CN101076368A - 治疗人类膝部骨关节炎、软骨病及缺损和损伤的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种确定电压和电流输出的方法，其在治疗由于外伤或运动损伤引起的骨关节炎、软骨缺损中需要用于将特定的和选择的电子与电磁信号应用至患病的关节软骨，或作为治疗人类膝关节软骨缺损的其它治疗方法(例如，细胞移植，组织工程支架，生长因子等)的辅助方法，以及一种将这些信号传递至患者膝部的装置。开发了一种人类膝部的分析模型，由此可确定人类膝部中的总组织体积，用于通过电场与电流密度直方图与动物模型中的患病组织的总组织体积进行比较。基于人类患病组织的总组织体积对于动物模型中患病组织的总组织体积的比率，按比例缩放动物模型中使用的电压与电流输出，并利用施加膝部的至少两个电极或围绕膝部放置的线圈或螺线管，将产生的场施加至人类的患病组织。施加至电极、线圈或螺线管的信号的电压基于膝关节的尺寸变化；较大的膝关节需要较大的电压以产生有效的电场。

Description

治疗人类膝部骨关节炎、软骨病及缺损和损伤的方法与装置

相关申请参考

本专利申请要求在2003年6月9日提交的序列号为No.10/457,167的美国专利申请的优先权，其为美国专利申请No.10/258,126的专利申请的部分继续申请，该申请为在2001年2月23日提交的PCT/US01/05991的美国国家阶段专利申请，其要求在2000年2月23日提交的美国临时专利申请No.60/184,491的申请日。

技术领域

本发明涉及一种确定电压和电流输出的方法，其用于在治疗由于外伤或运动损伤引起的骨关节炎、软骨缺损中需要用于将特定的和选择的电子与电磁信号应用至患病的关节软骨，或作为治疗人体膝关节软骨缺损的其它治疗方法(例如，细胞移植，组织工程支架，生长因子等)的辅助方法，本发明还涉及将这些信号传递至患者膝部的装置。

背景技术

相信在各种生物组织和细胞中存在的生物电作用与活动是最不了解的生理过程之一。然而，最近对于关于某些组织与细胞的生长与修复的这些作用与活动已投入了大量的研究。特别对于电与电磁场刺激及其对于骨骼与软骨的生长与修复的影响投入了大量研究。研究者认为这些研究在开发各种医学问题的新治疗方法方面可能有用。

骨关节炎，也称为退化性关节炎，特征在于关节软骨的退化和软骨下骨的增生与重构。常见的症状为僵硬、运动限制和疼痛。骨关节炎是关节炎的最常见形式，且患病率随年龄显著上升。已经表明，具有自我报告的骨关节炎的老年患者和他们未患病的同龄人一样看两次医生。相对于它们年龄段的其它人，这些患者还要经历更多天数的受限活动和病床护理。在一项研究中，大多数病症患者在后面的8年中变得极度残疾。Massardo等，Ann Rheum Dis 48：893-7(1989)。

非甾体抗炎药(NSAIDs)是骨关节炎的主要治疗形式。目前尚不清楚NSAIDs的功效是否与它们的止痛或消炎性质或者软骨中退化过程的减弱有关。还担心NSAIDs可能对患者有害。例如，NSAIDs对于胃、胃肠道、肝与肾具有公知的毒性作用。然而，阿斯匹林抑制动物体内蛋白聚糖合成与正常的软骨修复过程。一项对于人类的研究表明，吲哚美辛(indomethacin)可能加速臀部软骨的破裂。所有不良作用在老年人中更加常见，他们正是最易患骨关节炎的群体。

在通常称为骨质疏松症的疾病中，骨骼软化并变得异常疏松。骨骼包括细胞与细胞间质的有机成分和无机或矿物成分。细胞与细胞间质构成胶原纤维的主体，该胶原纤维注入有磷酸钙(85％)和碳酸钙(10％)的矿物成分，其为骨骼提供硬度。尽管认为骨质疏松症常见于老年人，但某些类型的骨质疏松症可影响所有年龄段的人，他们的骨骼不能经受机能应力。在这种情况下，患者在延长的固定期中可能经历皮质骨与海绵骨的大量损失。已知老年人在骨折后固定时，会由于不使用而经历骨质损失，这可最终导致在已经骨质疏松的骨骼中的二次骨折。降低的骨密度可导致椎骨塌陷，臀部、下臂、手腕、脚踝骨折和失能型疼痛(incapacitating pains)。需要这些疾病的非手术替代疗法。

