药剂、化学剂和局部剂增强装置及其使用方法

专利名称：药剂、化学剂和局部剂增强装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及通过改变与活组织、细胞和分子的电磁环境的相互作用来 增强用于处理活组织、细胞和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效 力。本发明还涉及通过编码电磁信息的应用来调节细胞和组织生长、修复、 维护和一般行为的方法。尤其是，本发明通过编码电;兹信息的外科无创活
性耦合来向一个或多个身体部分提供了非常特定的电磁频率(EMF)信号 图案的应用。与被应用于人、动物和植物耙途径结构(例如细胞、器官、 组织和分子)的药剂、化学剂、美容剂和局部剂结合的这样的电磁波形的 应用可用于增强这样的剂的各种效力。
背景技术：
大多数低频EMF的使用与骨骼修复和愈合的应用结合。这样，EMF 波形和EMF波形的当前的整形外科的临床使用包括相对低频分量且有很 低的功率，导致在低于5KHz的频率处的在每厘米一微伏(mv/cm)范围 内的最大电场。使用细胞膜的电化学模型来预测可以预期生物效应的EMF 波形图案的范围的线性物理化学方法基于如下假设细胞膜、特别是结合 在细胞膜内或上的结构的离子是可能的EMF耙。因此，必须确定波形参 数的范围，对于该波形参数，感应电场可例如通过使用依赖电压的动力学， 在细胞表面电化学地耦合。此线性模型的扩展包括洛伦兹(Lorentz)力考 虑因素，其最终证实了 EMF的f兹分量可在EMF治疗中起重要作用。这导 致在^艮低的频率范围/人合并的AC和DC ^f兹场效应预测利益的离子回^:加 速器谐振和量子模型。
由用于深层组织愈合的27.12MHz的连续正弦波产生的脉冲射频 (PRF)信号在透热疗法的现有技术领域中是已知的。透热疗法信号的脉冲后继最初祐发表为能够在传染病的治疗中激发非热生物效应的电磁场。 随后，报道了用于减少软组织的创伤后和手术后的疼痛和水肿、伤口愈合、
灼伤治疗和神经再生的PFR治疗应用。用于消退创伤水肿的PRF的应用 近年来被越来越多地使用。截至目前在动物和临床研究中使用PRF的结果 表明，水肿可由于这样的电磁刺激被适度地减少。
本发明基于生物物理和动物研究，其将细胞与细胞的交流对组织结构 敏感性的效应归因于感应电压和相关电流。使用信噪比(SNR)和功率信 噪比(功率SNR)中至少一个的数学分析估计应用于靶途径结构(如细胞、 组织、器官和分子)的EMF信号是否在离子结合位置出现的热噪声之上 是可检测的。现有技术的EMF剂量测定没有考虑组织结构的电介质特性， 相反，现有技术利用分离的细胞的特性。通过利用电介质特性，通过最佳 化在靶途径结构估计的SNR和功率SNR数学值而配置的电磁波形的活性 耦合(reactive coupling)可增强被应用于人、动物和植物细胞、器官、组 织和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的各种效力。增强作用源于增 加的血液流量及血管生成和新血管形成的调节以及其它增强的生物效应 过程。
无创PRF在射频的最近的临床使用利用27.12MHz正弦波的脉冲群， 每个脉冲群一tt示65微秒的宽度，且每脉冲群大约有1700个正弦周期， 以及具有不同的脉沖群重复率。
具有在一到一百兆赫兹(MHz)的范围内的频率的电磁波形的广谱密 度脉冲群被选择性地应用于人、动物和植物细胞、器官、组织和分子，每 脉沖群有l到100000个脉冲，以及脉冲群重复率为0.01到10000赫兹(Hz )。 每个脉冲群的电压幅度包络是在脉冲群包络内有效提供广谱密度的随机、 不规则或其它类似的变量的函数。考虑在特定的把途径结构中的信号与热 噪声比和功率SNR的数学函数定义变量。波形设计成调节活细胞生长、状 态和修复。这些信号的特定应用包括但不限于增强药剂、化学剂、美容 剂和局部剂的效力，器官、肌肉、关节、皮肤和毛发的预防和保健处理， 外科手术后和创伤的伤口愈合，血管生成，改善的血液灌注，血管舒张，
血管收缩，水肿减少，增强的新血管形成，骨骼修复，腱修复，韧带修复，
8器官再生和疼痛减轻。与被应用于人、动物和植物细胞、器官、组织和分 子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂结合的电磁波形的应用可用于增强这 样的化合物的各种效力。
根据本发明的实施方案，较高谱密度的脉沖群包络可更有效地耦合到 生理学相关的电介质途径，例如细胞膜受体、与细胞酶结合的离子和一般 的跨膜电位变化。根据本发明的实施方案增加了传输到相关的细胞途径的 频率分量的数量，导致可应用于已知愈合机制的较大范围的生物物理现象 变得可实现，包括增强的酶活性、生长因子释放和细胞因子释放。通过增 加脉沖群持续时间和通过应用随机或其它高谱密度的包络至感应在每厘
米10-6和10伏(V/cm)之间的峰值电场并满足根据SNR或功率SNR的 检波能力要求的单极或双极矩形或正弦脉冲的脉冲群包络，在可应用于 人、动物和植物中的软组织和硬组织的生物学愈合过程可取得更有效和更 大的效果，导致药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的增强。
本发明涉及被应用于人、动物和植物细胞、器官、组织和分子的药剂、 化学剂、美容剂和局部剂的已知机制。特别地，这些剂的功效取决于所述 剂的最佳剂量达到预期的靶途径结构，这可通过增加的血液流量和在相关 的生物化学级联期间被活性酶的增加催化增强的化学活性来完成。电磁场 可增加影响所述剂活性的血液流量和离子结合。使用本发明的一个有利的 结果是，剂的量可能由于剂的增强的效力而减少。本发明的目的是提供改 良的方法以增强并促进被应用于人、动物和植物细胞、器官、组织和分子 的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的预期作用，并提高其功效以及其它效 力。
