已經發現皮下脂肪量對於場和電流密度幾乎沒有影響。皮下脂肪比肌肉具有更低的導電率，並且因此，電場(圖8)和電流密度(圖9)略微降低，但這在膝部的大多數情況並不顯著。
最後，發現置於膝部之上的電極1相對於軟骨/滑液間室5不正確的對齊並不是關鍵的。考慮了四種情況1)縫隙中間(軟骨/滑液間室5的中間)；2)縫隙下1/2直徑；3)縫隙下1倍直徑；以及4)縫隙下2倍直徑。在圖10中示出了對於電場的結果，並且在圖11中示出對於電流密度的結果。從而，在此模型中電極的對齊並不是關鍵因素。
按照順序從骨骼細胞研究至動物研究，直至人類研究，說明本發明者對於利用電容耦合的刺激骨折治癒的先前工作，其導致逐漸理解場與電流水平。
細胞(有機活體)結果在20mV/cm電場，200A/cm2電流密度的最大效果。
動物(野兔)結果在野兔膝部上具有電極的裝骨折骨痂的成功治癒 置的0.25Vp-p電壓輸出。骨折骨痂中8-200mV/cm的近似電場峰值範圍。骨折骨痂中8-195μA/cm2的近似電流密度峰值範圍。
人類(骨不連合)結果在皮膚上具有電極的裝置的5骨不連合骨折的成功治癒 Vp-p電壓輸出。8-360mV/cm的近似電場峰值範圍。8-300μA/cm2的近似電流密度峰值範圍。
這在圖12和13中示出，其中比較了野兔骨折模型和人類骨不連合模型的解剖模型。可以看出，根據動物模型和人類模型間的相對組織體積，在同樣的組織水平，通過按比率縮放從外部施加的用於治療的裝置電壓，可獲得同樣成功的電刺激條件。
作為前述各種比較的結果，本發明者已經確定，骨痂(參見圖12骨痂)中的和用於骨骼細胞有機活體研究的場(E)和電流密度的治療有效範圍希望為(J)動物/人類骨痂骨骼細胞E 8mV/cm至180mV/cm 20mV/cmJ 8μA/cm2至180μA/cm2200μA/cm2這些電場幅度與電流密度的人類/動物範圍考慮了一個重要因素。即它們的極限必須包括從骨骼細胞研究中得到的結果，其中幾何因素允許更加精確的場確定。這樣，隨著施加的正弦電壓循環通過該正弦波，人類/動物組織的範圍循環通過電場與電流密度的治療有效範圍。
由於有機活體軟骨細胞的結果還在20mV/cm的有效場出現，並且由於測得的人體膝關節周長近似與測得的給定患者的小腿中部區域的直徑相同，所以將與在人類脛骨骨折模型(圖12)中使用的相同縮放因子5應用於圖2的人類膝關節分析模型，其中骨痂由滑膜和關節軟骨代替。
從而，如果給定人體膝部周長＝15.7英寸，則直徑＝5英寸。這是在骨關節炎患者中測得的最常見的平均膝部周長。5Vp-p的輸出電壓應當在平均大小的膝關節軟骨/滑膜間室中產生上述E場和電流強度。較小的膝關節直徑，比如說例如4.6英寸，將需要較低的電壓輸出(4.6Vp-p)，非常大的膝關節直徑，比如說7.6英寸，將需要更大的電壓輸出(7.6Vp-p)。從而，4.6Vp-p至7.6Vp-p的電壓輸出將涵蓋到目前為止測得的全部膝部尺寸範圍，以便在如上所述的軟骨/滑液間室中產生所需的治療E場和電流密度。在施加電壓中±10％的變化是允許的，這是因為解剖複雜性導致的E與J值的分布。
從而，遵照該發明，確定患者膝部的近似大小(並因此確定近似直徑)，並且生成並將信號施加至電極，該電極將生成所需的8mV/cm至360cV/cm的電場和8μA/cm2至300μA/cm2的電流密度範圍，例如用於治療膝部骨關節炎。優選地，信號發生器包括選擇控制(圖1)，其允許操作者基於患者膝部大小選擇合適的輸出。
還遵照本發明，利用圖14中所示的電感耦合裝置類型向患病的或受外傷的關節軟骨傳遞合適的電場。為了計算圖14中線圈生成的電場，我們設想了一種包含N匝線圈的彈性繃帶，其在膝部上滑動，並置於其上中央。電池供電的電流源連接至線圈引線，使得時變電流流過該線圈。該電流產生磁通量，該磁通量又產生時變電場。應當理解，通過電源可控制電流幅度、頻率、佔空比和波形，以產生E場的治療值。我們現在計算將實現此目的的各個組合。
表示N匝導線線圈和此線圈剖面圖的示意圖分別示於圖15和16。角度θ1和θ2是在X軸上計算磁通量的點和線圈在+Z和-Z方向上的端點之間的夾角。對於任意尺寸，由下式給出通量(1)---B=120NlI(sin2-sin1)]]>其中，sin1=l1l12+a2]]>sin2=l2l22+a2]]>並且I為線圈中的電流，l為線圈的長度，μ0為空氣(和組織)的磁導率。在線圈的中央區域，螺線管的場相當均勻，以至於我們可以選擇相等的l1和l2。由於sinθ1為負數，這是因為l1沿Z軸為負，所以，如果l1＝l2，則sinθ2-sinθ1＝2sinθ2。
因此，等式(1)變為(2)---B=0NlI(l(l2+4a2)12)]]>電流I為正弦變化的電流，並且其可寫為(3)I＝I0-eiωt其中I0為正弦電流的幅度，ω為2π倍頻率(我們設置頻率為60kHz)，並且i為虛數 該記號等效於下式(4)I＝I0sinωt因此式(2)變為(5)---B=0NlI0(l(l2+4a2)12)sint]]>通過麥克斯韋方程我們可獲得與時變磁通量關聯的電場幅度的表達式。應當注意，該磁通量平行於腿部的長軸，並因此垂直於膝部軟骨平面。然而，該電場位於軟骨平面中，在方向上為環形，並且幅度隨半徑變化，使得在膝部的幾何中心，該電場幅度為零，並且其幅度以與半徑線性相關的方式增大。
