一種治療骨關節炎的超聲波儀器的制作方法

專利名稱：一種治療骨關節炎的超聲波儀器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種治療關節炎的超聲波儀器，更具體的說，涉及一種治療或防治退行性關節炎的超聲波儀器，它的結構使得它可以產生強度為200～800mW/cm2的超聲波，并將強度為100-400mW/cm2的低強度超聲波作用于皮膚真皮的深層軟骨細胞。
背景技術：
退行性關節炎有多種叫法，包括骨關節炎和老年性關節炎，這種疾病是指，由于關節軟骨被破壞而產生了不平的表面或者由于關節過長時間負重使得軟骨損壞，而引起關節軟骨的光滑表面處，即青白閃光的光滑物質與骨頭一端的連接處損壞。
兩個或多個骨頭可移動的彼此連接在一起的結構通常叫做“關節”，具有關節的部分包括膝蓋、頜、肩膀、臀部、手指、腳趾、肘、脖子和脊椎骨。關節的骨端被關節軟骨所覆蓋，關節軟骨，即一種包含軟骨細胞和軟骨細胞周圍的大量基質的組織，其作用是防止骨端的摩擦。
當關節軟骨被損壞以致軟骨壞死時，發生軟骨下的骨質增生所以引起疼痛和關節的異常，從而產生了退行性關節炎(骨關節炎)。也就是說，關節軟骨壞死后將反復經歷再生過程。如果如年齡、肥胖、關節發育異常、外傷、一些特殊工作、關節炎史，和基因等因素，加重了關節軟骨的損壞使并其再生緩慢，關節的骨端將直接接觸，引起骨端的損壞，骨質增生，所以引起疼痛和異常。
治療所述退行性關節炎主要實施的治療方法包括適當的休息和鍛煉，服用軟骨再生劑和鎮痛劑，注射關節針劑，應用消炎劑，清創術，切骨術，運用關節內窺鏡的外科手術，和徹底的關節成形術。
然而，最近得知，當超聲波作用于關節部位時，超聲振動將傳遞到軟骨組織內的軟骨細胞以直接影響軟骨細胞的活性，這樣由于軟骨細胞活性減退引起的退行性關節炎就可以被治療。由于這個事實，治療關節炎的超聲波儀器正在被開發。
在現有技術中有關這樣的運用超聲波治療關節炎的超聲波儀器，申請號為20-0296735的韓國實用新型公開了一種治療關節炎的超聲波儀器，它是這樣設計的，多個超聲元件緊密的粘接成非常彎曲的區域，例如膝蓋，這樣超聲波可以在空間上作用于膝蓋而提高治療效果。如圖1所示，申請號為20-0296735的韓國實用新型公開的超聲波儀器包括多個在通電情況下超聲振動的超聲波元件；一個支撐性的繃帶，在繃帶內超聲波元件以一定的模式排列并可分開地組合在內側，且繃帶的寬度使其可覆蓋手臂或腿部周圍；一對用于固定到手臂和手的部件，其分別位于支撐繃帶的兩端，并且可分開地彼此相連；和位于繃帶表面上的內插頭，它與向超聲波元件輸送電能的電線連接并與外部電源連接。另外，申請號為10-0461049的韓國專利公開了一種用于超聲波治療關節炎的專用凝膠，它可以用于用超聲波治療關節炎的儀器而且是通過向用于超聲波治療的凝膠中添加帶有鎮痛或消炎作用的天然提取物而制成的，其在超聲波儀器的使用中用作潤滑劑，并公開了它的制備方法。
然而，上述關節炎治療儀器要求與非常彎曲的關節部位緊密粘接或要求使用獨立的可以提高超聲波效果的元件來達到伴隨的效果，并且它們有個缺點就是用作根本性治療關節的儀器時它們的效果比較差。

發明內容
本發明的發明者付出大量的努力以解決上述問題，隨之發現，當由超聲波發振控制器所控制的頻率為0.1-5MHz、強度為200-800mW/cm2的超聲波連續地向關節部位輻射時，根本性的治療由關節軟骨損壞引起的關節炎成為可能，所以完成了本發明。
