专利名称：电磁治疗装置和方法
技术领域：
本发明通常涉及一种装置和一种方法，其用于通过改变活组织和细胞与其电磁环境的互作用，用于该活组织和细胞的治疗。本发明还涉及一种方法，其通过应用编码的电磁信息来改变细胞和组织生长、修复、维护以及一般的行为。更具体地讲，本发明涉及高度特定的电磁信号模式到许多身体部位的外科非侵害耦合的应用。具体地，根据本发明的实施方式涉及使用脉冲电磁场(“PEMF”)，通过影响生长因子和其它细胞因子的前体，其例如离子/配体结合，如钙与钙调蛋白的结合，经由血管生成和新血管形成来增强活组织的生长和修复。
背景技术：
现在充分确定，弱的非热电磁场(“EMF”)的应用可导致生理意义的体内和体外生物效应。
EMF已用于骨修复和骨治疗的应用中。包括低频成分和低功率的波形当前用于整形临床中。使用骨修复信号源于考虑电通道可构成这样的一通道通过该通道骨可合适地响应EMF信号。使用细胞膜的电化学模型的线性物理化学方法预测，可预期有生物效应的一定范围的EMF波形图。由于细胞膜是可能的EMF靶，因此必要的是找到波形参数的一范围，对于此范围，感应电场可在细胞表面电化学耦合，其例如为电压依赖动力学。此线性模型的扩展还涉及洛伦兹力分析。
透热疗法的现有技术中已知自27.12MHz连续正弦波所获得的用于深组织治疗的脉冲射频(“PRF”)信号。透热疗法信号(diathermy signal)的脉冲后继者最初报导为，能够在感染治疗中引出非热生物效应的电磁场。已报导PRF治疗应用用于减轻在软组织、伤口愈合、烧伤治疗和神经再生中外伤后和手术后疼痛和水肿。最近几年，EMF应用于外伤水肿的消退已被越来越多地使用。迄今为止将PRF用于动物的数据结果以及临床研究表明，这样的电磁刺激可显著地减轻水肿。
EMF剂量测定的现有技术的研究考虑孤立细胞性质，但未考虑组织结构的介电性质。
最近几年，射频非侵害PRF的临床应用包括使用27.12MHz正弦波的脉冲猝发(pulsed burst)，其中每一脉冲猝发包括65微秒的宽度，具有每猝发约1,700正弦周期，以及多种猝发重复率。通过每一PRF猝发使用基本单个电压振幅包络，限制了可耦合到细胞和组织中有关的介电通道中的频率成分。
时变电磁场包括矩形波形例如脉冲电磁场，和正弦波形例如脉冲射频场，其范围从几赫兹到约15到约40MHz范围，其当用作用于多种肌与骨伤和疾病的辅助治疗时，在临床上是有益的。
开始于20世纪60年代，现代治疗和预防设备的发展受到与不愈合和延迟愈合骨折有关的临床问题的刺激。早期工作显示，电通道可以为这样的一通道通过该通道骨可合适地响应机械输入。早期治疗设备使用向骨折位置传送直流电(“DC”)的植入和半侵害电极。随后，使用电和电磁场发展了非侵害技术。这些疗法最初被创造，用于提供在细胞/组织水平感应电/机械波形的非侵害“非接触”手段。这些技术在骨科的临床应用导致，全世界监管机构已批准的对于骨折例如不愈合和新骨折以及脊柱融合的应用。目前，几种EMF设备构成用于治疗难于愈合的骨折的骨科临床实践的标准医疗设备。这些设备的成功率是很高的。对于此指示的数据库是足够大的，能够实现其作为首次骨移植(first bone graft)的安全、非外科、非侵害的替代的推荐用途。在双盲研究中已报导这些技术用于治疗缺血性坏死、腱炎、骨关节炎、伤口修复、血液循环和关节炎疼痛以及其它肌与骨伤的另外的临床指示。
细胞研究已着手弱低频电磁场对信号转导通道以及生长因子合成的影响。可显示出，EMF在短、似触发的持续时间之后，刺激生长因子的分泌。一般认为在细胞膜的离子/配体结合过程是最初的EMF靶通道结构。与例如骨修复有关的临床治疗为增量调节，如作为骨修复的正常分子调节的一部分的生长因子产生的调节。细胞水平的研究已显示其对钙离子输运、细胞增殖、胰岛素生长因子(“IGF-II”)释放以及成骨细胞中的IGF-II受体表达的作用。对胰岛素生长因子-I(“IGF-I)和IGF-II的作用也已在鼠骨折胼胝中显示。已显示在鼠的骨诱导模型中，使用PEMF对转化生长因子贝它(“TGF-β”)信使RNA(“mRNA”)的刺激。研究还表明，在人类成骨细胞样细胞系中PEMF对TGF-βmRNA的增量调节，所述细胞系标记为MG-63，其中在TGF-β1、胶原和骨钙素合成存在着增长。PMEF刺激人类不愈合组织的肥大细胞(hypertrophic cell)和萎缩细胞(atrophiccell)中的TGF-β1的增加。进一步的研究表明，由于EMF对依赖钙/钙调蛋白的通道的直接作用，而导致成骨细胞培养中的TGF-β1和蛋白的增加。软骨细胞研究已显示，EMF导致TGF-β1mRNA和蛋白合成具有类似的增加，这表明其对关节修复的治疗应用。多种研究得出，在电磁刺激下，生长因子产生的增量调节可能是组织水平机制中的共同特征。当使用特定的抑制剂时，EMF可通过依赖钙调蛋白的通道作用。以前已报导，特定的PEMF和PRF信号以及弱静磁场调节Ca2+与无细胞的酶制品中CaM的结合。另外，已表明，在成骨细胞培养中使用PEMF对BMP2和BMP4的mRNA的增量调节，以及使用PEMF对骨和软骨中的TGF-β1的增量调节。
然而，此领域中的现有技术未根据离子/配体结合转导通道配置波形。由于现有技术的波形向活组织和细胞施加不必要高的振幅和功率，需要不必要长的处理时间，以及不能由便携式设备产生，因此现有技术的波形是效率低的。