本发明的另一 目的是，通过将高谱密度电压包络应用为根据SNR和功 率SNR要求的调节或脉冲群定义参数，对这样的增加的持续时间的脉沖群 的功率要求可明显低于具有相同频率范围的脉冲的较短脉沖群的功率要 求；这源于频率分量与相关的细胞/分子过程的更有效的匹配。因此，获得 了增强的传输到相关的电介质途径的剂量测定和降低的功率要求的优点。
因此，存在对更有效地增强和促进被应用于人、动物和植物细胞、器 官、组织和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的预期作用并提高其功
9效以及其它生物效应作用的装置和方法的需要。 发明概述
本发明涉及通过提供用于无创脉冲电磁治疗以增强动物、人和植物中 活组织的生理状况、修复和生长的治疗、预防和保健装置和方法，来增强 用于处理活组织、细胞和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力。
这个有益的方法通过使用电磁装置(如EMF发生器和高频发热电极头 (applicator heads ))来揭:作以选i奪性地改变与细胞和组织环境关联的生物 电磁环境。根据本发明的实施方案包括将磁通路线51入可选择的身体部 位，包括在脉冲群包络内具有至少0.01微秒的最小宽度特征的一系列EMF 脉沖，所述脉沖群包络每脉沖群具有1和100000之间的脉冲，其中所述 脉沖群的电压幅度包络由随机变化的参数定义，其中瞬时最小幅度与最大 幅度相差不足万分之一。进一步地，这样的脉冲群的重复率可从0.01变化 到10000赫兹。在靶结构中满足SNR和/或功率SNR检波能力要求的在数 学上可定义的参数用于定义脉沖群的配置。
通过考虑靶途径结构的电介质特性和对由于热噪声或其它基本的细胞 活动的电压的感应电场幅度的比率来选择在数学上定义的参数。
本发明的另 一 目的是提供使用配以在目标途径结构中满足SNR和功 率SNR检波能力要求的波形，通过在细胞膜和在细胞之间的接合界面电磁 调节敏感调整过程来处理活细胞和组织的方法。
根据本发明的优选实施方案利用功率信噪比(功率SNR)方法来配置 生物效应波形，以及合并小型化电路和轻型柔性线圈。这有利地允许利用 功率SNR方法、小型化电路和轻型柔性线圈的设备完全是易携带的，且如 果期望被构造为用完即可丢弃的，以及如果进一步期望被构造为可植入的。
特别地，配置成在生物学靶的带通内获得最大信号功率的电磁波形的 广谱密度脉沖群被选择性地应用到靶途径结构(如组织)，以增强药剂、 化学剂、美容剂和局部剂的效力。使用与靶途径结构中热噪音波形的独特的幅度/功率比较来选择波形。信号包括正弦、矩形、不规则和随机波形中
至少一个的脉沖群，具有以每秒约1到100000个脉沖的在约0.01Hz到约100MHz的范围内的频率容量，并具有从约0.01到约1000脉沖群/秒的脉沖重复率。在靶途径结构(如器官、细胞、组织和分子)的峰值信号幅度在约lpV/cm到约100pV/cm的范围内。每个信号脉冲群包络可为随机函数，该随机函数提供适应增强的生物效应过程的不同电磁特征的方法。根据本发明的优选实施方案包括约0.1到约100毫秒的脉沖群，该脉沖群包括在脉冲群内以约0.1到约100千赫兹重复的约1到约200 ^!秒的对称或非对称脉沖。脉沖包络是修改的1/f函数并在约0.1和约1000Hz之间以随机重复率应用。固定的重复率也可用在约O.lHz和约1000Hz之间。从约0.001V/cm到约100mV/cm的感应电场被产生。才艮据本发明的另一实施方案包括约0.01毫秒到约10毫秒的高频率正弦波脉冲群，例如以每秒约1到约100个脉冲群重复的27.12MHz。从约0.001V/cm到约100mV/cm的感应电场被产生。作为结果的波形可通过电感或电容耦合来传递。

发明内容
本发明的一个目的是提供在细胞膜和在细胞之间的接合界面的电磁敏感调整过程的调节。
本发明的另 一 目的是借助于数学模拟通过配置波形的功率谱来增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力，使用信噪比(SNR)分析来配置被最佳化以调节血管生成和新血管形成的波形，然后使用由波形配置设备如小型化电路提供动力的发电设备如超轻型金属线圈来耦合所配置的波形。
本发明的另一目的是即使在霍奇金(Hodgkin)-贺胥黎(Huxley)膜模型中的电当量是非线性的，也通过使用任何输入波形，通过估计在任何靶途径结构(如分子、细胞、组织和器官)的功率SNR来调节血管生成和新血管形成，以增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力。
本发明的另一目的是提供合并功率SNR的使用来控制并调节电磁治疗处理以增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的装置。
本发明的另 一 目的是提供使用通过最佳化被应用到生物化学靶途径结构以实现在分子、细胞、组织和器官内的血管生成和新血管形成的调节而选择的电磁场，来增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法和装置。
本发明的另一目的是凭借功率SNR通过使信号中的频率范围与频率响应以及靶途径结构(如分子、细胞、组织和器官)的壽丈感性匹配来显著降低峰值幅度并缩短脉冲持续时间，因而实现血管生成和新血管形成的调节以增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力。
本发明的另外的目的是提供用于电磁波形的应用的装置，以与被应用于人、动物和植物细胞、器官、组织和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂结合来使用，以便可以增强这样的化合物的生物效应过程。
本发明的另外的目的是提供为了治疗、预防和保健目的而增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法。
本发明的另外的目的是提供用于结合药剂、化学剂、美容剂和局部剂使用EMF以提高这些剂的效力来处理器官、肌肉、关节、皮肤和毛发的方法。
