JPS63500567A - 骨の電磁治癒センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 骨の電磁治癒センサ 発明の背景 １、発明の分野 本発明は、人もしくは動物の骨において骨折箇所を見つけ出し、骨折箇所におけ る治癒過程での物理的強度の増加を測定する方法及び装置に関する。より詳細に は、本発明は、電磁場を使用して骨折箇所における治癒過程でのインピーダンス 変化を害のない方法で測定する。

２、従来技術の説明 従来技術においては、治癒過程で骨折の物理的強度を害のない方法で測定する効 果的な方法及び装置は、現在のところ教示されていない。レントゲン技術は、あ る程度役に立つが、物理的強度を数量的に示すことはできない。はとんどの場合 、医者は、骨折箇所に物理的強度がもどるのに内輪に見積って十分と思われる長 い間折れた骨をギブスで保持する。しかしながら、このような技術は、骨折の治 癒速度が未知、すなわち通常より遅い速度で治癒が進行する老人を含めたある種 の、患者に対しては不適切である。

同様に、患者が普通の生活にもどれるようにギプスを早く取りはずせば便利でも ある。このことは、骨折箇所が適当な物理的強度を取りもどすや否や職業上の通 常の活動を再開しなければならない運動選手に特に当てはまる。

本出願において引き続いて詳細に延べる様に、本出願者は、骨折箇所におけるイ ンピーダンスの変化を治癒過程での物理的強度の変化に関連づけた。そのような インピーダンス変化を害のない方法で検知するために、本出願者は、電磁場を使 用して骨折箇所におけるそのようなインピーダンス変化を検知する方法および装 置を発明した。ウェスレーエフチハーカーにより発明された［生きているかもし くは屠殺されかつ調整された動物組織中の脂肪含存量を測定する方法及び装Ｗｊ と称された米国特許第３，７３５，２４５号明細書には、肉に含まれる脂肪含存 量は、脂肪及び肉のＵ織のインピーダンスの差を測定することにより決定され得 ると教示されている。バーカーによる”２ｔｌは、全体のインピーダンス変化を 決定するものであり、本願での使用法に必要な適切な空間的解像力を提供するも のではない。米国特許第４，２４０，４４５号明細書では、患者の肺の中の水の 有無を検知するために水の誘電性インピーダンスに応じた電磁場を使用すること が教示されている。しかしながら、このような装置は、本発明で要求される伝導 性の変化を検知することがない。米国特許第３，７８９，８３４号明細書は、送 信器、受信器を使用しかつ発生した電界もしくは磁界から伝播された波インピー ダンスを計算することにより行なわれる人体のインピーダンスの測定に関するも のである。しかしながら、アンテナ型検出器は、外部のノイズを受信してしまい 、本発明に使用されるには不適当である。上記した引用文献のいずれにおいても 、骨折箇所に沿ったインピーダンス変化を測定することによって骨の物理的強度 を測定することは考慮されておらず、いずれの文献においても、特にそのような インピーダンス変化を検知することのできる装置は教示されていない。

発明の概要 本発明者は、実験の結果、骨折箇所のインピーダンス変化が骨折の程度と治癒の 程度とに関係があることを知見した。彼らは、骨折箇所における骨の電気的イン ピーダンスが横方向の骨折の程度によって増えることを発見した。更に、本発明 は、骨折箇所におけるインピーダンス変化を数量的に測定することにより骨折の 物理的強度を測定することに基づいている。

本発明者は、また、骨折箇所におけるインピーダンス変化が磁界を使用し相互イ ンダクタンスの変化を検出することにより害のない方法で検知されることを知見 した。基本的なセンサーは、磁界を空間的に集めて骨折箇所のインピーダンス変 化を検出する薄くであるいは細い磁界巻線を利用する。手足が空間的に離れたコ イル検出器の近接内を通過するとき、コイルの相互インダクタンスが検出され、 検出用発振器の共振振幅及び共振周波数の変化が生じる。本発明の装置は、イン ピーダンス変化における小さな変化を検出しそのような変化を数量的に測定する ことができる。磁気コイルと組み合わされる発振器検出器は、小さなインピーダ ンス変化に敏感でありかつこのようなモニターを不可能にする分極効果と背景の ノイズを減少するように特別に設計されている。

本発明の第１の新規な特徴は、骨折箇所のインピーダンス変化を測定することに より骨折を検出する方法である。

本発明の第の２の新規な特徴は、骨折箇所におけるインピーダンスの変化を数量 的に測定することにより治癒過程での骨折の物理的強度を害のない方法で測定す る手段である。