因此，需要一种装置和一种方法，其更有效地调节血管生成和其它调节组织生长和修复的生物化学过程、缩短处理时间、以及加入小型线路和轻质敷抹器(applicator)，因此允许该装置为便携式的以及如果期望可任意使用。进一步需要一种装置和方法，其更有效地调节血管生成和其它调节组织生长和修复的生物化学过程、缩短处理时间、以及结合小型化线路和轻质敷抹器，其可构造成可可植入的。
发明内容
一种装置和一种方法，其通过改变活组织和细胞与其电磁环境的互作用，用于所述活组织和细胞的电磁治疗。
根据本发明的一实施方式，用一通量通道(flux path)治疗可选择的一身体部位，所述通量通道包括一连串的EMF脉冲，所述一连串的EMF脉冲在一脉冲猝发包络中具有至少约0.01微秒的最小宽度特征，所述脉冲猝发包络具有每猝发约1个和约100,000个之间的脉冲。其中，所述脉冲猝发的电压振幅包络由随机变化的参数定义，其中其瞬时最小振幅不小于其最大振幅的1/10000因子。所述脉冲猝发的重复率可从约0.01Hz改变到约10,000Hz。数学可定义的参数也可定义所述脉冲猝发的振幅包络。
通过增加传送给相关细胞通道一范围的频率成分，有利地获得对可应用于已知愈合机制的大范围的生物物理现象的使用，其包括增加酶活性以及生长因子和细胞因子的释放。
根据本发明的一实施方式，通过应用随机或其它高谱密度的包络，对于感应在10-6和10每厘米伏特(V/cm)间的峰电场的单级或双极矩形或正弦脉冲的脉冲猝发包络，可实现对可应用于人、动物和植物的软组织和硬组织的生物愈合过程的更有效和更大的作用。较高谱密度的脉冲猝发包络可有利地和有效地耦合到生理相关的介电通道，例如细胞膜受体、离子与细胞酶的结合以及一般的跨膜电势变化，从而调节血管生成和新血管形成。
通过有利地将高谱密度电压包络用作调节或脉冲猝发定义参数，这样的所调节的脉冲猝发的功率要求可显著低于未调节的脉冲的功率要求。这是由于频率成分与相关的细胞/分子过程更有效的匹配。因此，实现两优点提高了对有关的介电通道的发射剂量测定(transmitted dosimetry)，以及降低了功率要求。
根据本发明的一优选实施方式，使用功率信噪比(“功率SNR”)方法来构造生物效应的波形以及加入小型电路和轻质柔性线圈。这有利地允许使用功率SNR方法的设备、小型电路和轻质柔性线圈是完全便携式的，以及如果需要可构造成一次性的，以及如果需要进一步可构造成可植入的。
具体地，电磁波形的宽的谱密度猝发构造成实现生物靶带通内的最大信号功率，其选择地应用于靶通道结构，例如活器官、组织、细胞和分子。使用振幅/功率与靶通道结构中热噪声的唯一比较，来选择波形。信号包括正弦、矩形、混沌和无规波形中的至少一种的猝发，在每秒约1到100,000个猝发，具有范围约0.01Hz到约100Mhz频谱，以及具有约0.01到约1000猝发/秒的猝发重复率。在靶通道结构例如组织的信号的峰振幅在约1μV/cm到约100mV/cm的范围。每一信号猝发包络可以为一随机函数，所述随机函数提供调节愈合组织的不同电磁特征的手段。根据本发明的一优选实施方式包括约0.1到约100毫秒的脉冲猝发，所述脉冲猝发包括1到约200微秒的对称或不对称的脉冲，此脉冲在所述猝发内以约0.1到约100千赫兹的频率重复。所述脉冲包络为变化的1/f函数，以及以约0.1Hz和约1000Hz间的随机重复率应用。也可使用在约0.1Hz和约1000Hz间的固定的重复率。产生从0.001mV/cm到约100mV/cm的感应电场。根据本发明的另一实施方式包括高频例如27.12MHz的正弦波的约0.01毫秒到约10毫秒的猝发，以每秒约1到约100猝发重复。产生从0.001mV/cm到约100mV/cm的感应电场。通过感应或电容耦合，可传送最后所得的波形。
本发明的一目的在于，提供在细胞膜和在细胞间的交界界面的电磁敏感的调节过程的调节。
本发明的另一目的在于，提供一种治疗活细胞和组织的电磁方法，包括宽带、高谱密度的电磁场。
本发明的另一目的在于，提供一种治疗活细胞和组织的电磁方法，包括电磁信号的脉冲猝发包络的振幅调制，其感应与细胞或组织中最大量相关的EMF敏感通道耦合。
本发明的另一目的在于，通过调节血管生成和新血管形成，向受疾病侵袭的组织提供增加的血流。
本发明的另一目的在于，提供增加的血流以增加植入细胞如干细胞、组织和器官的生命力、生长以及分化。
本发明的另一目的在于，在心血管疾病中，通过调节血管生成和新血管形成，提供增加的血流。
本发明的另一目的在于，改善微脉管血液灌注和减少的渗透。
本发明的另一目的在于，通过调节血管生成和新血管形成，提供骨和其它硬组织疾病的治疗。
本发明的另一目的在于，通过因调节血管生成和新血管形成而引起的血流增加，提供软组织水肿和肿胀的治疗。
本发明的另一目的在于，提供一种活细胞和组织治疗的电磁方法，其可用于修复损伤的软组织。
本发明的另一目的在于，通过调节血管舒张以及刺激新血管形成来增加到损伤的组织的血流。
本发明的另一目的在于，提供一种用于调节血管生成和新血管形成的装置，其可以以减小的功率水平操作，且仍拥有安全、经济、便携以及减少的电磁干扰的优点。
本发明的一目的在于，通过数学模拟来构造波形的功率谱，使用信噪比(“SNR”)分析来构造调节血管生成和新血管形成的最佳化的波形，然后使用发生设备来耦合所构造的波形，所述发生设备例如超轻质线圈，其由波形构造设备，例如小型电路供以能量。
本发明的另一目的在于，使用任何输入波形，即使如在Hodgkin-Huxley膜模型中电等效是非线性的，对任何靶通道结构，例如植物、动物和人的分子、细胞、组织和器官，估计功率信噪比，来调节血管生成和新血管形成。