本发明的另外的目的是4是供用于结合药剂、化学剂、美容剂和局部剂使用EMF以增强健康来处理器官、肌肉、关节、皮肤和毛发的方法。
本发明的另外的目的是提供其中根据靶途径结构中的SNR和功率SNR检波能力要求来配置电磁波形的方法。
本发明的另外的目的是提供用于包括宽带、高广谱密度电磁场的电磁治疗的方法。
本发明的另外的目的是提供通过结合药剂、化学剂、美容剂和局部剂使用EMF来增强软组织和石更组织^修复的方法。
本发明的另外的目的是提供通过使用电磁治疗以调节血管生成来增加到被疾病感染的组织的血液流量，以增强药剂、化学剂、美容剂和局部
12剂的效力的方法。
本发明的另外的目的是提供增加血液流量以增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法，这些剂调节所移植的细胞、组织和器官的成活力、生长和分化。
本发明的另外的目的是提供通过调节血管生成并增加血液流量以增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力来治疗心血管疾病的方法。
本发明的另外的目的是提供通过提高微血管血液灌注和减少渗出来增加药剂、化学剂、美容剂和局部剂的生理效力的方法。
本发明的另外的目的是提供增加血液流量以增强用于治疗骨骼和硬组织疾病的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法。
本发明的另外的目的是提供增加血液流量以增强用于治疗软组织的水肿和肿胀的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法。
本发明的另外的目的是提供增加血液流量以增强用于修复受损软组织的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法。
增加到受损组织的血液流量因而增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法。
本发明的另外的目的是提供电磁治疗装置，其中所述装置使用降低的功率水平来操作。
本发明另外的目的是提供电磁治疗装置，其中所述装置是廉价和易携带的，且产生减少的电磁干涉。
才艮据下文中阐述的附图的筒短描述、本发明的详细描述和同此所附的权利要求，本发明的以上以及还有其它的目的和优点将变得明显。
附图简述
下面参考附图更详细地描述本发明的优选实施方案
图l是根据本发明的实施方案的用于增强用来处理活组织、细胞和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力的方法的流程图2是根据本发明的优选实施方案的应用于膝关节的控制电路和电线圏的-见图3是根据本发明的优选实施方案的小型化电路的结构图4A是根据本发明的优选实施方案的金属线圈如感应器的线条图
图4B是根据本发明的优选实施方案的柔性磁金属线的线条图5描绘根据本发明的优选实施方案传递到靶途径结构例如分子、细胞、组织或器官的波形；
图6是根据本发明的优选实施方案的定位设备如手腕支持器的视图7是根据本发明的优选实施方案的定位设备如床垫衬垫的视图8是显示根据本发明的实施方案的增加的脉沖群持续时间的效果的曲线图9是显示根据本发明的实施方案获得的皮肤血液灌注的增加的曲线图。
具体实施例方式
根据本发明的实施方案向脉冲群包络提供了较高的谱密度，导致对相关的电介质途径(例如细胞膜受体、与细胞酶结合的离子以及一般的跨膜电位变化)的增强的治疗效力。根据本发明的实施方案增加了传输到相关的细胞途径的频率分量的数量，因而提供了接触可应用于已知的愈合机制的较大范围的生物物理现象的机会，例如生长因子的调节和细胞因子释放以及在调节分子处的离子结合。根据由在转导途径内的SNR或功率SNR定义的数学模型，通过将随机或其它高谱密度包络应用到感应在每厘米
群包络，对可应用于软组织和硬组织的生物愈合过程可达到较大的效果，因而增强药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力。
本发明的一个有利结果是，根据由在转导途径内的SNR或功率SNR
14定义的数学模型，通过应用高镨密度电压包络作为调节或脉沖群定义参
围内的脉沖的未调制的脉冲群的功率要求。因此，获得了增强的传输到相 关的电介质靶途径的剂量测定和降低的功率要求的优点。
本发明的额外优点涉及通过促进所述剂的预期效力和提高功效，来增 强应用于人、动物和植物细胞、器官、组织和分子的药剂、化学剂、美容 剂和局部剂的效力。
来自PEMF或PRF设备的感应时间变化的电流在耙途径结构例如分 子、细胞、组织和器官中流动，且这些电流是一种刺激，细胞和组织以生 理学有意义的方式可对该刺激起反应。靶途径结构的电特性影响感应电流 的水平和分布。分子、细胞、组织和器官都在感应电流途径如在缝隙接合 接触内的细胞中。在可驻留在膜表面上的大分子上的结合位置处的离子或 配体相互作用是依赖电压的过程，例如可响应于感应电-兹场(E)的电化 学。感应电流通过周围的离子介质到达这些部位。在电流途径中细胞的存 在使感应电流(J)随着时间(J(t))衰减得较快。这是由于来自膜电容的 细胞的增加的电阻抗和结合的时间常数以及其它电压敏感膜过程如膜转 运。
表示不同膜和充电界面配置的等效电路模型被得到。例如，在钙(Ca2+) 结合中，由于感应E,在结合位置处的所结合的Ca^的浓度变化可在频域 内由阻抗表达式描述，如
1
其具有串联电阻-电容的等效电路的形式。其中co是定义为2兀f的角频
率，f是频率，i=-l1/2， Zb((O)是结合阻抗，以及Ri。n和C^是等效结合电阻 和离子结合途径的电容。等效结合时间常数的值Ti。^Ri。。Ci。n通过 Ti。t^Ri。nCi。^l/kb与离子结合率常tt有关。因此，该途径的特征时间常^t由 离子结合动力学确定。
来自PEMF或PRF信号的感应E可使电流流入离子结合途径并影响每 单位时间结合的Ca"离子的数量。其电当量是在等效结合电容Ci。n两端的电压变化，这是被Ci。n储存的电荷变化的直接测量。电荷与在结合位置内