自从食品和药物管理局在1979年批准以来，脉冲电磁场(PEMF)和电容耦合(CC)已经在骨骼治疗中广泛地用于治疗未愈合骨折和相关问题。这种试验治疗形式的最初基础是观察到骨骼上的物理应力导致出现微弱的电流，该电流与机械应变一起被认为是物理应力转换为促进骨骼形成的信号的潜在机制。连同成功治疗骨不连合的直接电场刺激一起，还发现使用PEMF和电容耦合(其中，将电极置于治疗区的皮肤上)的无创技术也是有效的。脉冲电磁场在高电感性的细胞外液中产生小的感应电流(法拉第电流)，而电容耦合直接在组织中引起电流；PEMF和CC都因此模仿内源电流。

起初认为内源电流是由在骨骼中晶体表面出现的现象导致，现在已经表明内源电流主要是由于液体的流动造成，生成所谓的“流动电势”，该液体包含骨骼间的电解液，骨骼包含带有固定负电荷的有机成分。对于软骨中电现象的研究显示了一种机械-电子转换机制，该机制类似对于骨骼的说明，当机械压缩软骨时出现，引起蛋白聚糖中固定负电荷表面上的液体和电解液以及软骨细胞间质中胶原质的流动。这些流动电势在软骨中显然用于与在骨骼中类似的目的，并且连同机械应变一起导致信号转换，该转换能够促进细胞间质成分的软骨细胞合成。

直流电、电容耦合与PEMF已主要应用于骨折不愈合治疗的整型手术中(Brighton等，J.Bone Joint Surg.，63：2-12，1981；Brighton和Pollack，J.Bone Joint Surg.，67：577-585，1985；Bassett等，Crit.Rev.Biomed.Eng.，17：451-529，1989；Bassett等，JAMA 247：623-628，1982)。已经在成人臀部缺血性坏死和儿童Legg-Perthes病例中报告了临床反应。Bassett等，Clin.Orthop.246：172-176，1989；Aaron等，Clin.Orthop.249：209-218，1989；Harrison等，J.Pediatr.Orthop.4：579-584，1984。已经表明，PEMF(Mooney，Spine，15：708-712，1990)和电容耦合(Goodwin，Brighton等，Spine，24：1349-1356，1999)能够显著增加腰椎椎间融合术的成功率。还报告了周围神经再生和机能的增加与血管生成的促进。Bassett，Bioessays 6：36-42，1987。难以用类固醇注射和其它常规方法治愈的长期轴转肌肌键炎患者与用安慰剂治疗的患者相比表现出显著的益处。Binder等，Lancet 695-698，1984。最后，Brighton等已经表明适当的电场耦合在老鼠中对于预防和治疗腰椎中脊椎骨质疏松症的作用(Brighton等，J.Orthop.Res.6：676-684，1988；Brighton等，J.Joint Surg.71：228-236；1989)。

就在最近，本领域的研究集中在刺激组织与细胞的效果上。例如，假设直流电并不穿透细胞膜并且通过胞外细胞间质差异获得控制(Grodzinsky，Crit.Rev.Biomed，Eng.9：133，1983)。与直流电相比较，有报告称PEMFs可渗透所有细胞膜，并且刺激它们或直接影响细胞间的细胞器官。一项对于PEMFs对细胞外基质和活有机体软骨内骨化影响的检验发现增加的软骨分子合成和骨小梁的形成(Aaron等，J.Bone Miner.Res.4：227-233，1989)。最近，Lorich，Brighton等报告(Clin.Orthop.Related Res.350：246-256，1998)称电容性耦合的电子信号的信号转换是借助于电压门控钙通道，导致游离钙的增加和随后的活性(细胞骨架)钙调素的增加。

对组织培养投入了大量研究，以理解反应的机制。在一项研究中发现电场增大[³H]-胸腺核苷渗入至软骨细胞的DNA，支持了由电刺激生成的Na⁺和Ca⁺流促发DNA合成的观点(Rodam等，Science 199：690-692，1978)。研究发现了由于电子扰动造成的第二信使，cAMP的变化和细胞骨架的重新排列(Ryaby等，Trans.BRAGS 6：1986；Jones等，Trans.BRAGS 6：51，1986；Brighton和Townsend，J.Orthop.Res.6：552-558，1988)。其它研究已经发现对于糖胺聚糖、硫酸盐化、透明质酸、溶菌酶活力以及多肽序列的作用(Norton等，J.Orthop.Res.6：685-689，1988；Goodman等，Proc.Natn.Acad.Sci.USA 85：3928-39321988)。