本発明の第３の新規な特徴は、相互インダクタンスが変化することで生じる共振 振幅及び共振周波数の変化を知ることにより骨折箇所のインピーダンスの変化を 検出するために巻線コイルと発振器検出器を使用することである。

本発明の第４の新規な特徴は、薄い骨折箇所に沿ったインピーダンスの変化が観 察できるように空間的に十分な解像力を提供するように特に設計された巻線コイ ルである。

本発明の第５の新規な特徴は、インピーダンスの小さな変化を検出し、そのよう なインピーダンスの変化を発振Ｈ検出器の共振周波数と共振振幅の変化を教示す ることにより数量的に表示するように適合された巻線コイル及び発振器検出器を 使用することである。

図面の簡単な説明 第１図は、周波数及び骨折の度合の関数としての脛骨の・インピーダンス変化を 示すグラフ図； 第２図は、ひ骨が付いた脛骨の、周波数及び骨折の程度の関数とし２ての脛骨の インピーダンス変化を示すグラフ図；第３図は、薄いコイル検出器の使用を示す 本発明のブロック構成図； 第４図は、センサーシステムの空間的解像力を増す棒状磁気検出器を示す本発明 のブロック構成図； 第５図は、本発明で使用される典型的な回路の概略図；第６図は、骨に沿った空 間的変位の関数及び骨折が発生した時からの時間の関数としての共振振幅の変化 を示す一連のグラフ図；そして 第７図は、骨に沿った空間的変位の関数及び骨折が発生した時からの時間の関数 としての共振周波数の変化を示す一連のグラフ図である。

実施例の詳細な説明 本発明は、骨折箇所における骨の電気的インピーダンスが横方向の骨折の程度と 共に増えるという本出願者の発見に基づいている。更に、骨折が治癒した場合は 、もとの骨とは異なるインピーダンスを持ち、インピーダンスの変化量は、骨の 物理的強度に比例する。本発明は、骨折した箇所のインピーダンスを局所的に測 定する害のない方法及び装置に関する。

第１図及び第２図においては、死体の骨折した脛骨のインピーダンス初期測定の いくつかが示されている。骨が骨折の程度の関数としての骨インピーダンス及び インピーダンスの非直線性の両者を測定する直列回路の一部分になるように、ス テンレス製の電極を脛骨の両端近くに設けた害のある初期方法が使用された。骨 の円周に沿って横断方向に環状に切り込みを入れ骨折の代りとし、切れ目を入れ た骨を塩水中で飽和した。第１図及び第２図は、骨の電気的インピーダンスが横 断方向の骨折の程度と共に増えるということを示している。

第３図及び第４図には、本発明で教示される害のない装置が概略的に示されてい る。基本センサーは、異なる電気発生性の物質の存在を検出する薄いかもしくは 細い磁場巻線１０である。本装置の原理は、空港で使用されるいくつかの金属探 知機と同じである。導通物質がコイル検出器の近接内を通過すると、電子回路内 のコイルの相互インダクタンスが検出器回路の発振周波数を変化させる０発振の 量は、検出器のコイルの中を通る電気伝導度の値に比例する。コイルの磁界によ り電界が生じる。電界は、導電性の骨物質の内に渦電流を生起する。この渦電流 は、磁気信号を再放射し、この磁気信号は、検出器コイルで検出される。再放射 される磁界の量は、誘導される渦電流の量に比例する。誘導される渦電流の量は 、骨の電気伝導度に比例する。

第３図にもどり、コイルの中にある腕の部分の電気伝導度を害のない方法で追求 する検出器コイル１０の中に骨折した肢が通される０発振器検出器１２がコイル １０に接続され、コイル中に振動する磁気信号を発生する。コイルの相互インダ クタンスの変化が発振器検出器で検出され、周波数変化を示す出力１４と、電圧 の変化を示す出力１６と、の変化となる。骨の電気伝導度の程度は、骨折の治癒 の度合に比例する。骨折の治癒過程と一致するインピーダンスの変化は、高い方 は２０キロオーム、から低い方は０．０１オームの間を変化する。このため、新 しい骨折が測定されると、電気的インピーダンスは高いことが期待される。すな わち、伝導度は低い値になる。骨折が治癒するにつれて、電気的インピーダンス は減少し、電気伝導度は増える。本実施例においては、検出器コイル１０は軌道 １８上を作動的に摺動することができ、この結果、骨に沿った直線的変位を測定 できる。

もしくは、第４図に示した実施例も使用することができる。この実施例において は、磁束線を集めるためコイル２０が磁心２２のまわりに巻かれている。出力１ ４．１６がモニターされるとき、摺動もしくは棒構酸１８．２２が骨折箇所を横 切って移動される。