Ca"离子的表面浓度成正比例，即，电荷的储存相当于离子或在细胞表面
和关节上的其它充电物质的储存。电阻抗测量以及结合率常数的直接动力
学分析提供了为配置PMF波形以与耙途径结构的带通匹配所必需的时间 常数值。这考虑到对任何给定感应E波形的所要求的频率范围，以最佳耦 合到把阻抗如带通。
与调节分子结合的离子是常见的EMF靶,例如与4丐调蛋白结合的Ca2+ (CaM)。该途径的使用以促进组织修复(例如骨骼愈合、伤口愈合、毛 发修复以及分子、细胞、组织和器官的修复)为基础，这些修复涉及在不 同修复期释放的生长因子的调节。生长因子例如血小板源生长因子 (PDGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)和表皮生长因子(EGF)都在适 当的愈合期被涉及。血管生成和新血管形成也是对组织生长和修复必须 的，并可被PMF调节。所有这些因子都是Ca/CaM依赖性的。
利用Ca/CaM途径可配置波形，对于该波形，感应功率充分地大于背 景热噪声功率。在合适的生理条件下，该波形可具有在生理上显著的生物 效应。
功率SNR模型对Ca/CaM的应用需要在CaM的Ca"结合动力学的电 当量的知识。在一级结合动力学内，在CaM结合位置所结合的Ca、农度
随时间的变化在频域内可被等效结合时间常数Ti。^Ri。nCi。n特征化，其中 Ri。n和Ci。n是等效结合电阻和离子结合途径的电容。Ti。n通过 Ti。r^Ri。nCj。fl/kb与离子结合率常数kb有关。kb的公布值然后可用在细胞阵
列模型中，以通过比较由PRF信号引起的电压与在CaM结合位置的电压 的热波动来估计SNR。使用PMF响应的用数字表示的值，如 V腿6.5xl0-7sec-1 , [Ca2+]=2.5|iM , KD=30nM ， [Ca2+CaM]=KD ([Ca2+]+[CaM]),得到k^665sec"(Ti。^1.5msec)。这样的Ti。n值可用在离 子结合的等效电路中，而功率SNR分析可被执行以用于任何波形结构。
根据本发明的实施方案，数学模型例如数学方程式和/或一系列数学方 程式可配置成吸收出现在所有与电压有关的过程中的热噪声，并表示建立
足够的SNR的最小阈值要求。例如表示建立足够的SNR的最小阈值要求
16的数学模型可配置成包括热噪声的功率语密度，因此热噪声的功率谱密度 Sn(CO)可表示为
S ( ) = 4WRe[ZM0c,w)]
其中ZM(x,co)是靶途径结构的电阻抗，x是耙途径结构的维数，Re表 示靶途径结构的阻抗的实部。ZM(x,co)可表示为
tanh(;KX)
该方程式清楚
(Re)、细胞内液体电阻(Ri)和膜间电阻(Rg)的贡献(这些电阻电连 接到靶途径结构)都促进噪声过滤。
估计SNR的一般方法使用均方根(RMS)噪声电压的单值。这通过 在与完整的膜反应有关或与靶途径结构的带宽有关的所有频率上取 &(w) = Re[ZM (x, )]的积分的平方根来计算出。SNR可由比率表示
S層
—KM
其中IVM(O))i是当被选定的频率传递到把途径结构时在每个频率处电 压的最大幅度。
本发明的实施方案包括具有高谱密度的脉沖群包络，以便增强对相关 的电介质途径(如细胞膜受体、与细胞酶结合的离子以及一般的跨膜电位 变化)的治疗效果。因此，通过增加传输到相关的细胞途径的很多频率分 量，可应用于已知的组织生长机制的大范围的生物物理现象(例如调节生 长因子和细胞因子释放以及在调节分子的离子结合)是可实现的。根据本
发明的实施方案，将随机或其它高谱密度包络应用到感应在约10-8和约100 伏V/cm之间的峰值电场的单极或双极矩形或正弦脉冲的脉冲群包络，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果。
根据本发明的又一实施方案，通过将高谱密度电压包络应用为调节或 脉沖群定义参数，对这样的幅度调节的脉冲群的功率要求可明显低于包含 相似的频率范围内的脉冲的未调节脉沖群的功率要求。这是由于，通过将不规则、优选地为随机的幅度强加到否则实质上为均匀的脉沖群包络，产 生了在重复脉沖群链内的占空比的实质上的减少。因此，获得了增强的传 输到相关的电介质途径的剂量测定和降低的功率要求的双重优点。
参考

图1,其中图1是根据本发明的实施方案的方法的流程图，为了 治疗和预防目的，该方法用于通过将可被脉动地产生的电磁信号传递到靶 途径结构(如动物和人的离子和配体)，来增强用于处理干细胞、组织、细 胞、器官和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力。耙途径结构还 可包括但不限于干细胞、组织、细胞、器官和分子。增强药剂、化学剂、 美容剂和局部剂的效力包括但不限于增加吸收率、降低实际剂量、加快在 有机体水平的传递率，以及增加在分子和细胞水平的结合动力学和传输动
力学水平。
至少一种活性剂被应用到靶途径结构(步骤101 )。活性剂包括但不限 于药剂、化学剂、美容剂、局部剂和基因剂。活性剂可被口服、局部应用、 在静脉内应用、肌肉内应用、或通过医学界中已知的使物质与耙途径结构
相互作用的任何其它方式，如电离子透入疗法、x辐射和光辐射以及加热。 药剂包括但不限于抗生素、生长因子、化学治疗剂、抗组胺剂、血管紧张 素抑制剂、p-受体阻滞剂、抑制素和抗炎药。化学剂包括但不限于过氧化
氩、聚乙烯吡咯酮磺(betadine)和醇。局部剂包括但不限于抗生素、乳剂、 松香油、过氧化苯曱酰、托萘酯、薄荷醇、润肤剂、油剂、羊毛脂、鲨烯、 芦荟(aloe vera )、抗氧化剂、脂肪酸、脂肪酸酯、鳕肝油、a-生育酚、石 油、氢化聚丁烯、维生素A、维生素E、局部蛋白质和胶原。美容剂包括 但不限于化妆品、眼睑墨和胭脂。基因剂包括但不限于基因、DNA和染色 体。
将具有至少一个波形参数的至少一个波形配置成耦合到靶途径结构如 离子和配体(步骤102)。