本发明者于1996年报告称循环双轴的0.17％机械应变在培养的MC3T3-E1骨细胞中产生了TGF-β₁mRNA的显著增加(Brighton等，Biochem.Biohpys.Res.Commun.229：449-453，1996)。随后在1997年进行了几项重要的研究。在其中一项研究中报告称同样的循环双轴的0.17％机械应变在类似的骨细胞中产生了PDGF-A mRNA的显著增加(Brighton等，Biochem.Biophys.Res.Commun.43：339-346，1997)。还报告称60kHz的20mV/cm电容性耦合电场在类似的骨细胞中产生TGF-β₁的显著增加(Brighton等，Biochem.Biophys.Res.Commun.237：225-229，1997)。然而，在该文献中没有报告这样的场对于其它基因的影响。

在上面参考的题为“Regulation of Genes Via Application of Specificand Selective Electrical and Electromagnetic Signals”的父专利申请中，公开了确定特定的和选择的电子和电磁信号的方法，这些信号用于产生特定的和选择的场，以调节患病或受伤组织的目标基因。本发明建立于其中说明的技术之上，说明了确定所需的电压和电流输出的方法和将特定的和选择的电子与电磁信号传递到患有骨关节炎和其它软骨缺损、疾病和损伤的患者的人类膝关节的对应装置。

发明内容

本发明涉及通过将由特定的和选择的电子和/或电磁信号产生的特定的和选择的场施加至人体膝部，治疗人体膝关节中的骨关节炎和其它软骨疾病、缺损和损伤。本发明包括一种确定信号的电压与电流的方法，以将电极或线圈应用至膝部进行治疗。

更具体地，本发明涉及一种通过将特定的和选择的电或电磁场施加至人类的患病组织，治疗人类患病组织的方法，包括膝部的骨关节炎和其它软骨疾病、缺损和损伤。该方法包括以下步骤：确定提供治疗对应于人体患病组织的动物模型中患病组织的电压与电流输出；确定动物模型中患病组织的总组织体积和解剖尺寸；确定人类患病组织的总组织体积的解剖尺寸；基于比较人类患病组织的总组织体积和解剖尺寸与动物模型中患病组织的总组织体积，按比例缩放动物模型中使用的电压与电流输出；以及将按比例缩放的电压与电流施加至人类患病组织。

为了确定人类膝部的解剖与组织体积因子，开发了人类膝部的分析模型，该模型考虑了膝关节不同部分对于总组织体积的贡献。根据导出的用于确定电流和电压信号的电场和/或电流密度直方图，确定施加至膝部的电极间的组织的导电率，膝部内骨骼、软骨、骨髓、肌肉和脂肪的电场幅度，膝部内骨骼、软骨、骨髓、肌肉和脂肪的电流密度幅度，膝部不同厚度的关节软骨的电场幅度，不同尺寸的膝部的电场幅度，没有膝部皮下脂肪的电场幅度，有和没有膝部皮下脂肪的电流密度幅度，对于膝部呈纵向的至少两个位置的电场幅度和电流密度，以及来自外部信号源的施加至人体的至少两个有效驱动信号的变化，以将其施加至膝部，产生所需的治疗场。

应当理解，以特定频率对诸如膝部的解剖结构施加的电压的单一值在每个组织间室导致电场与电流密度的范围值。这源自活体结构中解剖间室的空间复杂性和它们的不同电特性。相应地，由此分析得到的直方图提供了组织体积的百分比，因此电场或电流密度具有作为电场与电流密度范围值的函数的特定值。例如，施加60kHz 0.25v幅度的正弦电压值在野兔膝部大小的膝部的软骨/滑膜中产生约为8mV/cm至200mV/cm的电场幅度的峰值范围，然而，在人类膝部中，需要60kHz5V的正弦波电压幅度获得峰值范围的近似重叠。在接收治疗的组织中电场幅度值的范围在本发明中是重要的“剂量”。