該理論認為(6)---|E|=-dBdtr2]]>其中|E|為電場幅度，dB/dt為式(5)對時間的導數，並且r為從膝關節的幾何中心至任意半徑r的距離。將式(5)代入式(6)並且進行微分，得到(7)---|E|=0NlI0cost(l(l2+4a2)12)r2]]>其中，cosω表示該電場與磁通量呈90°異相。
如果我們代入式(7)中的所有參數值，也就是a＝6.35×10-2米l＝6.35×10-2米μo＝4π×10-7T米/AN＝3×103匝Io＝100mAr＝6.35×10-2米=2601031sec]]>我們得到|E|Max＝315mV/cm其中，|E|Max為膝部最大半徑處，即6.35×10-2米處的幅度。
因此，對於任何給定的磁場循環，膝部中心具有零電場，而在極限半徑處，電場從0至315mV/cm循環。為了使90％軟骨滑膜區具有20mV/cm的電場強度，膝關節周圍的最大場必須為65mV/cm。這意味著轉換器中的匝數(N)能夠從3000降至(65/315)×3000＝620。
儘管在上面說明了本發明的實現，但本領域的技術人員將認識到，可能有許多附加修改，本質上不脫離本發明新穎的思路與優勢。任何這樣的修改將包含於本發明的範圍內，如下面的權利要求所定義。
權利要求
1.一種治療人類患病組織的方法，其通過將特定的和選擇的電或電磁場施加至人類的患病組織，該方法包括以下步驟a.確定電壓和電流輸出，其提供對於動物模型中與人類患病組織對應的患病組織的治療；b.確定動物模型中患病組織的總組織體積；c.確定人類患病組織的總組織體積；d.基於解剖尺寸和人類患病組織的總組織體積對於動物模型中患病組織的總組織體積和解剖尺寸的比率，按比例縮放在動物模型中使用的電壓與電流輸出；e.將按比例縮放的電壓與電流施加至人類的患病組織。
2.權利要求1所述的方法，其中，施加按比例縮放的電壓與電流的步驟包括在電容耦合的情況下用兩個電極向人類施加按比例縮放的電壓和電流的步驟。
3.權利要求1所述的方法，其中，施加按比例縮放的電壓與電流的步驟包括在電感耦合的情況下用螺線管或線圈向人類施加按比例縮放的電壓和電流的步驟。
4.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括使用人類膝部分析模型的步驟。
5.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用在至少兩個電極間的組織的導電率確定對於兩個或更多尺寸的軟骨與滑液間室施加的電極電勢的步驟。
6.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電場直方圖確定作為患者膝部的骨骼、軟骨、骨髓、肌肉和脂肪的電場幅度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
7.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電流密度直方圖確定作為患者膝部的骨骼、軟骨、骨髓、肌肉和脂肪的電流密度幅度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
8.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電場直方圖確定作為膝部不同厚度的關節軟骨的電場幅度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
9.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電場直方圖確定作為不同尺寸膝部的電場幅度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
10.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電場直方圖確定作為患者膝部沒有皮下脂肪時的電場幅度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
11.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電流密度直方圖確定作為患者膝部的沒有皮下脂肪時的電流密度幅度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
12.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電場直方圖確定作為相對於患者膝部至少兩個縱向位置電極的電場幅度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
13.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電流密度直方圖確定作為相對於患者膝部至少兩個縱向位置電極的電流密度的函數的總組織體積的百分比的步驟。