所述至少一个波形参数选一奪成最大化靶途径结构中的信噪比和功率信 噪比中至少一个，以使靶途径结构中的波形在背景活动例如基本的电压热 波动和在靶途径结构的电阻抗上是可检测的(步骤102),背景活动依赖于 细胞和组织的状态，即，该状态是否是^^息、生长、置换和响应损伤的至少一种，以产生在生理上有益的结果。为了在耙途径结构中是可4企测的， 所述至少一个波形参数的值可通过使用所述耙途径结构的常数被选择，来 估计信噪比和功率信噪比中至少 一个，以比较由在所述耙途径结构中的所 述至少 一个波形感应的电压与在所述耙途径结构中的电压的基本热波动 和电阻抗，由此通过最大化在所述靶途径结构中的带通内的所述信噪比和 功率信噪比中至少一个，借助于所述至少一个波形，生物效应调节出现在 所述輩巴途径结构中。
所产生的电》兹信号的优选实施方案包括具有至少一个波形参数的任意
波形的脉冲群，该波形参数包括多个范围从约0.01Hz到约100MHz的频率 分量，其中所述多个频率分量满足功率SNR模型(步骤103)。例如重复 的电磁信号可由所述至少一个波形电感性或电容性地产生(步骤104)。电 磁信号还可为非重复性的。电磁信号通过与耙途径结构极接近地放置的耦 合设备(如电极或感应器)的输出耦合到耙途径结构，如离子和配体(步 骤105)。电;兹信号与靶途径结构的耦合可附加地出现在例如应用活性剂之 前的任何时刻、在活性剂被应用的同时或在活性剂被应用的时间之后。该 耦合增加了血液流量以及离子和配体与分子、组织、细胞和器官中的调节 分子结合的调节，因而增强了活性剂的生物效力。
图2示出根据本发明的装置的优选实施方案。该装置是独立的、轻型 的和易携带的。小型控制电路201耦合到至少一个连接器202如金属线的 一端，但是控制电路也可无线操作。所述至少一个连接器的相对的一端耦 合到发电设备如电线圏203。小型控制电路201以应用数学模型的方式构 成，该模型用于配置波形。所配置的波形必须满足功率SNR,以便对于给 定和已知的靶途径结构，有可能选择满足功率SNR的波形参数，使得波形 产生生理上有益的结果(例如生物效应调节)且在靶途径结构内在背景活 动上是可检测的。根据本发明的优选实施方案应用数学模型来在靶途径结 构(如离子和配体)中感应随时间变化的;兹场和随时间变化的电场，包括 以每秒约0.1到约100个脉冲重复的约1到约100孩i秒矩形脉冲的约0.1 到约100毫秒的脉沖群。感应电场的峰值幅度在约lpV/cm和约100mV/cm 之间，根据更改的1/f方程式变化，其中f二频率。配置成使用根据本发明的优选实施方案的波形可应用于耙途径结构(如离子和配体)，优选总照射
时间为每天1分钟到240分钟。然而可使用其它照射时间。由小型控制电 路201配置的波形通过连接器202被引导到发电设备203如电线圈。发电 设备203传递可用于向靶途径结构如组织提供治疗的脉沖磁场。小型控制 电路应用脉冲磁场一段规定的时间并可按在给定的时间段内所需要的多 次应用(例如一天10次)而自动重复应用脉冲》兹场。以任何时间重复顺 序应用脉冲磁场的小型控制电路可配置成可编程的。根据本发明的优选实 施方案可通过合并到定位设备204如床中来增强药剂、化学剂、美容剂和 局部剂的效力。将脉沖磁场耦合到耙途径结构如离子和配体，在治疗和预 防疾病上减少了炎症，因而有利地减少了疼痛、促进了耙部位中的愈合以 及增强了药剂、化学剂、美容剂和局部剂与耙途径结构的相互作用。当电 线圈用作发电设备203时，根据法拉第定律，用在靶途径结构中感应随时 间变化的电场的随时间变化的磁场可给电线圈提供动力。也可使用电磁耦 合来应用由发电设备203产生的电磁信号，其中电极与皮肤或耙途径结构 的另外的外部电传导边界直接接触。另外在根据本发明的另 一实施方案 中，也可使用静电耦合来应用由发电设备203产生的电磁信号，其中在发 电设备203如电极和靶途径结构如离子和配体之间存在空气间隙。根据本 发明的优选实施方案的优点是，其超轻型线圈和小型化电路允许用于普通 物理治疗方法，且用于任何期望生长、疼痛减轻以及组织和器官愈合的地 方。根据本发明的优选实施方案的应用的有利结果是，组织生长、修复和 维护可在任何地方和在任何时间来完成和增强，例如当开车或看电^L时。 优选实施方案的应用的又一有利结果是，分子、细胞、组织和器官的生长、 修复和维护可在任何地方和在任何时间来完成和增强，例如当开车或看电 视时。
图3描绘了根据本发明的优选实施方案的小型控制电路300的结构图。 小型控制电路300产生驱动发电设备(如上面在图2中描述的金属线圈) 的波形。小型控制电路可被任何触发装置(如开/关型开关)触发。小型控 制电路300具有电源如锂电池301。电源的优选实施方案具有3.3伏的输 出电压，但也可使用其它电压。在根据本发明的另一实施方案中，电源可 为外部电源例如电流电源插座，如通过插头和电线耦合到本发明的AC/DC电源插座。开关电源302控制到凝:控制器303的电压。樹:控制器303的优 选实施方案使用8比特4MHz的微控制器，但可使用其它比特MHz的组 合微控制器。开关电源302还可将电流输送到储存电容器304。本发明的 优选实施方案使用具有220pF输出的储存电容器，但可使用其它输出。储 存电容器304允许高频脉冲被输送到耦合设备如感应器(没有示出)。微 控制器303还控制脉冲形成器305和脉冲相位定时控制306。脉冲形成器 305和脉沖相位定时控制306确定脉沖形状、脉冲群宽度、脉冲群包络形 状和脉冲群重复率。积分波形发生器如正弦波或任意数量的发生器也可被 合并以提供特定的波形。电压电平转换子电路307控制传递到靶途径结构 的感应场。开关Hexfet308允许随机化幅度的脉冲群被传递到将波形发送 到至少一个耦合设备如感应器的输出309。农t控制器303还可控制耙途径 结构如分子、细胞、组织和器官的一次治疗的总照射时间。小型控制电^各 300可构造成可编程的并应用脉冲磁场一段规定的时间，以及按在给定的 时间段内所需要的多次应用(例如一天10次)而自动重复应用脉沖磁场。 根据本发明的优选实施方案使用约IO分钟到约30分钟的治疗时间。