本发明的另一目的在于，提供一种方法和装置，其使用所选的电磁场，通过最佳化施加到生物化学靶通道结构的波形的功率谱，以实现植物、动物和人的分子、细胞、组织和器官的血管生成和新血管形成的调节，来治疗植物、动物和人。
本发明的另一目的在于，显著地降低峰振幅以及缩短脉冲持续时间。这可通过用功率信噪比使信号中的频率范围与靶通道结构，例如植物、动物和人的分子、细胞、组织和器官的频率响应和敏感性匹配而达到，以实现血管生成和新血管形成的调节。
从下面的说明，附图的简要描述、本发明的详细描述以及同时所附的权利要求，本发明的以上和其它目的和优点将变得显而易见。
附图简要说明参照附图，下面更详细地描述本发明的优选实施方式
图1为根据本发明的实施方式，用于活组织和细胞的电磁治疗的方法的流程图；图2为根据本发明的优选实施方式的控制电路的视图；图3为根据本发明的优选实施方式的小型电路的方框图；图4绘出根据本发明的优选实施方式，传送给靶通道结构例如分子、细胞、组织或器官的波形。
具体实施例方式
从PEMF或PRF设备感应的时变电流在靶通道结构例如分子、细胞、组织和器官中流动，以及这些电流是这样的刺激细胞和组织可以以生理意义的方式反应该刺激。靶通道结构的电性质影响感应电流的水平和分布。分子、细胞、组织和器官所有都在感应电流通道中，例如细胞在间隙连接接触处。在可存在于膜表面大分子上的结合位置的离子或配体互作用是依赖电压的过程，其为电化学的，其可响应感应的电磁场(“E”)。感应电流经周围的离子介质到达这些位置。细胞出现在电流通道引起感应电流(“J”)更快地随时间衰减(“J(t)”)。这是由于增加的自膜电容的细胞的电阻，以及结合和其它电压敏感的膜过程例如膜输运的时间常数。
已获得表示多种膜和带电界面构形的等效电流模型。例如，在钙(“Ca2+”)结合中，由于感应的E而引起在结合位置所结合的Ca2+的浓度变化可在频域中，用阻抗表达式如下式描述
其具有一系列电阻电容等效电路形式。其中ω为角频率，定义为2πf，其中f为频率，i=-112,]]>Zb(ω)为结合阻抗，以及R离子和C离子为离子结合通道的等效结合电阻和电容。等效结合时间常数值τ离子＝R离子C离子与离子结合率常数Kb有关，τ离子=R离子C离子＝1/kb。因此，此通道的特征时间常数由离子结合动力学决定。
自PEMF或PRF口信号的感应E可引起电流流入离子结合通道，以及影响每单位时间所结合的Ca2+离子数。此电等效为跨等效结合电容C离子的电压变化，其为C离子所存储的电荷变化的直接度量。电荷直接与结合位置的Ca2+离子的表面浓度成比例，即电荷的存储相当于细胞表面和连接处上的离子或其它带电粒种(charged species)的存储。电阻测量以及结合率常数的直接动力学分析提供，对于PMF波形构形匹配靶通道结构的带通必要的时间常数值。这考虑对于最佳耦合到靶阻抗，例如带通的任何给定的感应E波形的所需要的频率范围。
离子与调节分子结合，例如Ca2+与钙调蛋白(“CaM”)的结合是EMF通常的靶。此通道的使用基于伤口修复，例如骨修复的加快，其涉及在修复的各阶段生长因子释放的调节。生长因子，例如血小板衍生的生长因子(“PDGF”)、成纤维细胞生长因子(“FGF”)以及表皮生长因子(“EGF”)在愈合的适当阶段都涉及。血管生成和新血管形成也是伤口修复所必需的，已可由PMF调节。所有的这些因子都是依赖Ca/CaM。
使用Ca/CaM通道，波形可构造成，感应的功率足以超过背景热噪声功率。在正确的生理状况下，此波形可具有生理意义的生物效应。
功率信噪比模型应用于Ca/CaM需要在CaM的Ca2+结合动力学的电等效的知识。在第一级结合动力学中，在CaM结合位置所结合的Ca2+浓度随时间变化可在频域表征为等效结合时间常数，τ离子＝R离子C离子，其中R离子和C离子为离子结合通道的等效结合电阻和电容。τ离子与离子结合率常数Kb有关，τ离子＝R离子C离子＝1/kb。然后，所公开的Kb值可使用于细胞阵列模型中，以通过将PRF信号感应电压与在CaM结合位置的电压形式的热起伏相比较来估计SNR。对于PMF响应使用数值，例如Vmax＝6.5×10-7sec-1、[Ca2+]＝2.5μM、KD＝30μM、[Ca2+CaM]＝KD([Ca2+]+[CaM])，产生Kb＝665sec-1(τ离子＝1.5msec)。当可对任何波形结构执行功率信噪比分析时，这样的τ离子值可使用于离子结合的等效电路中。
根据本发明的一实施方式，数学模型可构造成模拟热噪声出现于所有的依赖电压的过程，以及表示建立足够的SNR的最小的阈值要求。热噪声的功率谱密度Sn(ω)可表达成Sn(ω)＝4kT Re[ZM(x，ω)]其中[ZM(x，ω)]为靶通道结构的电阻，x为靶通道结构的尺寸，以及Re为靶通道结构的阻抗的实部。[ZM(x，ω)]可表达成[ZM(x,ω)]=[Re+Ri+Rgγ]tanh(γx)]]>此方程清楚地显示，靶通道结构的电阻和细胞外液阻抗(“Re”)、细胞内液阻抗(“Ri”)和膜间阻抗(“Rg”)的贡献，其电连接到靶通道结构，所有的都有助于噪声过滤。
估计SNR的一般方法使用噪声电压的均方根(RMS)的单值。这是通过对关于整膜响应或关于靶通道结构的带宽的所有频率积分Sn(ω)＝4kTRe[ZM(x，ω)]，求该积分的平方根来计算。SNR可表达成下面的比SNR=|VM(ω)|RMS]]>其中|VM(ω)|为由所选波形传送到靶通道结构的，在每一频率的最大电压振幅。