因此，本發明的主要目的就是提供一種治療關節炎的超聲波儀器，它可以運用頻率為0.1-5MHz和強度為200-800mW/cm2的超聲波根本性地治療關節炎并且容易操作。
為了達到上述目的，本發明提供了一種用于治療關節炎的超聲波儀器，包括(a)超聲波發振控制器130，用于產生頻率為0.1-5MHz和強度為200-800mW/cm2的超聲波；(b)主控制器300，用于由使用者給探針設定預定時間的供給電壓；(c)超聲波發生器330，用于根據主控制器的控制狀態產生超聲波；(d)超聲波振動子340，其根據由超聲波發生器輸入的超聲波而振動；和(e)探針400，由于與超聲波振動子相接觸，其用于直接將超聲波振動子產生的超聲振動傳遞給接受治療的關節。
通過下面的詳細說明和伴隨的權利要求，本發明的上述其它部件、特征和實施例將更清楚的被理解。


圖1顯示了現有技術中治療關節炎的超聲波儀器的透視圖。
圖2顯示了本發明實施例之一的治療關節炎的超聲波儀器的完整的透視圖。
圖3顯示了解釋本發明實施例之一的治療關節炎的超聲波儀器結構的結構圖。
圖4顯示了本發明中測量的接受超聲波治療關節炎的超聲波儀器輻射的已誘導關節炎的試驗動物的蛋白多糖濃度。(C對照組；HA注射透明質酸；和US超聲波輻射)。
圖5顯示了本發明中測量的接受超聲波治療關節炎的超聲波儀器輻射的已誘導關節炎的試驗動物的前列腺素E2濃度(PGE2)。(C對照組；HA注射透明質酸；和US超聲波輻射)。
圖6顯示了本發明中測量的接受超聲波治療關節炎的超聲波儀器輻射的已誘導關節炎的試驗動物的二類骨膠原(A)和MMP-3(B)的表達水平。
圖7是顯示了對應于超聲波強度的細胞繁殖觀察結果的示意圖。
圖8A和8B是對應于超聲波強度的顯示了細胞蛋白多糖合成觀察結果示意圖。
圖9顯示了對應于超聲波強度的細胞狀骨膠原合成和分解觀察結果示意圖。
<圖中用到的主要參考標記的說明>
330超聲波發生器 300主控制器；331發振器； 332分配器；333波形確定器； 334輸出增幅器；335輸出耦合變換器；340超聲波振動子； 400探針；110電量供應控制器； 120時間設置器；140超聲波發振控制器。
發明詳述本發明涉及一種治療關節炎的超聲波治療儀，包括(a)超聲波發振控制器130，用于產生頻率為0.1-5MHz和強度為200-800mW/cm2的超聲波；(b)主控制器300，用于由使用者給探針設定預定時間的供給電壓；(c)超聲波發生器330，用于根據主控制器的控制狀態產生超聲波；(d)超聲波振動子340，其根據由超聲波發生器輸入的超聲波而振動；和(e)探針400，由于與超聲波振動子相接觸，其用于直接將超聲波振動子產生的超聲振動傳遞給接受治療的關節。
在本發明中，主控制器的特征為附加包括了電量供應控制器110或者時間設定器120，探針的特征為具有橢圓形的作用端。另外，發振控制器的特征為它的結構使其可產生頻率為0.5-2MHz、強度為300-600mW/cm2的超聲波。
如果用于治療關節炎而輻射的超聲波的強度低于200mW/cm2，它們將不能激發細胞，所以沒有激發細胞繁殖或促進骨膠原和蛋白多糖合成的效果，骨膠原和蛋白多糖是胞外基質的主要組成部分。另一方面，如果超聲波的強度大于400mW/cm2，它們將對軟骨組織的形成有很大的負面影響，包括加速細胞死亡，減緩骨膠原和蛋白多糖的合成，以及加劇蛋白多糖和骨膠原的分解。雖然在細胞檢測中優選的超聲波范圍看起來是100-400mW/cm2，但是優選的治療關節炎的超聲波強度是200-800mW/cm2，因為大約50％的超聲波在穿過皮膚時都流失了。