参考图4A和图4B,其示出根据本发明的优选实施方案的耦合设备400 如感应器。耦合设备400可为以单股或多股柔性金属线402缠绕的电线圏 401，然而也可使用实心金属线。在根据本发明的优选实施方案中，金属 线由铜制成，但也可使用其它材料。多股柔性磁金属线402使电线圈401 能够符合特定的解剖学结构如人或动物的肢翼或关节。电线圈401的优选 实施方案包括直径约O.Olmm到约O.lmm的单股磁金属线和多股磁金属线 中至少一个的约1到约1000压，金属线缠绕在具有约2.5cm与约50cm之 间的外部直径的最初为圓形的结构上，但也可使用其它数量的匝和金属线 直径。电线圈401的优选实施方案可用无毒PVC塑模403包裹，但也可使 用其它无毒塑模。电线圈也可合并在敷料、绷带、衣服和一般用于伤口治 疗的其它结构中。
参考图5，其示出才艮据本发明的实施方案的波形500。脉沖501在具有 有限持续时间的脉沖群502内重复。这样的持续时间503使得可被定义为 脉冲群持续时间与信号周期的比率的占空比在约i到约10_5之间。根据本
21发明的优选实施方案利用准矩形IO微秒脉沖作为被应用在脉沖群502中 的脉冲501约10到约50毫秒，脉冲群502具有更改的1/f幅度包络504 并具有相应于约0.1到约IO秒之间的脉沖群周期的有限持续时间503，但 可使用遵循数学模型如SNR和功率SNR的其它波形、包络和脉冲群周期。
图6示出根据本发明的优选实施方案的定位设备如手腕支持器。定位 设备600 (如手腕支持器601 )被戴在人的手腕602上。定位设备可构造 成易携带的、可构造成用完即可丢弃的或可构造成可植入的。定位设备可 以多种方式与本发明结合使用，例如通过缝合将本发明合并入定位设备 中、例如通过Velcro⑧将本发明附加到定位设备上、以及通过将定位设备 构造成弹性而将本发明保持在合适的位置。
在根据本发明的另一实施方案中，本发明可构造为具有或没有定位设 备的任何尺寸的单机设备，以被使用在任何地方例如在家、在诊所、在治 疗中心或在室外。手腕支持器601可用任何解剖和支持材料例如氯丁橡胶 制造。线圈603合并入手腕支持器601中，使得根据本发明配置的信号(例 如在图5中描绘的波形)从手腕顶部的背部应用到为手腕底部的跖部。使 用加固设备如Velcro (没有示出)将微电路附到手腕支持器601的外部。 微电路耦合到至少一个连接设备如柔性金属线605的一端。所述至少一个 连接设备的另一端耦合到线圏603。根据本发明的其它实施方案的定位设 备包括膝、肘、下背、肩、其它解剖包裹物以及衣物例如衣服、时尚配件 和鞋抹。
参考图7,其示出根据本发明的实施方案的合并入床垫衬垫700的电 磁治疗装置。也可使用床垫。若干轻型柔性线圏701合并入床垫衬垫。轻 型柔性线圏701可由细柔性导电金属线、导电细丝和任何其它柔性导电材 料构成。柔性线圈连接到至少一条金属线702的至少一端。然而，柔性线 圈也可配置成直接连接到电路703或无线连接。根据本发明的实施方案配 置波形的轻型小型化电路703连接到所述至少一条金属线的至少另 一端。 当触发轻型小型化电路703时，配置被引导到柔性线圈(701)的波形以 产生耦合到靶途径结构的PEMF信号。
22实施例1
根据本发明的用于EMF信号配置的实施方案用于标准酶分析中的钙 依赖性的肌球蛋白磷酸化。已知这个酶途径增强被应用于人、动物和植物 细胞、器官、组织和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂的效力。为了 磷酸化率在几分钟的时间内是线性的以及为亚饱和Ca"浓度来选择反应混 合物。当发生在损伤中时或由于施用被应用于人、动物和植物细胞、器官、 组织和分子的药剂、化学剂、美容剂和局部剂，这为对EMF敏感的 Ca2+/CaM打开了生物窗。使用从火鸡砂嚢分离的肌球蛋白轻链(MLC ) 和肌球蛋白轻链激酶(MLCK)来进行实验。反应混合物主要由下列物质 组成包含40mMHepes緩沖溶液、pH为7.0的基本溶液；0.5 mM醋酸 铵；1 mg/ml牛血清白蛋白，0.1。/。(w/v)吐温80;以及1 mM EGTA。游离 Ca"在l-7^M范围内变化。 一旦建立Ca"緩沖，新鲜配制的70 nM CaM、 160 nM MLC和2 nM MLCK被加到基本溶液以形成最终的反应混合物。
反应混合物每天新鲜配制以用于每个系列的实验，并被等分成100 jxL 的部分而装入1.5 ml Eppendorf管。所有包含反应混合物的Eppendorf管被 保持在(TC,然后被转移到通过穿过Fisher Scientific模型900热交换器而被
预热的水的持续灌注来维持在37士o.rc的特别设计的水浴。使用在所有实
验期间浸没在一个Eppendorf管中的热敏电阻探测器(如Cole-Parmer模型 8110-20 )来监控温度。反应用2.5 (iM32PATP启动，并用包含30^iMEDTA 的Laemmli样品緩冲溶液停止。在每个实验中计数五个空白样品的最小值。 空白包括减去活性成分Ca2—、 CaM、 MLC或MLCK之一的全部分析混合 物。磷酸化被允许进行5分钟并通过使用TM分析模型5303 Mark V液体 闪烁计数器计数整合于MLC中的32P而被估计。
信号包括高频波形的重复脉沖群。幅度在0.2G维持恒定，且对所有的 照射重复率为l脉冲群/秒。根据说明当脉沖群持续时间接近500psec时获 得最佳功率SNR的本发明的数学分析的估计，脉冲群持续时间从65psec 变化到1000psec。结果显示在图8中，其中以psec为单位的脉冲群宽度 801标示在x轴上，肌球蛋白磷酸化802作为治疗/对照(treated/sham)标 示在y轴上。可看到，PMF对Ca^与CaM结合的效果在大约500nsec时接近于其最大值，恰好如功率SNR模型所示的。
这些结果证实，对于足以获得给定磁场幅度的最佳功率SNR的脉沖群 持续时间，根据本发明的实施方案配置的EFM信号将最大限度地增加被 应用于人、动物和植物细胞、器官、组织和分子的药剂、化学剂、美容剂 和局部剂的效力。
实施例2