从分析模型得到的值的范围必须包括从对于刺激电场的细胞反应的详细研究中得到的值。因此，人们测量从目标组织提取的细胞的电场剂量反应，以确定最有效的电场幅度。然后，根据显示的直方图，确定要施加的外部电压和电流，首先施加至动物模型，然后施加至人类，以便包括治疗目标组织处的这些有效电参数。在这里说明的示例中，对于施加的信号采用60kHz的频率，以获得特定的数值。所以，所有组织间室的阻抗在60kHz的频率获得。本领域的资深研究人员可在其它频率下进行相同的分析，将组织阻抗调整为它们在新频率下的值，并且在任一选择的频率或频率组中获得不同的电场与电流密度范围值。

本发明还包括一种通过向人类膝关节中的患病组织施加特定的和选择的电或电磁场，来治疗人类膝关节中病变组织(例如骨关节炎)，缺损或损伤组织的方法和装置。这种根据本发明电容耦合实施例的装置包括至少两个电极，其用于施加至患者膝关节附近，以及信号发生器，其生成施加至电极的电子信号，以在患者膝关节的滑膜和关节软骨中产生约8mV/cm至360mV/cm的电场幅度。本发明的电感耦合实施例包括线圈，调整并配置其接收电子信号，以产生这些电场。优选地，信号发生器提供多个输出电信号中的一个，信号电压由用户根据人体膝关节的大小进行选择。较大的膝关节接收具有较大电压的信号。

在下面对于本发明的详细说明中将阐述本发明的这些和其它方面。

附图说明

根据本发明的下述详细说明并结合附图，本发明将变得显而易见，在图中：

图1表示施加有电极的人体膝关节，电极用于治疗骨关节炎，软骨缺损，其遵照本发明。

图2表示图1的人类膝关节的分析模型的前视图，其用于计算治疗骨关节炎的电压与电流需求，其遵照本发明。

图3表示图1的人体膝关节的分析模型的剖视图，其用于计算治疗骨关节炎的电压与电流需求，其遵照本发明。

图4表示电场直方图，其对于每个组织绘制了作为电场幅度的函数的总组织体积的百分比。

图5表示电流密度直方图，其对于每个组织绘制了作为电流密度幅度的函数的总组织体积的百分比。

图6表示电场直方图，其对于软骨/滑膜间室的三个间隙宽度值绘制了作为电场幅度的函数的总组织体积的百分比。

图7表示电场直方图，其表明随着膝部尺寸从野兔膝部尺寸增大至人类膝部尺寸，软骨/滑膜液体间室中的电场降低。

图8表示对于具有和没有皮下脂肪的人类膝部的分析模型的电场直方图。

图9表示对于具有和没有皮下脂肪的人体膝部的分析模型的电流密度直方图。

图10表示在人体膝部的分析模型中，对于相对于软骨区的四个电极纵向位置的电场直方图。

图11表示在人体膝部的分析模型中，对于相对于软骨区的四个电极纵向位置的电流密度直方图。

图12表示对于有效驱动信号的野兔腓骨截骨和人类胫骨骨不连合的解剖模型的电场直方图。

图13表示对于有效驱动信号的野兔腓骨截骨和人类胫骨骨不连合的解剖模型的电流密度直方图。

图14表示施加有线圈的人类膝关节，该线圈用于治疗由于外伤和运动损伤引起的骨关节炎、软骨缺损，或者用作使用电感耦合治疗软骨缺损的其它治疗方法(膝部移植，组织工程支架，生长因子等)的附件。

图15表示总共为N匝的半径为α，长度为1的导线线圈，在使用电感耦合时，其确定用于制作在关节软骨中产生所需电场的线圈所需的导线匝数与尺寸。

图16表示沿计算磁通量的轴线对于膝关节区的线圈的剖视图。

具体实施方式

下面将参考图1-16详细说明本发明。本领域的技术人员将认识到，文中参考这些图给出的说明仅是出于示例目的，并不以任何方式限制本发明的范围。通过参考所附权利要求可解决关于本发明的范围的所有问题。

如文中所使用的，短语“信号”用于指各种信号，包括设备输出的机械信号、超声信号、电磁信号和电子信号。

如文中所使用的，术语“场”指目标组织中的电场，无论其为组合场或脉冲电磁场或由直流电，电容耦合或电感耦合所产生。

所述实施例说明

本发明者以前的研究已经表明，电容性耦合的场显著地增加了在培养液中生长的骨骼细胞的繁殖(Brighton，Pollack等，J.Orthop.Res.3：331-340，1985)，并且显著地增加了老鼠腓骨骨折模型中的治愈率(Brighton，Pollack等，Clin.Orthop.Related Res.285：255-262，1992)。另外，也已经确定了在电容性耦合的电刺激期间老鼠椎体中的电场分布(Carter，Vresilovic，Pollack和Brighton，IEEE Trans.Biomed.Eng.36(-3)：333-334，1989)。为了确定在人体膝部产生等效的电场和电流密度所需的输出电压和电流，如在骨骼细胞与野兔腓骨研究中所发现的，开发了在图2和3中所示的分析模型，其遵照本发明，用于表示在图1中所示的典型的人类膝关节。