如果超聲波的頻率低于0.1MHz，振動儀的尺寸就要增加導致其與不平的關節接觸不良，并且如果超聲波的頻率高于5MHz，它們貫穿關節皮膚和皮下脂肪的通道就是有限的。
在下文中將結合附圖對本發明進行詳細闡述。
圖2顯示了本發明實施例之一的治療關節炎的超聲波儀器的透視圖。如圖2所示，創新的超聲波儀器外部具有主控制器300并包括超聲波發生器330和內部的超聲波振動子340。因為主控制器包括電量供應控制器110，時間設定器120和超聲波發振控制器130，使用者在使用關節炎治療儀器前可以有選擇的設定所需的電量供應和運行時間。超聲波發振控制器130設置成使其可以產生頻率為0.1-5MHz、強度為200-800mW/cm2的超聲波，本發明的發明者發現這是治療關節炎的最佳條件，更優選的超聲波的頻率為0.5-2MHz、強度為300-600mW/cm2。
創新的治療關節炎的超聲波儀器被開發成可以由個人在家使用。從安全的角度看，創新的超聲波儀器設置成使得隨著治療時間的流逝它的運作可以由位于超聲波發振控制器內的時間設定器自動切斷。開始時可以設為約10分鐘并可以增加到20分鐘。
圖3顯示了解釋本發明實施例之一的治療關節炎的超聲波儀器結構的結構圖。如圖3所示，超聲波發生器330包括發振器331，分配器332，波形確定器333，輸出增幅器334和輸出耦合變換器335。通過這樣的構造，被輸入由主控制器控制的數據的將產生自超聲波發生器330的超聲波將作用于下一處的超聲波振動子340，超聲波振動子340振動與之相接觸的探針400。
特別的，發振器331被輸入了由主控制器控制的數據并產生用于形成最后確定的超聲波的基本超聲波，分配器332被輸入來自發振器331的波形并根據超聲波儀器主控制器的控制狀態確定分配器的狀態。下一處的波形確定器333被輸入在分配器332內分配和內部控制的超聲波以及主控制器300的控制狀態，它確定了最終應用于創新的治療關節炎的超聲波儀器的波形。這最終的波形可以是連續波形或脈動波形。
從波形確定器333出來的最終的超聲波波形被作用于下一處的輸出增幅器334，輸出增幅器334將通過操作和超聲波波形的能量增大來擴大所確定的超聲波波峰值的幅度。然后，從輸出增幅器334輸出的增幅波形將通過下一處輸出耦合變換器335內的用于最終輸出的耦合和連接變換器變換，并且其輸出的狀態使其可以作用于下一處的超聲波振動子340。
超聲波振動子340的振動被傳遞到具有橢圓形端部的探針，所以超聲波能量被傳遞到與探針接觸的皮膚真皮的深處軟骨細胞。被傳遞的超聲能量通過激活皮膚中的軟骨細胞來誘導軟骨組織再生。另外，超聲波的連續物理力為100-400mW/cm2，優選為150-250mW/cm2的低強度范圍，激活軟骨組織從而誘導軟骨組織的再生，從而顯示了根本治愈關節炎的效果。
使用中為了獲得創新超聲波儀器治療關節炎的最佳效果，用于超聲波治療的凝膠要充分的使用在被治療的關節部位，然后創新儀器的探針輕輕的粘接在使用了凝膠的這一側。一旦粘接后，探針最好不要移動，在所需時間通過應用主控制器的時間設定器120設定好后，創新超聲波儀器最好一天使用一次或兩次，每次少于20分鐘。