14.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電場直方圖確定作為來自外部信號發生器並施加至人體的至少兩個有效驅動信號的函數的總組織體積的百分比的步驟。
15.權利要求1所述的方法，其中，人類組織體積確定步驟包括利用電流密度直方圖確定作為來自外部信號發生器並施加至人體的至少兩個有效驅動信號的函數的總組織體積的百分比的步驟。
16.一種裝置，其通過將特定的和選擇的電或電磁場施加至人類膝關節的患病或損傷組織來治療人類膝關節中患病組織，該裝置包括a.下列之一(a)至少兩個電極，在電容耦合的情況下用於施加至患者膝關節附近；以及(b)螺線管或至少一個線圈，在電感耦合的情況下用於施加至患者膝關節附近；b.信號發生器，其生成施加至電極、螺線管或至少一個線圈的電信號，以在患者膝關節的滑液和關節軟骨中產生約8mV/cm至360mV/cm範圍的電場和約8μA/cm2至300μA/cm2範圍的電流密度。
17.一種裝置，其用於治療由外傷或運動損傷引起的骨關節炎、軟骨缺損，或用作通過向人類膝關節中的疼痛組織施加特定的和選擇的電或電磁場治療人類膝關節軟骨缺損的其它治療方法的輔助手段，包括a.下列之一(a)至少兩個電極，以及(b)螺線管或至少一個線圈，用於施加至患者膝關節附近；b.信號發生器，其生成施加至電極、螺線管或至少一個線圈的電信號，以在患者膝關節的滑液和關節軟骨中產生約8mV/cm至360mV/cm範圍的電場和約8μA/cm2至300μA/cm2範圍的電流密度。
18.權利要求17所述的裝置，其中，該信號發生器提供多個輸出電信號中的一個，電壓由用戶根據人類膝關節的尺寸進行選擇。
19.權利要求18所述的方法，其中，對於小尺寸的膝關節，信號發生器在60kHz頻率下的多個輸出電信號中的一個具有約為4.6Vp-p±10％的電壓。
20.權利要求18所述的方法，其中，對於平均尺寸的膝關節，信號發生器在60kHz頻率下的多個輸出電信號中的一個具有約為5.0Vp-p±10％的電壓。
21.權利要求18所述的方法，其中，對於大尺寸的膝關節，信號發生器在60kHz頻率下的多個輸出電信號中的一個具有約為5.6Vp-p±10％的電壓。
22.權利要求18所述的方法，其中，對於極大尺寸的膝關節，信號發生器在60kHz頻率下的多個輸出電信號中的一個具有約為7.6Vp-p±10％的電壓。
23.一種方法，其用於治療由外傷或運動損傷引起的骨關節炎、軟骨缺損，或用作通過向人類膝關節中的疼痛組織施加特定的和選擇的電或電磁場治療人類膝關節軟骨缺損的其它治療方法的輔助手段，包括以下步驟a.將電勢轉換為電信號，當將該電信號施加至下列之一時，(a)至少兩個電極，以及(b)螺線管或至少一個線圈，其用於施加至患者膝關節附近，在患者膝關節的滑液和關節軟骨中產生不小於約8mV/cm至360mV/cm範圍的電場和約8μA/cm2至300μA/cm2範圍的電流密度。b.將該電信號施加至(a)該至少兩個電極，或者(b)螺線管或至少一個線圈，以在患者膝關節的滑液和關節軟骨中產生該電場。
24.權利要求23所述的方法，包括選擇多個輸出電信號中的一個的附加步驟，電壓根據人類膝關節的直徑。
25.權利要求24所述的方法，其中，選擇步驟包括對於小尺寸膝關節選擇具有約為4.6Vp-p±10％的電壓的60kHz頻率電信號的步驟。
26.權利要求24所述的方法，其中，選擇步驟包括對於平均尺寸膝關節選擇具有約為5.0Vp-p±10％的電壓的60kHz頻率電信號的步驟。
27.權利要求24所述的方法，其中，選擇步驟包括對於大尺寸膝關節選擇具有約為5.6Vp-p±10％的電壓的60kHz頻率電信號的步驟。
28.權利要求24所述的方法，其中，選擇步驟包括對於極大尺寸膝關節選擇具有約為7.6Vp-p±10％的電壓的60kHz頻率電信號的步驟。
全文摘要
一種確定電壓和電流輸出的方法，其在治療由於外傷或運動損傷引起的骨關節炎、軟骨缺損中需要用於將特定的和選擇的電子與電磁信號應用至患病的關節軟骨，或作為治療人類膝關節軟骨缺損的其它治療方法(例如，細胞移植，組織工程支架，生長因子等)的輔助方法，以及一種將這些信號傳遞至患者膝部的裝置。開發了一種人類膝部的分析模型，由此可確定人類膝部中的總組織體積，用於通過電場與電流密度直方圖與動物模型中的患病組織的總組織體積進行比較。基於人類患病組織的總組織體積對於動物模型中患病組織的總組織體積的比率，按比例縮放動物模型中使用的電壓與電流輸出，並利用施加膝部的至少兩個電極或圍繞膝部放置的線圈或螺線管，將產生的場施加至人類的患病組織。施加至電極、線圈或螺線管的信號的電壓基於膝關節的尺寸變化；較大的膝關節需要較大的電壓以產生有效的電場。
文檔編號C12N13/00GK101076368SQ200480019574
公開日2007年11月21日 申請日期2004年6月9日 優先權日2003年6月9日
發明者卡爾·T·布萊頓, 所羅門·R·波拉克 申請人:賓夕法尼亞大學理事會