如在图1中所示，典型的人类膝关节包括充满滑液的间室，其分别由股骨和胫骨端部的软骨，和纤维囊包围。遵照本发明，通过借助连接至基本如图1所示的膝关节的柔软电极施加特定的和选择的电场，来治疗膝关节中的骨关节炎。信号发生器向电极提供适当的信号，生成该特定的和选择的电场。使用图2和3中所示的膝关节分析模型计算治疗膝关节骨关节炎所需的特定的和选择的电场，其遵照本发明。

在图2和3的分析模型中，标识如下元件：电极1，皮肤2，肌肉3，骨骼4以及软骨与滑液间室5。在应用该分析模型时，进行如下关于元件大小的假设：股骨宽度＝76.5mm；胫骨宽度＝101.5mm；以及电极间距离＝108mm。并没有包括韧带的电特性的具体量，当然，认为除过软骨和骨骼外的空间具有与肌肉和骨髓一样的电特性。另外，测量得到这些包括在此项研究中的组织的导电率，如下：

材料              60kHz下的复导电率(S/m)

肌肉

平行于纤维        7.0×10^-1

纤维于垂直        2.0×10^-1

骨髓              2.0×10^-1

骨皮质            1.0×10^-2

软骨              8.9×10^-2

皮下脂肪          2.0×10^-1

                  60kHz下的导纳/面积(S/cm²)

电极皮肤接口      3.0×10^-2

如下面所解释，对于三个尺寸0.3cm，2.3cm和4.3cm计算软骨与滑液间室5，并将施加的电极电势(两个电极间的电势)取为1.0V。

对于作为电场与电流密度的函数的各种参数，在下面给出了在60kHz 1.0v峰峰值的施加电压下，人类膝部分析模型的近似结果。

如图4中所示，软骨/滑液间室5中的电场在该间室的全部体积中的值并不均匀。对于所有间室也是如此，并且甚至反映出分析模型的复杂几何形状。另外，如图5中所示，软骨/滑液间室5中的电场在该间室的全部体积中的值并不均匀。对于其它所有间室也是如此，并且甚至反映出分析模型中的复杂几何形状。

如图6中所示，随着软骨/滑液间室5的厚度增加，软骨/滑液间室5中的电场增大并变得更加均匀。

如图7中所示，随着膝部尺寸从兔类膝部尺寸增大至人类膝部尺寸，软骨/滑液间室5中的电场降低。总而言之，发现增加或降低膝部直径能够随两个电极间距离的倒数改变整个场分布。换言之，膝部直径越大，固定的施加电压的电场就越小。

还已经发现皮下脂肪量对于场和电流密度几乎没有影响。皮下脂肪比肌肉具有更低的导电率，并且因此，电场(图8)和电流密度(图9)略微降低，但这在膝部的大多数情况并不显著。

最后，发现置于膝部之上的电极1相对于软骨/滑液间室5不正确的对齐并不是关键的。考虑了四种情况：1)缝隙中间(软骨/滑液间室5的中间)；2)缝隙下1/2直径；3)缝隙下1倍直径；以及4)缝隙下2倍直径。在图10中示出了对于电场的结果，并且在图11中示出对于电流密度的结果。从而，在此模型中电极的对齐并不是关键因素。

按照顺序从骨骼细胞研究至动物研究，直至人类研究，说明本发明者对于利用电容耦合的刺激骨折治愈的先前工作，其导致逐渐理解场与电流水平。

细胞(有机活体)结果：    在20mV/cm电场，200

                        A/cm2电流密度的最大效果。

动物(野兔)结果：        在野兔膝部上具有电极的装

骨折骨痂的成功治愈      置的0.25Vp-p电压输出。骨

                        折骨痂中8-200mV/cm的近似

                        电场峰值范围。骨折骨痂中

                        8-195μA/cm2的近似电流密

                        度峰值范围。

人类(骨不连合)结果：    在皮肤上具有电极的装置的5

骨不连合骨折的成功治愈  Vp-p电压输出。8-360mV/cm

                        的近似电场峰值范围。8-300

                        μA/cm2的近似电流密度峰

                        值范围。

这在图12和13中示出，其中比较了野兔骨折模型和人类骨不连合模型的解剖模型。可以看出，根据动物模型和人类模型间的相对组织体积，在同样的组织水平，通过按比率缩放从外部施加的用于治疗的装置电压，可获得同样成功的电刺激条件。