治療關節炎的創新超聲波儀器可以用于各個關節部位，包括膝蓋(膝蓋關節)，頜，肩膀，臀部(髖關節)，手趾，腳趾，肘，脖子，和脊椎骨。
這里所用到的術語“超聲波”是一種聲波，是20,000MHz或更高的超聲波，是不能被人耳聽到的。
具體實施例方式
下文中，將通過實施例更詳細的說明本發明。可以理解的是，然而，這些實施例的目的是闡釋，不能解釋為對本發明范圍的限制。
實施例1為了檢查本發明的治療關節炎的超聲波儀器的效果，將使用已誘導關節炎的試驗動物展開接下來的測試。在測試中，除了進行超聲波輻射，被廣泛應用于骨關節炎治療的透明質酸也被注射到試驗動物體內。透明質酸與關節的骨液類似，所以當其被注射入關節中，可以有效治療骨關節炎，因為它通過覆蓋潤滑劑使關節軟骨得到保護，并且它被吸收進骨液膜或者軟骨組織使得可以通過骨液細胞激活透明質酸的合成。當骨關節炎發展，關節的損壞變得嚴重，因為作為關節潤滑物的透明質酸的產生減少，這樣關節就不能吸收或分散外部的影響。可知用于骨關節炎治療的透明質酸起到很重要的作用，它使得蛋白多糖粘合也就是所知道的軟骨細胞特有的表現。(Swann，D.A.，Biochem.Vitreou.Bull，Soc.Belg.Ophtalmol.，22359，1987)。
(1)已誘導關節炎的試驗動物平均分子量為1,000kDa的透明質酸鈉(LGCI，Taejeon，韓國)被稀釋為濃度為0.1％，采用熒光甲胺做化學熒光標記，然后用100％的乙醇和飽和NaCl進行提純。作為試驗動物，使用的是重3.0kg的18只新西蘭白色母兔(Jung-Ang試驗動物中心，韓國)，超聲波的輻射通過使用創新超聲波儀器施加頻率設定為1MHZ、強度設定為200mW/cm2的超聲波來完成。動物體內的關節炎的誘導通過在試驗動物的兩個后腿的膝蓋處由通常使用的ACLMT(前交叉韌帶重建術)來完成(Jin，C.Z.et al.，J.KoreanOrtho.Res.Soc.，4141，2001)。
(2)用超聲波治療關節炎的效果0.5ml熒光標記的透明質酸鈉被注射入18只新西蘭白色母兔的后腿膝蓋關節中。然后，所有試驗動物的右膝蓋每天都被輻射上述的超聲波10分鐘，在這種超聲波的治療中，專用于超聲波治療的凝膠被使用在關節部位，這樣超聲波可以比較好的傳遞到關節處。試驗動物的左膝蓋不被超聲波輻射，被用作對照組。
為了檢測蛋白多糖和前列腺素E2(PEG2)的濃度和二類骨膠原和MMP-3(基質金屬蛋白酶-3)的表達水平，分析了試驗動物的骨液。蛋白多糖的濃度通過1，9-藍帶染料結合法(DMB)來檢測(Farndale，R.W.etal.，Connect Tissue Res.，9247，1982)，在試驗動物體內誘導骨關節炎后PGE2的濃度通過使用PGE2EIA(酶免疫法)系統(Amersham PharmaciaBiotech，UK)來檢測，二類骨膠原和MMP-3的表達水平通過蛋白質印跡來檢測。
結果，接受透明質酸和超聲波治療的試驗動物顯示關節骨液分泌大大減少。另外，接受透明質酸和超聲波治療的試驗動物不僅顯示骨液中的蛋白多糖和PEG的量下降，這些在誘導骨關節炎時是上升的(圖4和圖5)，并且由于誘導骨關節炎而產生的二類骨膠原和MMP-3(基質金屬蛋白酶-3)的表達水平也下降了(圖6)。這些結果表明創新的使用低頻超聲波的超聲波儀器在治療關節炎方面是有效的。