本研究确定使用脉沖电磁频率(PEMF)波形的治疗对在所治疗的部 位中的血液灌注影响到什么程度。在控制温度的房间(23到24°C)完成 所有测试，患者坐在舒适自如的椅子上。在每条臂上，用双面胶带将非金 属激光多普勒探测器固定到离肘窝大约5cm远的中前臂部位。用于表面温 度测量的温度感测热敏电阻被放置在离探头的外边缘大约lcm远的地方， 并用胶带固定。毛巾被盖在每个前臂上以减少任何流动的空气流的直接影 响。患者舒适地休息，每条臂的皮肤温度被监控。在此监控的时间间隔期 间，根据本发明用于产生PEMF波形的激励线圈在离皮肤表面大约2cm的 垂直距离处被直接定位在右前臂的激光多普勒探测器的上方。当所监控的 皮肤温度到达稳定状态的值时，数据采集阶段开始。这主要由被45分钟 时间间隔跟随的20分钟基本时间间隔组成，其中应用PEMF波形。
在整个过程期间以5分钟的时间间隔记录皮肤温度。用激光多普勒流 量计(LDF)确定的血液灌注信号持续地显示在图表记录器上，并通过遵 循模拟到数字转换的计算机被同时得到。LDF信号在每个连续的5分钟测 量时间间隔期间被计算机取时间平均，以产生对每个时间间隔的信号平均 灌注值。在过程结束时，在皮肤部位测量相对》兹场强度，lcm直径的环耦 合到特别设计和校准的计量系统。
对于每个患者，对治疗臂和对照臂的基本灌注被测定为在20分钟的基 本时间间隔期间的平均值。在PEMF治疗开始后，随后的灌注值被表示为 该基准的百分数。使用变量分析来进行治疗臂和对臂之间的比较，臂作为 分组变量(治疗与对照)，而时间作为重复的测量。
24图9概述了对9名患者在治疗期间发现的灌注变化的时间过程，时间 标示在x轴901上，灌注标示在y轴902上。分析显示显著的治疗-时间相 互作用(P=0.03)，在40分钟的PEMF治疗之后，在所治疗的臂内的血液 灌注显著(P<.01)提高。在对照臂和治疗臂之间基本灌注的绝对值(mv) 没有不同。按绝对单位(mv)的基本灌注作为协方差的协方差分析也显示 治疗臂和对照臂之间的总差异(P<.01)。
本考察研究的主要发现是，当以所述方式被应用时，PEMF治疗与休 息的前臂皮肤微血管灌注的显著增加相关联。当与休息的治疗前水平比较 时，平均约30%的该增加在治疗的约40分钟之后出现，但是在对侧的非 治疗的臂内没有这样明显的增加。这允许增加药剂、化学剂、美容剂和局 部剂到预期组织靶的流量。
描述了用于增强药理作用的装置和方法的实施方案，注意，本领域技 术人员可根据上面的教导进行修改和改变。因此，应理解，在所公开的本 发明的特定实施方案中进行的改变在由所附权利要求限定的本发明的范 围和精神内。
权利要求
1. 一种用于增强药理作用的方法，其包括步骤将至少一种活性剂应用于靶途径结构；配置具有至少一个波形参数的至少一个波形；选择所述至少一个波形的所述至少一个波形参数的值，以在所述活性剂所应用的靶途径结构中最大化信噪比和功率信噪比中至少一个；使用在靶途径结构中最大化所述信噪比和功率信噪比中至少一个的所述至少一个波形，以产生电磁信号；和将所述电磁信号耦合到所述靶途径结构以调节所述靶途径结构。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述应用至少一种活性剂的步骤包 括口服、静脉注射、肌肉注射和局部应用中至少一个。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述活性剂包括药剂、化学剂、局 部剂、美容剂和基因剂中至少一个。
4. 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至少一 个以下参数将所述至少一个波形配置成在约0.01Hz和约100MHZ之间 重复的频率分量参数、遵循在数学上定义的幅度函数的脉沖群幅度包络参 数、根据数学上定义的宽度函数在每个重复处变化的脉沖群宽度参数、根 据数学上定义的函数在所述靶途径结构中在约lpV/cm和约100mV/cm之 间变化的峰值感应电场参数、以及根据数学上定义的函数在所述靶途径结 构中在约lpT和约0.1T之间变化的峰值感应磁电场。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述定义的幅度函数包括1/f频率 函数、对数函数、混沌函数和指数函数中至少一个。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述靶途径结构包括干细胞、分子、 细胞、组织、器官、离子和配体中至少一个。
7. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括将离子和配体与调节分子 结合以增强所述活性剂的效力的步骤。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述离子和配体的结合的步骤包括 调节钙与钙调蛋白的结合。
9. 如权利要求7所述的方法，其中所述离子和配体的结合的步骤包括 调节靶途径结构中生长因子的产生。
10. 如权利要求7所述的方法，其中所述离子和配体的结合的步骤包 括调节靶途径结构中细胞因子的产生。
11. 如权利要求7所述的方法，其中所述离子和配体的结合的步骤包 括调节与组织生长、修复和维护有关的生长因子和细胞因子。
12. 如权利要求7所述的方法，其中所述离子和配体的结合的步骤包 括调节血管生成和新血管形成，以增强所述活性剂在所述耙途径结构的效 力。
13. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括应用标准物理治疗方法 来增强所述活性剂的效力的步骤。
14. 如权利要求13所述的方法，其中标准物理治疗方法包括加热、冷 却、压迫、按摩和锻炼中至少一个。
15. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括增加离子和配体到调节 分子的细胞外转运以增强所述活性剂的效力的步骤。
16. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括增加离子和配体到调节 分子的if争膜转运以增强所述活性剂的效力的步骤。
17. 如权利要求1所述的方法，其中所述耦合所述电磁信号的步骤包 括附加耦合。
18. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括应用标准医学治疗以增 强所述活性剂的效力的步骤。
19. 如权利要求18所述的方法，其中标准医学治疗包括组织移植和器 官移植中至少一个。
20. —种用于增强药理作用的电磁治疗装置，其包括-. 波形产生装置，其产生具有至少一个波形参数的至少一个波形，所述至少一个波形参数能够被选择成在与活性剂相互作用的靶途径结构中最大化信噪比和功率信噪比中至少一个；和连接至所述波形产生装置的耦合设备，其用于从在所述靶途径结构中 最大化所述信噪比和功率信噪比中至少一个的所述至少一个波形产生电 磁信号，并用于将所述电磁信号耦合到所述輩巴途径结构，从而调节所述靶 途径结构。
21. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述至少一个波形参数 包括至少一个以下参数将所述至少一个波形配置成根据数学函数在约 O.OlHz和约100MHZ之间重复的频率分量参数、遵循在数学上定义的幅度 函数的脉沖群幅度包络参数、根据数学上定义的宽度函数在每个重复处变 化的脉沖群宽度参数、根据数学上定义的函数在所述耙途径结构中在约 l^V/cm和约100mV/cm之间变化的峰值感应电场参数、以及根据数学上 定义的函数在所述耙途径结构中在约lpT和约0.1T之间变化的峰值感应 磁电场参数。
22. 如权利要求21所述的电磁治疗装置，其中所述定义的幅度函数包 括l/f频率函数、对数函数、混沌函数和指数函数中至少一个。
23. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述靶途径结构包括干 细胞、分子、细胞、组织、器官、离子和配体中至少一个。
24. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述活性剂包括药剂、 化学剂、局部剂、美容剂和基因剂中至少一个。
25. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述耦合设备包括活性 耦合设备、电感耦合设备、电容耦合设备和生物化学耦合设备中至少一个。
26. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述耦合设备将所述信 号耦合到所述靶途径结构，以调节4丐与4丐调蛋白的结合，来增强所述活性 剂的岁文力。
27. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述耦合设备将所述信 号耦合到所述耙途径结构，以调节与增强所述活性剂的效力有关的生长因 子产生和细胞因子产生中至少一个。
28. 如权利要求27所述的电磁治疗装置，其中所述生长因子包括成纤 维细胞生长因子、血小板源生长因子、白细胞介素生长因子和骨形态发生 蛋白生长因子中至少一个。
29. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述耦合设备将所述信 号耦合到所述靶途径结构，以调节血管生成和新血管形成，来增强所述活 性剂的效力。
30. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述耦合设备将所述信 号耦合到所述靶途径结构，以调节人生长因子的产生，来增强所述活性剂 的效力。
31. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述耦合设备将所述信 号耦合到所述耙途径结构，以增加细胞和组织活性，来增强所述活性剂的 效力。
32. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述耦合设备将所述信 号耦合到所述耙途径结构，以增加细胞群，来增强所述活性剂的效力。
33. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述波形产生装置、连 接装置和耦合设备配置成轻型且易携带的。
34. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述波形产生装置、连 接装置和耦合设备合并到床垫、床垫衬垫、床和定位设备中至少一个。
35. 如权利要求34所述的电磁治疗装置，其中所述定位设备包括解剖 支持器、解剖包裹物和衣物中至少一个。
36. 如权利要求35所述的电f兹治疗装置，其中所述衣物包括衣服、时 尚配件和鞋^未中至少 一个。
37. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述波形产生装置是可 编程的。
38. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述波形产生装置在预 定的时间期间传递至少 一个脉沖f兹信号。
39. 如权利要求20所述的电磁治疗装置，其中所述波形产生装置在随机的时间期间传递至少 一个脉沖磁信号。
40. 如权利要求20所述的电》兹治疗装置，其进一步包括用于标准物理 治疗方法的传递装置。
41. 如权利要求40所述的电磁治疗装置，其中所述标准物理治疗方法 包括加热、冷却、按摩和锻炼中至少一个。
全文摘要
一种用于增强药理作用、化学作用、局部作用和美容作用的方法，包括将至少一种活性剂应用到靶途径结构(步骤101)；配置具有至少一个波形参数的至少一个波形(步骤102)；选择所述至少一个波形的所述至少一个波形参数的值，以在靶途径结构中最大化信噪比和功率信噪比中至少一个(步骤103)；使用所述至少一个波形在所述活性剂应用的靶途径结构中最大化所述信噪比和功率信噪比中至少一个，以产生电磁信号(步骤104)；和将所述电磁信号耦合到所述靶途径结构以调节所述靶途径结构(步骤105)。
文档编号A61N1/00GK101505676SQ200680015610
公开日2009年8月12日 申请日期2006年3月7日 优先权日2005年3月7日
发明者亚瑟·A·皮拉, 安德烈·A·迪米诺 申请人:Ivivi科技有限公司