作为前述各种比较的结果，本发明者已经确定，骨痂(参见图12：骨痂)中的和用于骨骼细胞有机活体研究的场(E)和电流密度的治疗有效范围希望为：

(J)    动物/人类骨痂骨        骼细胞

E      8mV/cm至180mV/cm       20mV/cm

J      8μA/cm²至180μA/cm² 200μA/cm²

这些电场幅度与电流密度的人类/动物范围考虑了一个重要因素。即它们的极限必须包括从骨骼细胞研究中得到的结果，其中几何因素允许更加精确的场确定。这样，随着施加的正弦电压循环通过该正弦波，人类/动物组织的范围循环通过电场与电流密度的治疗有效范围。

由于有机活体软骨细胞的结果还在20mV/cm的有效场出现，并且由于测得的人体膝关节周长近似与测得的给定患者的小腿中部区域的直径相同，所以将与在人类胫骨骨折模型(图12)中使用的相同缩放因子5应用于图2的人类膝关节分析模型，其中骨痂由滑膜和关节软骨代替。

从而，如果给定人体膝部周长＝15.7英寸，则直径＝5英寸。这是在骨关节炎患者中测得的最常见的平均膝部周长。5V_p-p的输出电压应当在平均大小的膝关节软骨/滑膜间室中产生上述E场和电流强度。较小的膝关节直径，比如说例如4.6英寸，将需要较低的电压输出(4.6V_p-p)，非常大的膝关节直径，比如说7.6英寸，将需要更大的电压输出(7.6V_p-p)。从而，4.6V_p-p至7.6V_p-p的电压输出将涵盖到目前为止测得的全部膝部尺寸范围，以便在如上所述的软骨/滑液间室中产生所需的治疗E场和电流密度。在施加电压中±10％的变化是允许的，这是因为解剖复杂性导致的E与J值的分布。

从而，遵照该发明，确定患者膝部的近似大小(并因此确定近似直径)，并且生成并将信号施加至电极，该电极将生成所需的8mV/cm至360cV/cm的电场和8μA/cm²至300μA/cm₂的电流密度范围，例如用于治疗膝部骨关节炎。优选地，信号发生器包括选择控制(图1)，其允许操作者基于患者膝部大小选择合适的输出。

还遵照本发明，利用图14中所示的电感耦合装置类型向患病的或受外伤的关节软骨传递合适的电场。为了计算图14中线圈生成的电场，我们设想了一种包含N匝线圈的弹性绷带，其在膝部上滑动，并置于其上中央。电池供电的电流源连接至线圈引线，使得时变电流流过该线圈。该电流产生磁通量，该磁通量又产生时变电场。应当理解，通过电源可控制电流幅度、频率、占空比和波形，以产生E场的治疗值。我们现在计算将实现此目的的各个组合。

表示N匝导线线圈和此线圈剖面图的示意图分别示于图15和16。角度θ₁和θ₂是在X轴上计算磁通量的点和线圈在+Z和-Z方向上的端点之间的夹角。对于任意尺寸，由下式给出通量：

$\left(1\right)---B=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0\frac{N}{l}I({\sin \mathrm{\θ}}_2-{\sin \mathrm{\θ}}_1)$

其中， ${\sin \mathrm{\θ}}_1=\frac{l_1}{\sqrt{{l_1}^2+a^2}}$

${\sin \mathrm{\θ}}_2=\frac{l_2}{\sqrt{{l_2}^2+a^2}}$

并且I为线圈中的电流，l为线圈的长度，μ₀为空气(和组织)的磁导率。在线圈的中央区域，螺线管的场相当均匀，以至于我们可以选择相等的l₁和l₂。由于sinθ₁为负数，这是因为l₁沿Z轴为负，所以，如果l₁＝l₂，则sinθ₂-sinθ₁＝2sinθ₂。

因此，等式(1)变为：

$\left(2\right)---B={\mathrm{\μ}}_0\frac{N}{l}I\left(\frac{l}{{(l^2+{4a}^2)}^{\frac{1}{2}}}\right)$