磁界により生起される放射は、患者に何ら害を与えないと期待される。

第５図は、発振器検出器１２のある１つの可能な回路構成の概略図である。電子 的には、回路は限界的に安定するコルピッツ発振器であり、その発振の周波数は タンク回路で決定される。ハートレータイプの発振器もしくは同類のものであっ ても、同じように作動する。電位差計タップ２４は１、安定した発振を得るため に必要とされるタンク回路２６の抵抗に無関係な回路の固有抵抗を見つけるのに 役に立つ、タンク回路２６には、コイル１０とコンデンサ２８とが含まれている 。負帰環のトランジスタ３０により安定した電圧利得が得られる。ＤＣ出力端１ ４が、発振器振幅の変化を反映する復調器ダイオード３２から引き出される。周 波数は、コイル１０からすぐ離れて出力端１６で測定される。骨がコイル１０に 通されて置かれると、通常コイルによる交番磁界により渦電流が誘導される。こ の渦電流は、更に少量であるが第２の磁界を生じ、この磁界の磁束は、コイルに もどされる。これによリ、コイルのインピーダンスが変化して、変化したインピ ーダンスは、出力端１４で測定される共振振幅と、タンク回路２６の出力端１６ で測定される共振周波数と、を変化させる。コイルのインダクタンスは、ミリヘ ンリー（ａ＋Ｈ）の範囲であり、この結果、数百キロヘルツから数メガヘルツま での共振周波数が得られる。

この周波数範囲においては、インピーダンスの変化は、媒体の比誘電率により生 じる分掻効果ではなく伝導性の特性により支配される。

第５図には、骨の治癒過程において、出力端１４で測定される共振振幅の変化が 示されている。新しい骨折（第６ａ図）については、骨折箇所の共振振幅は高く 、骨折箇所の電気的インピーダンスも高いことが示される。治癒が進行するにつ れて（第６ｂ、５ｃ［１ｌ（）、共振振幅は、骨折していないインピーダンスに 関連した値にまで減少する。しかしながら、骨折箇所が回復するにつれて（第６ ｄ、Ｇｅ図）、共振振幅の極性の変化が生じる。

第７図では、骨の治癒過程において、出力端１６で測定される共振周波数の変化 が図示されている。新しい骨折（第７．８図）については、骨折箇所における共 振周波数は高く、電気的インピーダンスが高いことが示されている。治癒が進行 するにつれて（第７ｂ−ｅ図）、共振周波数は、骨折していない骨のそれに近似 した値まで減少する。

明らかに、上記教えるところを考慮して本発明は種々の修正及び変更が可能であ る。そのため、本発明は添付した請求の範囲のなかで上記以外の方法で実施する ことができるということが理解されるべきである。

Ｆｌ６，１ １１に、ｚ １１に、５ 振幅 振幅 振幅 振幅 Ｆｌ（３，６ 振幅 振幅 振幅 振幅 振幅 ＦＩＣ；、７ 国際調査報告 Ｉｎ＋−ａｂａ−＾１１９””１ｌａ−１１−、ＰＣＴ／ＬＪＳ８６１０１４３ ］