本发明的一实施方式包括具有高谱密度的脉冲猝发包络，从而增加了对有关的介电通道，例如细胞膜受体、离子结合至细胞酶以及一般的跨膜电势变化的治疗效果。因此，通过增加传送给相关细胞通道的许多频率成分，可使用可应用于已知愈合机制的大范围生物物理现象，例如调节生长因子和细胞因子的释放，以及在调节分子的离子结合。根据本发明的一实施方式，对表示峰电场在约10-6和约100V/cm之间的、单极或双极矩形或正弦脉冲的脉冲猝发包络施加随机或其它高的谱密度包络对可应用于软组织和硬组织的生物愈合过程产生较大的效应。
根据本发明的另一实施方式，该实施方式为应用高谱密度电压作为调节或脉冲猝发包络的定义参数，这样的振幅调制脉冲猝发的功率要求可显著低于包括相似频率范围内的脉冲的未调制脉冲猝发的功率要求。这是由于重复的猝发系列内的占空比的基本降低，该基本的降低由不规则且优选的随机振幅施加在不同地基本统一的脉冲猝发包络所导致。因此，实现两优点提高了对有关的介电通道的发射剂量测定，以及降低了功率要求。
参照图1，其中图1为根据本发明的方法的流程图，该方法用于将电磁信号传送给血管生成和新血管形成的靶通道结构，例如植物、动物和人的离子和配体，用于治疗和预防目的。具有至少一个波形参数的数学模型应用于构造至少一个波形，该至少一个波形耦合到血管生成和新血管形成的靶通道结构如离子和配体(步骤101)。所构造的波形满足信噪比或功率信噪比模型，从而对于给定和已知的血管生成和新血管形成的靶通道结构，可选择至少一个波形参数，从而在血管生成和新血管形成的靶通道结构可检测出一波形，该波形超过其背景活动(步骤102)，例如靶通道结构中的电压和电阻的基线热起伏，该基线热起伏依赖于细胞和组织的状态，即该状态是否为静止、生长、取代以及响应损伤中的至少一种。所产生的电磁信号的一优选实施方式包括具有至少一个波形参数的任意波形的猝发，其包括范围从约0.01Hz到约100MHz的多个频率成分，其中该多个频率成分满足功率信噪比模型(步骤102)。从所述构造的至少一个波形可产生，例如感应或电容性地产生一重复的电磁信号(步骤103)。通过接近靶通道结构放置的耦合设备，例如电极或感应器的输出，该电磁信号耦合到血管生成和新血管形成的靶通道结构，例如离子和配体(步骤104)。该耦合增强了活组织和细胞中，离子和配体到调节分子的结合的调节。
图2示出根据本发明的装置的一优选实施方式。小型控制电路201连接到至少一个连接器202例如线的一端。该至少一个连接器的相对的一端连接到发生设备(generating device)，例如一对电线圈203。小型控制电路201以应用数学模型的方式构造，该数学模型用于构造波形。所构造的波形必须满足信噪比或功率信噪比模型，从而对于给定和已知的血管生成和新血管形成的靶通道结构，可选择满足信噪比或功率信噪比的波形参数，从而一波形超过其背景活动，在该血管生成和新血管形成的靶通道结构可检测出。根据本发明的一优选实施方式应用数学模型，以诱导出血管生成和新血管形成的靶通道结构例如离子和配体中的时变磁场和时变电场，包括约1到约100微秒的矩形脉冲的约10到约100msec的猝发，其以每秒约0.1到约10个脉冲重复。所感应的电场的峰振幅在约1μV/cm和约100mV/cm之间，根据变化的1/f函数而改变，其中f＝频率。使用根据本发明一优选实施方式构造的波形可应用于血管生成和新血管形成的靶通道结构例如离子和配体，优选的总暴露时间为每日1分钟到240分钟。然而，可使用其它的暴露时间。由小型控制电路201构造的波形可通过连接器202导引到发生设备203，例如电线圈。发生设备203传送根据数学模型构造的脉冲磁场，该脉冲磁场可用于提供对血管生成和新血管形成的靶通道结构，例如胸腔中心脏204的治疗。该小型控制电路施加脉冲磁场达预定的时间，以及可按给定时间段所需要的那么多的应用，例如每日10次地自动重复施加脉冲磁场。根据本发明的一优选实施方式通过定位设备可定位成治疗胸腔中心脏204。将脉冲磁场耦合到血管生成和新血管形成的靶通道结构例如离子和配体，治疗性和预防性地减轻炎症，由此减轻疼痛和促进愈合。当电线圈用作发生设备203时，该电线圈可以以时变磁场供以能量，根据法拉第定律，该时变磁场在靶通道结构中感应出时变电场。使用电化学耦合，也可应用由发生设备203产生的电磁信号，其中电极直接接触皮肤或靶通道结构的另外导电的外界面。在根据本发明的另一实施方式中，使用静电耦合也可应用由发生设备203产生的电磁信号，在该静电耦合中，在发生设备203例如电极以及血管生成和新血管形成的靶通道结构例如离子和配体之间存在气隙。根据本发明的该优选实施方式的一优点为其超轻质线圈和小型电路允许使用通常的物理治疗疗法，以及在任何的身体部位，疼痛减轻和愈合是可期望得到的。应用根据本发明的该优选实施方式的有利结果为可维持和增加活生物体的血管生成和新血管形成。
