.svg)
Ясухиро Синдо , доктор философии, 1 Кендзи Такахаши , доктор медицины, доктор философии, 2, * Футоши Икута , доктор философии, 3 Юя Исеки , доктор философии, 4 Казухиро Харада , доктор медицины, 5 лет и Кадзуо Като , доктор философии 6
Абстрактный
[Цель] Тепло может предотвратить дегенерацию хряща при воздействии на суставной хрящ, но размер человеческого коленного сустава затрудняет нацеливание на хрящ во время термической обработки. В этом исследовании мы стремились создать метод термотерапии, способный безопасно применять тепло к глубоким внутрисуставным тканям с использованием аппликатора с резонансной полостью, и подтвердить степень нагрева хряща в коленном суставе человека при использовании этой системы. [Участники и методы] Эксперименты по нагреву были проведены на коленях трех здоровых добровольцев с использованием аппликатора с резонансной полостью и системы микроволновой диатермии. После применения тепла распределение температуры внутри колена измерялось неинвазивно с использованием нашего метода измерения, основанного на методах ультразвуковой визуализации. [Результаты] Мы наблюдали повышение температуры вокруг хрящевой ткани в коленях добровольцев с помощью ультразвукового термометра; повышения температуры в вышележащих слоях не наблюдалось. При нагреве мощностью до 20 Вт ни у одного из добровольцев не было побочных реакций. [Заключение] Это исследование указывает на потенциальную безопасность и эффективность системы теплотерапии с резонансной полостью для лечения остеоартрита коленного сустава в клинических условиях.
Ключевые слова: тепловая терапия, остеоартрит, хрящ.
ВВЕДЕНИЕ
Остеоартроз (ОА) неуклонно становится все более распространенным по мере старения общества. Прогрессирующая деструкция и деформация суставов во многих случаях требуют хирургического лечения. В настоящее время окончательной терапии ОА коленного сустава не установлено, поэтому необходимо разработать стратегии лечения, сочетающие физиотерапию, физические упражнения и медикаментозное лечение 1 ) .
Тепло используется клинически в физиотерапии двигательных расстройств 2 ) . Тепловая терапия также рекомендуется во многих руководствах по лечению ОА коленного сустава в качестве отдельной физиотерапии или в сочетании с лечебной физкультурой 3 , 4 ) . Тем не менее, существует несколько исследований с высоким уровнем доказательности по тепловой терапии ОА коленного сустава. Недавние исследования на животных показали, что термическая обработка предотвращает дегенерацию хряща при воздействии на суставной хрящ 5 , 6 ). Эти исследования проводились на крысах и морских свинках, и к суставам таких мелких животных можно легко применить термическую обработку. Однако размер человеческого коленного сустава создает проблемы для термической обработки. Теплые ванны, согревающие компрессы и парафинотерапия являются примерами поверхностной теплотерапии, при которой повышение температуры ограничивается кожей и подкожными областями, а тепло не достигает более глубоких частей сустава 7 ) . Применение тепла глубоко в суставе также затруднено с помощью систем микроволновой диатермии из-за поглощения электромагнитной энергии поверхностными слоями 8 ) . Большие биполярные аппликаторы, контактирующие с кожей, могут охватывать все колено и нагревать ткани глубоко внутри сустава 9 ); однако их использование в клинических условиях нецелесообразно из-за их большого размера и высокой стоимости. Кроме того, рассеивание электромагнитных волн в окружающие ткани вызывает опасения по поводу безопасности. Эти проблемы, связанные с этим методом лечения, могут в значительной степени объяснить почти полное отсутствие исследований, демонстрирующих положительный эффект теплотерапии при ОА коленного сустава на сегодняшний день.
Мы стремились создать метод безопасного применения тепла к глубоким внутрисуставным тканям, который позволил бы избежать проблем, описанных выше. Продолжается разработка системы глубокой терапии тканей с использованием аппликатора с резонансной полостью. Ранее распределение температуры in vivo анализировалось методом конечных элементов, и сравнение с клинически применяемой системой микроволновой диатермии количественно продемонстрировало, что эта система может нагревать глубокие ткани 10 ) . Эта возможность была дополнительно продемонстрирована экспериментально посредством экспериментов по нагреву мышечно-эквивалентных агаровых фантомов с использованием прототипа устройства 11 , 12 , 13 ) .
Цель этого исследования состояла в том, чтобы подтвердить нагрев глубоких тканей коленного сустава человека с помощью разработанной системы термотерапии и изучить ее безопасность с точки зрения клинического применения.
УЧАСТНИКИ И МЕТОДЫ
Прототип системы теплотерапии, разработанный для этого исследования, представлен вРисунок 1.Эта система состоит из высокочастотного усилителя и резонаторного аппликатора. Электромагнитные волны резонансной частоты подаются на рамочную антенну, установленную в аппликаторе, которая устанавливает электромагнитный резонансный режим внутри резонатора 14 , 15 ) . В таком состоянии колено помещается в зазор между внутренними электродами резонатора, что обеспечивает бесконтактную подачу тепла только в колено. Аппликатор оснащен защитными пластинами на двух отверстиях на его поверхности для предотвращения неправильного направления тепла в область бедра, голени или другие нецелевые области 16 ) .
Усилитель высокой частоты оснащен полностью автоматизированной системой согласования и имеет возможность автоматической регулировки резонансной частоты и согласования импеданса. Резонатор алюминиевого типа оснащен регулируемым плечом.