實施例2為了確定最佳的超聲波強度，將頻率固定為1MHz同時變化超聲波強度而進行了不同的試驗。為了檢測超聲波在骨膠原細胞繁殖和代謝方面的體外效果，使用了以下的傳統方法直接在人類關節中培養軟骨組織的外植培養方法；與軟骨細胞分離的培養軟骨細胞的單分子層培養方法；和藻酸鹽培養。單分子培養方法是一種可以有效觀察到軟骨細胞繁殖的培養方法，外植培養方法是一種易于觀察由軟骨細胞中軟骨基質合成的培養方法，藻酸鹽培養方法是一種在軟骨細胞基質合成上做試驗的培養方法并且對養護軟骨細胞的表型很有效。
超聲波在軟骨細胞繁殖方面的效果通過單分子培養方法進行檢測，結果，如圖7所示，繁殖效果顯示為在強度為5(200-250mW/cm2)時最高。
在超聲波輻射到軟骨組織內部后，組織中存在的蛋白多糖的量通過DMB法來檢測，結果，蛋白多糖的量在超聲波為200mW/cm2時最高而它的量在超聲波高于700mW/cm2時大大減少(圖8A)。另外，因為硫酸鹽在分析軟骨細胞的蛋白多糖時是需要的，軟骨的蛋白多糖合成速率通過向培養液中放入同位素標記的硫酸鹽和通過在向組織輻射超聲波時檢測吸收進軟骨細胞的硫酸鹽來分析。結果，蛋白多糖合成速率在超聲波強度為200mW/cm2時統計性的顯著升高，在500和700mW/cm2時顯著減少(圖8B)。
為了檢測超聲波對于軟骨細胞基質中骨膠原的合成效果，脯氨酸，一種骨膠原合成材料，用同位素做標記并被放在培養液中，軟骨組織被輻射超聲波。結果，如圖9所示，骨膠原的合成速率在200mW/cm2時顯著升高，在高于500mW/cm2時大大降低。
從細胞測試的結果可以看出，雖然超聲波最好為100-400mW/cm2，但用于關節炎治療的優選的超聲波強度為200-800mW/cm2，因為大約50％的超聲波通常在經過皮膚時流失了。
實施例3臨床測試為了評估超聲波對于治療膝蓋關節骨關節炎的療效，在46個病人(40個女性和6和男性)中進行了一項臨床測試。選擇的試驗病人是膝蓋疼痛的病人，他們通過放射性測試結果被診斷為放射影像為1-3級的膝蓋關節骨關節炎，并且發炎性關節炎病人，如風濕性關節炎，被排除在選擇范圍外。
在這一臨床測試中，超聲波治療儀器的超聲波頻率被設為大約1MHz和強度大約為400mW/cm2，且治療時間設定為20分鐘。選擇了一個膝蓋上的兩邊(左邊和右邊)并充分使用了用于超聲治療的凝膠，探針輕輕的和受影響部位粘接，并壓下運行開關開始治療。為了評估療效，由測試應聲進行了WOMAC調查(疼痛，硬度和功能評估)，評估了病人的治療滿意度和治療效果。為了臨床測試，病人的關節骨液之前被抽出，在治療后，測量了骨液體積，PGE2濃度和骨液中的總蛋白質量。
(1)觀察測試方法關節功能測試在治療前和在治療的3、5和8星期，每一項測試(疼痛，硬度，和功能)的分數都使用WOMAC調查(調查問卷)記錄下來。
治療滿意度在3、5和8星期，目標病人的治療效果通過調查問卷被記錄下來。
在8星期，治療效果由管理臨床測試的人員通過集中檢查關節功能測試、治療滿意度和治療前后的骨液檢查的結果評估和記錄下來。
(2)評估標準，評估方法和分析方法評估標準基于為每個病人準備的病例報告表，目標病人在完成治療后治療效果的評估分數被管理臨床測試的人員定為1或是更高的，被確定為具有效果。