图3绘出根据本发明的一优选实施方式的小型控制电路300的方框图。小型控制电路300产生驱动上述图2中的发生设备例如线圈的波形。该小型控制电路3可由任何启动设备例如接通/断开开关启动。小型控制电路300具有电源例如锂电池301。该电源的优选实施方式具有3.3V的输出电压，但可使用其它的电压。在根据本发明的另一实施方式中，该电源可以为外电源，例如如AC/DC输出等的电流输出(current outlet)，其例如通过插销和线连接到本发明。开关式电源302控制到微控制器303的电压。微控制器303的一优选实施方式使用8位4MHz的微控制器303，但可使用其它的位、MHz组合的微控制器。开关式电源302还将电流传送给存储电容器304。本发明的一优选实施方式使用具有220μF输出的存储电容器，但也可使用其它的输出。存储电容器304允许高频脉冲传送给耦合设备例如感应器(未显示)。微控制器303还控制脉冲形成器(pulse shaper)305和脉冲相位定时控制器306。脉冲形成器305和脉冲相位定时控制器306确定脉冲波形、猝发宽度、猝发包络形状以及猝发重复率。还可包括积分波形发生器，例如正弦波或随机数发生器，以提供特定的波形。电压电平转换支电路307控制传送给靶通道结构的感应场。开关式Hexfet 308允许随机振幅的脉冲传送给输出309，该输出309将一波形发送给至少一个耦合设备，例如感应器。微控制器303还可控制靶通道结构，例如分子、细胞、组织和器官的单次治疗的总暴露时间。小型控制电路300可构造成施加脉冲磁场持续设定的时间，以及可按给定时间段所需要的那么多的应用，例如每日10次地自动重复施加脉冲磁场，根据本发明的一优选实施方式使用约10分钟到约30分钟的治疗时间。
参照图4，示出根据发明的波形400的一实施方式。在一猝发402内重复一脉冲401，该猝发402具有有限的持续时间403。持续时间403为占空比在约1到约10-5，该占空比可定义为猝发持续时间与信号周期之比。根据本发明的优选实施方式对于应用于猝发402中的脉冲401使用10微秒的伪矩形脉冲，其持续约10到约50msec，具有变化的1/f振幅包络404，以及具有有限的持续时间403，该有限的持续时间403相应于约0.1到约10秒之间的猝发周期。
实施例1在标准酶分析中，已对钙依赖的肌球蛋白磷酸化试验测验了用于PMF信号构造的功率信噪比方法。对达几分钟的时间线性的磷酸化率以及对于半饱和Ca2+浓度选择无细胞的反应混合物。这开启Ca2+/CaM的生物窗，使其为EMF敏感的。若Ca2+相对于CaM在饱和水平，那么在该研究所使用的级别下，此系统不响应PMF，反应不会慢至分钟时间范围。使用肌球蛋白轻链(“MLC”)，以及从火鸡胃分离的肌球蛋白轻链激酶(“MLCK“)进行试验。反应混合物包括碱性溶液，其包含40mM的N-2-羟乙基哌嗪-N’-2-乙磺酸(Hepes)缓冲液，pH7.0；0.5mM的乙酸镁；1mg/ml的牛血清清蛋白，0.1％(w/v)吐温80；以及1mM的EGTA 12。自由Ca2+在1-7μM的范围改变。一旦制备Ca2+缓冲液，将新制备的70nM的CaM、160nM的MLC和2nM的MLCK加到该碱性溶液，以形成最后的反应混合物。低MLC/MLCK比率允许分钟时间范围内的线性时间行为。这提供可再生的酶活性，以及使移液时间误差最小化。
对每一系列试验每日新制备反应混合物，且该反应混合物等分成100μL的试样，装进1.5ml的Eppendorf管。包含反应混合物的所有Eppendorf管在0℃下保存，然后转移到专门设计的水浴中，该水浴通过由连通FisherScientific model 900热交换器的通道预热的水恒定灌注而保持在37±0.1℃。在所有试验中，通过浸在一Eppendorf管中的热敏探示器例如Cole-Parmer model 8110-20监测温度。用2.5μM 32P ATP使反应开始，以及用包含30μM的EDTA的Laemmli Sample缓冲溶液使反应停止。在每一试验中计算最少五个空白样品(blank sample)。空白包括总的分析混合物减去活性成分Ca2+、CaM、MLC或MLCK之一。抛弃空白计算高于300cpm的试验。允许进行达5min的磷酸化，以及使用TM Analytic model 5303 MarkV的液体闪烁计数器，计算包括在MLC的32P，来评估磷酸化。
该信号包括高频波形的重复猝发。对于所有的暴露，振幅恒定地保持在0.2G，以及重复率为1猝发/秒。根据功率信噪比分析的预测，猝发持续时间从65μsec改变到1000μsec，该分析显示，当猝发持续时间接近500μsec时，将实现最佳的功率信噪比。该结果显示在图7中，其中在x轴绘出μsec的猝发宽度701，以及在y轴绘出已处理/假的肌球蛋白磷酸化702。可看到，PMF对Ca2+结合到CaM的影响在约500μsec接近其最大值，这正如功率信噪比模型所示。
这些结果证实，根据本发明的一实施方式构造的PMF信号，对于给定的磁场振幅，因足以实现最佳功率信噪比的猝发持续时间，最大化地增加了肌球蛋白磷酸化。
实施例2根据本发明的一实施方式，进一步在体内伤口修复模型中检验功率信噪比模型的使用。在生物力学和生物化学已充分表征了大鼠伤口模型，并在本研究中使用。使用重量超过300克的健康、年轻的成年雄性SpragueDawley大鼠。
用腹腔内注射75mg/kg的氯胺酮和0.5mg/kg的美托咪定的剂量麻醉动物。在已进行足够的麻醉后，剪切背，准备优碘(betadine)/酒精稀溶液，以及使用无菌技术遮盖。使用#10手术刀，通过每只大鼠背上的皮肤直到筋膜做8cm的直线切口。钝性解剖伤口边缘以破坏其余的表皮纤维，留下直径约4cm的开放伤口。加压进行止血以避免对皮肤边缘的任何损伤。然后用4-0的Ethilon连续缝合封闭该皮肤边缘。手术后，动物腹膜内接收0.1-0.5mg/kg的丁丙诺啡。该动物被放置在各笼中，并随意地获取食物和水。