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．骨の治癒状態を検知する装置において、前記装置には、空間的に集中した振 動磁界を骨折箇所に近接して発生する励磁手段を設け、それにより骨もしくは他 の生物体中に骨折箇所に近接して誘導される渦電流により前記空間的に集中した 振動磁界に置かれた骨もしくは他の生物体のインピーダンスに応じて変化する第 ２の磁束が生起され、更に前記第２の磁束を検出しかつ骨折箇所における局部イ ンピーダンスを示す情報信号を処理及び表示する処理手段を段けたことを特徴と する装置。
2. ２．前記励振手段は、空間的に集中した前記磁界を発生するコイル手段と、前記 コイル手段に作動的に接続されて振動電気信号で前記コイル手段を励磁する発振 手段と、を有し、前記第２の磁界は、前記コイル手段の相互インダクタンスを変 化させることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
3. ３．前記処理手段は、前記コイル手段の前記相互インダクタンスの変化に応じた 前記情報信号を提供する弁別手段を有することを特徴とする請求の範囲第２項に 記載の装置。
4. ４．前記検出手段と前記発振手段は、前記コイル手段を共振周波数で励磁しかつ 前記相互インダクタンスの変化により生じる共振振幅の変化に応じた出力を提供 する共振回路手段の内に設けられていることを特徴とする請求の範囲第３項に記 載の装置。
5. ５．前記検出手段と前記発振手段は、前記コイル手段を共振周波数で励磁しかつ 前記相互インダクタンスの変化により生じる共振周波数の変化に応じた出力を提 供する共振回路手段の内に設けられていることを特徴とする請求の範囲第３項に 記載の装置。
6. ６．新たな骨折箇所における前記共振振幅は、骨の骨折していない箇所における それより高いことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の装置。
7. ７．前記共振振幅は、治癒の期間と共に減少することを特徴とする請求の範囲第 ５項に記載の装置。
8. ８．治癒した骨折の共振振幅は、骨折していない箇所の共振振幅とは異なった極 性をもつことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の装置。
9. ９．新たな骨折箇所における前記共振周波数は、骨折していない箇所のそれより 高いことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の装置。
10. １０．治癒した骨折の共振周波数は、骨折していない箇所の共振周波数と同じで あることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の装置。
11. １１．前記コイル手段は、骨折箇所の回りに適合する薄い磁界コイルであること を性徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。
12. １２．前記コイル手段は、金属芯のまわりに巻かれたソレノイドコイルであり、 コイル手段により発生される磁束線が、前記金属芯を移動させることで前記骨折 箇所を横切って作動上走査されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の装 置。
13. １３．前記共振回路手段が、周波数がタンク回路で決定される限界的に安定した コルピッツ発振器であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の装置。
14. １４．前記共振回路手段が、周波数がタンク底路で決定される磁気的に安定した コルピッツ発振器であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の装置。
15. １５．コイル手段を使って空間的に集中した振動磁界を発生する段階と、 空間的に集中した前記振動磁界を骨折箇所を横切って走査するために前記コイル 手段で前記骨折箇所を横切って走査し、それにより骨もしくは他の生物体に誘導 された渦電流によって前記骨もしくは他の生物体のインピーダンスの変化に応じ て前記コイル手段の相互インダクタンスを変化させる第２の磁束が生じる段階と 、 前記コイルが前記骨折箇所を横切って走査されるとき前記相互インダクタンスの 空間的に変わる変化を検出する段階と、そして 前記骨折した箇所の治癒特性を決めるため前記骨の骨折していない箇所における 相互インダクタンスの変化を前記骨折箇所のそれと比較する段階と、を含む方法 。
16. １６．前記発生段階は、発振手段を使用して前記コイル手段を共振周波数で励磁 する段階を含み、前記検出段階は、前記相互インダクタンスの変化により生じる 共振振幅の変化を検出する段階を含むことを特徴とする請求の範囲第１５項に記 載の方法。
17. １７．前記比較段階は、骨の骨折していない箇所における共振振幅を前記骨折箇 所における共振振幅と比較する段階を含むことを特徴とする請求の範囲第１５項 に記載の方法。
18. １８．前記骨の骨折していない箇所における共振振幅を骨折した箇所における共 振振幅と比較することにより骨の治癒の程度を決定する段階を更に含み、共振振 幅は、治癒過程で減少することを特徴とする請求の範囲１７項に記載の装置。
19. １９．骨折していない箇所における共振振幅の極性を骨折した箇所における共振 振幅の極性と比較することにより骨の治癒の程度を決定する段階を更に含み、骨 折箇所における極性変化が治癒過程の進行を示すことを特徴とする請求の範囲第 １７項に記載の装置。
20. ２０．前記発生段階が、発振手段を使用して前記コイル手段を共振周波数で励磁 する段階を含み、前記検出段階が、前記相互インダクタンスの変化により生起さ れる共振周波数の変化を検出する段階を含むことを特徴とする請求の範囲第１５ 項に記載の方法。
21. ２１．前記比較段階は、骨折していない箇所の共振周波数を前記骨折箇所におけ る共振周波数と比較する段階を含むことを特徴とする請求の範囲第２０項に記載 の方法。
22. ２２．骨折していない箇所における共振周波数と骨折箇所における共振周波数と を比較することにより骨の治癒の程度を決定する段階を更に含み、骨折箇所にお ける共振周波数が骨折していない箇所における共振周波数に等しいとき治癒過程 が進行していることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の装置。
23. ２３．前記発生段階には、前記コイル手段が前記骨折箇所を取り囲むまで骨折を 含んだ肢を前記コイル手段の中に挿入する段階が更に含まれることを特徴とする 請求の範囲第１５項に記載の方法。
24. ２４．前記発生段階には、内部磁心を有する前記コイル手段を前記骨折の近隣に おいて患者の体の表面を横切って移動させる段階が更に含まれることを特徴とす る請求の範囲第１５項に記載の装置。