电流I为正弦变化的电流，并且其可写为：

(3)I＝I₀-e^iωt

其中I₀为正弦电流的幅度，ω为2π倍频率(我们设置频率为60kHz)，并且i为虚数

该记号等效于下式：

(4)I＝I₀sinωt

因此式(2)变为：

$\left(5\right)---B={\mathrm{\μ}}_0\frac{N}{l}{I}_0\left(\frac{l}{{(l^2+{4a}^2)}^{\frac{1}{2}}}\right)\sin \mathrm{\ωt}$

通过麦克斯韦方程我们可获得与时变磁通量关联的电场幅度的表达式。应当注意，该磁通量平行于腿部的长轴，并因此垂直于膝部软骨平面。然而，该电场位于软骨平面中，在方向上为环形，并且幅度随半径变化，使得在膝部的几何中心，该电场幅度为零，并且其幅度以与半径线性相关的方式增大。

该理论认为

$\left(6\right)---\left|E\right|=-\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\·\frac{r}{2}$

其中|E|为电场幅度，dB/dt为式(5)对时间的导数，并且r为从膝关节的几何中心至任意半径r的距离。将式(5)代入式(6)并且进行微分，得到

$\left(7\right)---\left|E\right|={\mathrm{\μ}}_0\frac{N}{l}{I}_0\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\ωt}\left(\frac{l}{{(l^2+{4a}^2)}^{\frac{1}{2}}}\right)\·\frac{r}{2}$

其中，cosω表示该电场

与磁通量呈90°异相。

如果我们代入式(7)中的所有参数值，也就是

a＝6.35×10^-2米

l＝6.35×10^-2米

μ_o＝4π×10^-7T米/A

N＝3×10³匝

I_o＝100mA

r＝6.35×10^-2米

$\mathrm{\ω}=2\mathrm{\π}\×60\×{10}^3\frac{1}{\sec }$

我们得到

|E|_Max＝315mV/cm

其中，|E|_Max为膝部最大半径处，即6.35×10^-2米处的幅度。

因此，对于任何给定的磁场循环，膝部中心具有零电场，而在极限半径处，电场从0至315mV/cm循环。为了使90％软骨滑膜区具有20mV/cm的电场强度，膝关节周围的最大场必须为65mV/cm。这意味着转换器中的匝数(N)能够从3000降至(65/315)×3000＝620。

尽管在上面说明了本发明的实现，但本领域的技术人员将认识到，可能有许多附加修改，本质上不脱离本发明新颖的思路与优势。任何这样的修改将包含于本发明的范围内，如下面的权利要求所定义。

Claims (28)

1.一种治疗人类患病组织的方法，其通过将特定的和选择的电或电磁场施加至人类的患病组织，该方法包括以下步骤：

a.确定电压和电流输出，其提供对于动物模型中与人类患病组织对应的患病组织的治疗；

b.确定动物模型中患病组织的总组织体积；

c.确定人类患病组织的总组织体积；

d.基于解剖尺寸和人类患病组织的总组织体积对于动物模型中患病组织的总组织体积和解剖尺寸的比率，按比例缩放在动物模型中使用的电压与电流输出；

e.将按比例缩放的电压与电流施加至人类的患病组织。

2.权利要求1所述的方法，其中，施加按比例缩放的电压与电流的步骤包括在电容耦合的情况下用两个电极向人类施加按比例缩放的电压和电流的步骤。

3.权利要求1所述的方法，其中，施加按比例缩放的电压与电流的步骤包括在电感耦合的情况下用螺线管或线圈向人类施加按比例缩放的电压和电流的步骤。

4.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括使用人类膝部分析模型的步骤。

5.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用在至少两个电极间的组织的导电率确定对于两个或更多尺寸的软骨与滑液间室施加的电极电势的步骤。

6.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电场直方图确定作为患者膝部的骨骼、软骨、骨髓、肌肉和脂肪的电场幅度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

7.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电流密度直方图确定作为患者膝部的骨骼、软骨、骨髓、肌肉和脂肪的电流密度幅度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

8.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电场直方图确定作为膝部不同厚度的关节软骨的电场幅度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

9.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电场直方图确定作为不同尺寸膝部的电场幅度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

10.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电场直方图确定作为患者膝部没有皮下脂肪时的电场幅度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

11.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电流密度直方图确定作为患者膝部的没有皮下脂肪时的电流密度幅度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