PMF暴露包括两脉冲射频波形。第一波形为标准临床PRF信号，包括27.12MHz正弦波的65μsec猝发，其振幅为1高斯，以600猝发/秒重复。第二波形是根据本发明的实施方式重新构造的PRF信号。对于此信号，猝发持续时间增加到2000μsec，以及振幅和重复率分别降低到0.2G和5猝发/秒。施加PRF30分钟，每日两次。
在伤口切除后立刻做抗拉强度。垂直于每一样品的伤痕横切出两1cm宽的皮肤条，以及用于测量抗拉强度(kg/mm2)。从每只大鼠的相同区域切除该条，以确保测量的一致性。然后，该条装到张力计上。以10mm/min加载该条，并记录伤口拉断之前所产生的最大的力。通过对相同伤口的两条上的最大负载(kg/mm2)取平均，来确定最终的抗拉强度，以进行比较。
结果显示，对于65μsec、1高斯PRF信号，暴露组的平均抗拉强度为19.3±4.3kg/mm2，与之相比，对照组的抗拉强度为13.0±3.5kg/mm2(p＜0.01)，其具有48％的增加。相比之下，对于使用功率SNR模型，根据本发明的实施方式构造的2000μsec、0.2高斯PRF信号，治疗组的抗拉强度为21.2±5.6kg/mm2，与之相比，对照组的抗拉强度为13.7±4.1kg/mm2(p＜0.01)，其具有54％的增加。这两种信号的结果彼此没有显著差异。
这些结果表明，本发明的实施方式允许构造一新PRF信号，该新PRF信号可以以显著低的功率产生。根据本发明的实施方式构造的PRF信号以低功率方式加速大鼠模型中的伤口修复，与之相比，临床PRF信号加速伤口修复，但需要产生更多的两个数量级以上的功率。
实施例3在本实施例中，Jurkat细胞反应具有细胞周期停滞的T细胞受体的PMF刺激，因此行为像受T细胞受体中的抗原例如抗-CD3刺激的正常T淋巴细胞。例如，在骨愈合中，结果已显示，60Hz和PEMF场降低了Jurkat细胞的DNA合成，这是期望的，因为在没有共刺激信号的情况下，PMF与T细胞受体互作用。如在PMF刺激的临床应用中已观察到的，这与抗炎反应一致。PEMF信号更有效。根据本发明一实施方式进行的剂量测定分析表明两信号有效的原因，以及在最敏感EMF的生长阶段，PEMF信号比60Hz信号对Jurkat细胞影响更大的原因。
对所使用的两信号的剂量测定的比较涉及，估计热噪声电压的功率谱与EMF敏感的靶通道结构中所感应出的电压的功率谱之比，该热噪声电压的功率谱为功率SNR。所使用的靶通道结构为Jurkat细胞上的受体位置处的离子结合，该Jurkat细胞悬浮在2mm培养基中。自PEMF信号、在结合位置的平均峰电场为1mV/cm，该PEMF信号包括200μsec脉冲的5msec猝发，其以15/sec重复，而对于60Hz信号，平均峰电场为50μV/cm。
实施例4在本实施例中，电磁场能用于刺激体内模型中的新血管形成。使用两不同的信号，一信号根据现有技术构造，而第二信号根据本发明的一实施方式构造。
180只Sprague-Dawley雄性大鼠，每只重量约300克，同等地分成九组。所有动物以0.1cc/g，用氯胺酮/乙酰丙嗪/酒石酸布托啡诺制剂(Stadol)的混合物麻醉。使用无菌外科手术技术，每一动物具有一使用显微外科技术形成的12cm到14cm的尾动脉段。用60U/ml的肝素盐水冲洗该动脉，以去除任何血液或栓子。
然后使用两端端吻合术，将这些平均直径为0.4mm到0.5mm的尾动脉缝合至右股动脉横切的近及远段，产生骨动脉环。然后，将最后所得的环放置在皮下袋中，该皮下袋在动物的腹壁/腹股沟肌肉组织之上产生，以及腹股沟切口用4-0的Ethilon缝合。然后，将每只动物随机地放置到九组中的一组中组1到3(对照)，这些大鼠不接收任何电磁场治疗，以及在4、8和12周被处死；组4到6，使用0.1高斯电磁场，1天两次进行30min治疗，持续4、8和12周(动物分别在4、8和12周被处死)；以及组7到9，使用2.0高斯电磁场，1天两次进行30min治疗，持续4、8和12周(动物分别在4、8和12周被处死)。
使用根据本发明一实施方式构造的设备将脉冲电磁能施加给治疗组。使用短脉冲(2msec到20msec)27.12MHz，以0.1高斯或2.0高斯，治疗实验组动物30分钟，每日两次。动物定位在敷抹器头部的顶端上，并被限制以确保正确地施加治疗。用氯胺酮/乙酰丙嗪/酒石酸布托啡诺制剂(Stadol)腹膜内和100U/kg的肝素静脉内麻醉该大鼠。使用先前的腹股沟切口，开放地识别和检查股动脉。然后，接近并和远离吻合位置，隔离股/尾动脉，并松开对该动脉的夹闭。然后处死动物。通过25号插管，用盐水，接着0.5cc到1.0cc的有色胶乳注射该环，并夹住。仔细切除上覆的腹部皮肤，并暴露该动脉环。测量由新的血管形成所覆盖的表面区来定量新血管形成，所述由管腔内胶乳勾出新的血管形成的轮廓。使用SPSS统计分析包分析所有结果。
治疗大鼠与未治疗大鼠之间的新血管形成最显著的差异出现在第四周。在此时间，在对照组中未发现任何新血管形成，然而，治疗组的每只具有相似的统计显著的新血管形成迹象，为0cm2对1.42±0.80cm2(P＜0.001)。这些区域呈现沿动脉环侧边分段分布的红色胶乳。在第8周，对照组开始显示出所测量的0.7±0.82cm2的新血管形成。在第8周，两治疗组再次具有约相等的统计显著(P＜0.001)的血管出现，对于0.1高斯的组，为3.57±1.82cm2，以及对于2.0高斯的组，为3.77±1.82cm2。在第12周，对照组动物显示1.75±0.95cm2的新血管形成，而0.1高斯的组显示出5.95±3.25cm2分叉的动脉，以及0.2高斯的组显示出6.20±3.95cm2分叉的动脉。再次，两治疗组显示超过对照组、可比较的统计显著的结果。