評估方法和分析方法治療前后關節功能變化的結果和骨液檢查結果通過雙T測試被統計性分析出來，p＜0.05的情況下被確定為統計性的顯著。治療率可以通過以下等式來計算治愈率＝(具有1或1以上治療效果評估分數的目標病人的人數/總的目標病人的數量)×100(3)臨床測試分數的結果在完成了8星期的臨床測試之后，進行了WOMAC調查，結果，所有的測試項目，包括疼痛，硬度和功能，都顯著的減少，并且這種減少顯示與第一、第二和第三階段的有顯著差別。另外，在臨床測試的8星期中，受試病人身上沒有出現副作用。
骨液的體積和總的蛋白質的量顯示與WOMAC分數的升高和降低之間正相關，前列腺素濃度顯示負相關但是沒有統計性的顯著差別。分析了詳細的WOMAC項目(疼痛，硬度和功能)的升高和降低以及用于骨液的多數明顯決定參數的升高和降低，結果，總的蛋白質的量顯示了與疼痛正相關，其它沒有顯著差別。
在完成臨床測試后，治療效果由管理臨床測試的人員通過在治療前后集中檢查關節功能測試，治療滿意度和骨液檢查的結果來評估。結果如下4人(8.7％)8星期的療效分數為-1；0人分數為0；16人(34.8％)分數為1；26人(56.5％)分數為2；0人分數高于3。
總之，WOMAC調查的關節功能結果顯示總數為46人中的42人有所改善，表明治療率為91.3％，治療滿意指數為89.2％。
雖然本發明通過參考細節特征進行描述，本領域的技術人員應該意識到的是這些說明只是用于優選實施例的，并不限制本發明的范圍。所以本發明的主要范圍將由附屬的權利要求及其等同體來確定。
工業實用性如前詳細的說明，本發明的超聲波儀器的構造使得它可以產生強度為200-800mW/cm2的超聲波，并將強度在100-400mW/cm2的低強度超聲波能量作用于皮膚真皮深層的軟骨組織。這樣創新的超聲波儀器可以根本地治療退行性關節炎，因為它通過激活軟骨組織減少了軟骨組織的再生。另外創新的超聲波儀器可以方便的在家中或辦公室中使用。
權利要求
1.一種治療關節炎的超聲波儀器，包括(a)超聲波發振控制器130，用于產生頻率為0.1-5MHz和強度為200-800mW/cm2的超聲波；(b)主控制器300，用于由使用者給探針設定預定時間的供給電壓；(c)超聲波發生器330，用于根據主控制器的控制狀態產生超聲波；(d)超聲波振動子340，其根據由超聲波發生器輸入的超聲波而振動；和(e)探針400，由于與超聲波振動子相接觸，其用于直接將超聲波振動子產生的超聲振動傳遞給接受治療的關節。
2.根據權利要求1所述的治療關節炎的超聲波儀器，其特征在于發振控制器的結構使其產生頻率為0.5-2MHz，強度為300-600mW/cm2的超聲波。
3.根據權利要求1所述的治療關節炎的超聲波儀器，其特征在于主控制器進一步包括電量供應控制器110或者時間設定器120。
4.根據權利要求1所述的用于治療關節炎的超聲波儀器，其特征在于探針具有橢圓形的作用端。
全文摘要
本發明涉及一種用于治療關節炎的超聲波儀器，更具體地說，涉及一種用于治療和防治退行性關節炎的超聲波儀器，其結構使得它可以產生強度為200－800mW/cm2的超聲波，并將強度為100－400mW/cm2的低強度超聲波能量作用于皮膚真皮的深層軟骨細胞。創新的超聲波儀器包括主控制器，其包括可以產生頻率為0.1－5MHz和強度為200－800mW/cm
文檔編號A61N7/00GK101068594SQ200580033271
公開日2007年11月7日 申請日期2005年9月30日 優先權日2004年10月1日
發明者閔炳鉉, 樸素羅 申請人:杜普羅真株式會社, 閔炳鉉