12.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电场直方图确定作为相对于患者膝部至少两个纵向位置电极的电场幅度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

13.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电流密度直方图确定作为相对于患者膝部至少两个纵向位置电极的电流密度的函数的总组织体积的百分比的步骤。

14.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电场直方图确定作为来自外部信号发生器并施加至人体的至少两个有效驱动信号的函数的总组织体积的百分比的步骤。

15.权利要求1所述的方法，其中，人类组织体积确定步骤包括利用电流密度直方图确定作为来自外部信号发生器并施加至人体的至少两个有效驱动信号的函数的总组织体积的百分比的步骤。

16.一种装置，其通过将特定的和选择的电或电磁场施加至人类膝关节的患病或损伤组织来治疗人类膝关节中患病组织，该装置包括：

a.下列之一：(a)至少两个电极，在电容耦合的情况下用于施加至患者膝关节附近；以及(b)螺线管或至少一个线圈，在电感耦合的情况下用于施加至患者膝关节附近；

b.信号发生器，其生成施加至电极、螺线管或至少一个线圈的电信号，以在患者膝关节的滑液和关节软骨中产生约8mV/cm至360mV/cm范围的电场和约8μA/cm²至300μA/cm²范围的电流密度。

17.一种装置，其用于治疗由外伤或运动损伤引起的骨关节炎、软骨缺损，或用作通过向人类膝关节中的疼痛组织施加特定的和选择的电或电磁场治疗人类膝关节软骨缺损的其它治疗方法的辅助手段，包括：

a.下列之一：(a)至少两个电极，以及(b)螺线管或至少一个线圈，用于施加至患者膝关节附近；

b.信号发生器，其生成施加至电极、螺线管或至少一个线圈的电信号，以在患者膝关节的滑液和关节软骨中产生约8mV/cm至360mV/cm范围的电场和约8μA/cm²至300μA/cm²范围的电流密度。

18.权利要求17所述的装置，其中，该信号发生器提供多个输出电信号中的一个，电压由用户根据人类膝关节的尺寸进行选择。

19.权利要求18所述的方法，其中，对于小尺寸的膝关节，信号发生器在60kHz频率下的多个输出电信号中的一个具有约为4.6V_p-p±10％的电压。

20.权利要求18所述的方法，其中，对于平均尺寸的膝关节，信号发生器在60kHz频率下的多个输出电信号中的一个具有约为5.0V_p-p±10％的电压。

21.权利要求18所述的方法，其中，对于大尺寸的膝关节，信号发生器在60kHz频率下的多个输出电信号中的一个具有约为5.6V_p-p±10％的电压。

22.权利要求18所述的方法，其中，对于极大尺寸的膝关节，信号发生器在60kHz频率下的多个输出电信号中的一个具有约为7.6V_p-p±10％的电压。

23.一种方法，其用于治疗由外伤或运动损伤引起的骨关节炎、软骨缺损，或用作通过向人类膝关节中的疼痛组织施加特定的和选择的电或电磁场治疗人类膝关节软骨缺损的其它治疗方法的辅助手段，包括以下步骤：

a.将电势转换为电信号，当将该电信号施加至下列之一时，(a)至少两个电极，以及(b)螺线管或至少一个线圈，其用于施加至患者膝关节附近，在患者膝关节的滑液和关节软骨中产生不小于约8mV/cm至360mV/cm范围的电场和约8μA/cm²至300μA/cm²范围的电流密度。

b.将该电信号施加至(a)该至少两个电极，或者(b)螺线管或至少一个线圈，以在患者膝关节的滑液和关节软骨中产生该电场。

24.权利要求23所述的方法，包括选择多个输出电信号中的一个的附加步骤，电压根据人类膝关节的直径。

25.权利要求24所述的方法，其中，选择步骤包括对于小尺寸膝关节选择具有约为4.6V_p-p±10％的电压的60kHz频率电信号的步骤。

26.权利要求24所述的方法，其中，选择步骤包括对于平均尺寸膝关节选择具有约为5.0V_p-p±10％的电压的60kHz频率电信号的步骤。

27.权利要求24所述的方法，其中，选择步骤包括对于大尺寸膝关节选择具有约为5.6V_p-p±10％的电压的60kHz频率电信号的步骤。

28.权利要求24所述的方法，其中，选择步骤包括对于极大尺寸膝关节选择具有约为7.6V_p-p±10％的电压的60kHz频率电信号的步骤。

Images