这些实验结果显示，根据本发明一实施方式的隔离的动脉环的电磁场刺激增加了体内大鼠模型中的可计量的新血管形成的数量。在每一处死日，在每一治疗组中显示出血管生成增加。如本发明的教导所预测的，在所试验的两个高斯级别的结果中没有发现差异。
已描述了用于给人、动物和植物的分子、细胞、组织和器官提供电磁治疗的装置和方法的实施方式，应注意，本领域的技术人员根据以上教导可进行更改和变更。因此，应理解，可改变所公开的本发明的具体实施方式
，本发明的具体实施方式
落在由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神内。
权利要求
1.一种通过增加血管生成和新血管形成的活组织和细胞的电磁治疗方法，其包括下面的步骤根据具有至少一个波形参数的一数学模型，构造至少一个波形，所述至少一个波形耦合到血管生成和新血管形成的靶通道结构；选择所述至少一个波形参数的一值，使得所述至少一个波形构造成超过所述血管生成和新血管形成的靶通道结构中的背景活动，在所述血管生成和新血管形成的靶通道结构中可检测出；从所述所构造的至少一个波形中产生一电磁信号；以及使用一耦合设备，将所述电磁信号耦合到所述血管生成和新血管形成的靶通道结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个波形参数包括下面的参数中的至少一种一频率成分参数，其将所述至少一个波形构造成以约0.01Hz和约100MHz间的频率重复；一猝发振幅包络参数，其遵守数学定义的一振幅函数；一猝发宽度参数，其根据数学定义的一宽度函数，以每一重复变化；一感应的峰电场参数，其根据数学定义的一函数，在所述靶通道结构中在约1μV/cm和约100mV/cm间变化；以及一感应的峰电磁场参数，其根据数学定义的一函数，在所述靶通道结构中在约1μT和约0.1T间变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述血管生成和新血管形成的靶通道结构包括离子和配体中的至少一个。
4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括下面的步骤将离子和配体与活细胞和组织中的调节分子结合，从而调节血管生成和新血管形成。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节钙与钙调蛋白的结合。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节活细胞和组织中的生长因子的产生。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节活细胞和组织中的细胞因子的产生。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节与血管生成和新血管形成有关的生长因子和细胞因子。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗骨折和骨疾。
10.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗心血管病。
11.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗脑疾病。
12.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗脑血管疾病。
13.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗周边血管疾病。
14.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗病变或缺血性细胞和组织。
15.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗急性或慢性软组织损伤。
16.如权利要求4所述的方法，其中所述离子和配体结合的步骤包括调节血管生成和新血管形成，以治疗扭伤、劳损和挫伤。
17.一种用于植物、动物和人以增加血管生成和新血管形成的电磁治疗装置，其包括一波形构造设备，其用于根据一数学模型，来构造至少一个波形，所述数学模型具有能选择的至少一个波形参数，所述至少一个波形耦合到血管生成和新血管形成的靶通道结构；从而所述至少一个波形构造成超过所述血管生成和新血管形成的靶通道结构中的背景活动，在所述血管生成和新血管形成的靶结构中可检测出；一电磁信号发生设备，其通过至少一个连接设备连接到所述波形设备，用于从所述所构造的至少一个波形中产生一电磁信号；以及一耦合设备，其通过至少一个连接设备连接到所述电磁信号发生设备，用于将所述电磁信号耦合到所述血管生成和新血管形成的靶通道结构。
18.如权利要求17所述的电磁治疗装置，其中所述至少一个波形参数包括下面的参数中的至少一种一频率成分参数，其根据一数学函数，将所述至少一个波形构造成以约0.01Hz和约100MHz间的频率重复；一猝发振幅包络参数，其遵守数学定义的一振幅函数；一猝发宽度参数，其根据数学定义的一宽度函数，以每一重复变化；一感应的峰电场参数，其根据数学定义的一函数，在所述靶通道结构中在约1μV/cm和约100mV/cm间变化；以及一感应的峰电磁场参数，其根据数学定义的一函数，在所述靶通道结构中在约1μT和约0.1T间变化。
19.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，其中调节钙与钙调蛋白的结合。
20.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，其中调节钙与钙调蛋白的结合。
21.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，其中调节与血管生成和新血管形成有关的生长因子和细胞因子。
22.如权利要求21所述的电磁信号发生设备，其中所述生长因子包括成纤维细胞生长因子、血小板衍生的生长因子和白细胞介素生长因子中的至少一种。
23.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，其中调节与血管生成和新血管形成有关的生长因子和细胞因子。
24.如权利要求23所述的电磁信号发生设备，其中所述生长因子包括成纤维细胞生长因子、血小板衍生的生长因子和白细胞介素生长因子中的至少一种。
25.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节生长因子的产生。
26.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节生长因子的产生。
27.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节细胞因子的产生。
28.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节细胞因子的产生。
29.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗骨折和骨疾。
30.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗骨折和骨疾。
31.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗心血管病。
32.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗心血管病。
33.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗脑疾病。
34.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗脑疾病。
35.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗脑血管疾病。
36.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗脑血管疾病。
37.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗周边血管疾病。
38.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗周边血管疾病。
39.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗病变或缺血性细胞和组织。
40.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗病变或缺血性细胞和组织。
41.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗急性或慢性软组织损伤。
42.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗急性或慢性软组织损伤。
43.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号感应耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗扭伤、劳损和挫伤。
44.如权利要求17所述的电磁信号发生设备，其中所述信号电容性耦合到活细胞和组织，以调节血管生成和新血管形成，来治疗扭伤、劳损和挫伤。
全文摘要
一种用于活组织和细胞电磁治疗的装置和方法，其包括根据具有至少一个波形参数的一数学模型，构造至少一个波形，所述至少一个波形耦合到血管生成和新血管形成的靶通道结构(101)；选择所述至少一个波形参数的一值，使得所述至少一个波形构造成在所述血管生成和新血管形成的靶通道结构中可检测出(102)；从所述所构造的至少一个波形中产生一电磁信号；以及使用一耦合设备，将所述电磁信号耦合到所述血管生成和新血管形成的靶通道结构(103)。
文档编号C12N13/00GK1980610SQ200580020258
公开日2007年6月13日 申请日期2005年4月19日 优先权日2004年4月19日
发明者亚瑟·A·皮拉, 安德烈·迪米诺 申请人:Ivivi科技有限公司