Для измерения температуры внутри колена использовали неинвазивный ультразвуковой термометр. Как правило, скорость звука зависит от температуры среды передачи 17 ) . Однако имеющиеся в продаже ультразвуковые системы медицинской визуализации реконструируют изображения, предполагая постоянную скорость звука 18 ) . Соответственно, результирующие изображения будут немного видоизменяться при изменении температуры. Исходя из этого, неинвазивный ультразвуковой термометр может обнаруживать микроскопическое смещение изображения, используя технологию визуализации для сравнения предварительного и последующего нагрева, что позволяет оценить распределение повышения температуры10 ) .. В нашем методе распределение повышения температуры оценивается по смещению изображения с помощью уравнений (1) и (2):
Δ Т( х ) =кт и с с у е⋅∂ ( ∆ d)∂ х, (1)
кт и с с у е»=»1α − β. (2)
Здесь Δ T — повышение температуры ткани, Δ d — смещение между ультразвуковыми изображениями, полученными до и после нагревания, k ткани — тепловой коэффициент каждой ткани, α — коэффициент теплового расширения в каждой ткани, β — коэффициент скорости ультразвука, который изменяется в зависимости от температуры ткани. Для расчета физической температуры необходимо измерить эти тепловые свойства каждой ткани. В этом исследовании мы оценили нормализованное распределение повышения температуры (Δ T) внутри колена от смещения (Δ d ). В дальнейшей работе мы измеряем эти параметры и оцениваем физическую температуру.
Во-первых, ультразвуковое изображение было получено до нагревания области-мишени. После завершения нагрева изображение использовали в качестве эталона для получения второго ультразвукового изображения в том же положении. Величину смещения изображения (Δ d в уравнении (1)) рассчитывали с помощью программы 10 обработки изображений ) для каждого полученного изображения. Наконец, распределение повышения температуры было рассчитано путем дифференцирования по положению в направлении глубины для ультразвукового изображения с применением уравнения (1) к измеренному смещению. В этом исследовании мы использовали ARIETTA Prologue TM.(Hitachi, Ltd, Токио, Япония) в качестве устройства ультразвуковой визуализации. Мы сделали несколько ультразвуковых изображений до и после эксперимента, используя метод сопоставления с образцом, чтобы подтвердить, что изображения были сделаны в одном и том же месте. Валидация и проверка этой системы измерения была проведена в нашем предыдущем исследовании 19 ) .
Клиническое исследование нагревания было проведено с участием 3 здоровых мужчин-добровольцев (в возрасте 32, 52 и 60 лет) без болей в коленях или ограниченного диапазона движений. Это исследование было одобрено Комитетом по этике Международного университета здравоохранения и социального обеспечения (13-B-248). Все участники предоставили письменное информированное согласие до участия.
В базовом исследовании с использованием фантома из агара были проверены условия эксперимента по нагреву. По результатам условия эксперимента были определены как безопасные для организма человека при мощности 20 Вт в течение 20 минут. Поэтому эксперимент по нагреву в этом исследовании проводился с использованием мощности 20 Вт в течение 20 минут. Резонансную частоту регулировали вручную по мере необходимости в соответствии с размером колена добровольца и целевым местоположением; однако он также может быть автоматически настроен на соответствующую частоту в пределах заданного диапазона с помощью автоматической системы настройки, установленной на прототипе, что обеспечивает безопасный нагрев. Диапазон частот для эксперимента по нагреву был установлен на уровне 420–470 МГц. После нагревания вокруг хряща бедренного сустава добровольцев делали ультразвуковое изображение и сравнивали с изображением, полученным до нагревания. На основе этого сравнения было определено распределение повышения температуры внутри стыка. Для сравнения нагрева резонансной полости с обычной микроволновой диатермией использовали бесконтактное микроволновое устройство для излучения микроволн на частоте 2,45 ГГц (MT-SDi Microtizer; Minato Medical Co., Ltd., Осака, Япония). Датчик MT-SDi (круглый, диаметром 150 мм) помещали примерно в 10 см перед надколенником и устанавливали на 100 Вт на 10 минут, в то время как участник сидел на стуле с коленями под углом 90°. После эксперимента было рассчитано нормированное повышение температуры, поскольку температура нагреваемого объекта изменяется в зависимости от мощности нагрева. Показанная ниже формула была применена для нормализации распределенного повышения температуры, полученного с помощью нашего ультразвукового термометра.
ΔТН»=»( Δ Т− ΔТмин)( ΔТМакс− ΔТмин)
Здесь Δ T N — нормированное повышение температуры, Δ T min — минимальное повышение температуры в объекте обогрева, Δ T max — максимальное повышение температуры, Δ T — переменное повышение температуры внутри колена участника.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Репрезентативные нормализованные распределения повышения температуры коленных суставов добровольца после нагревания показаны на рис.Рис. 2.Поднадколенниковую жировую область нагревали с помощью микроволновой диатермии; однако область хряща не нагревалась (рис. 2А). Затем температуру повышали в непосредственной близости от внутрисуставного хряща, но не в вышележащей коже или подкожной клетчатке, с помощью аппликатора с резонансной полостью (рис. 2В). Аналогичные результаты были получены и у других добровольцев.Рисунок 3показан профиль температуры по глубине вдоль центра полученных изображений на рис. 2. Поднадколенниковая область жировой ткани была успешно прогрета обоими методами, но аппликатор с резонансной полостью нагревал область хряща более глубоко по сравнению с системой микроволновой диатермии. Эти результаты выявили повышение температуры вокруг хрящевой ткани без повышения температуры в вышележащих слоях. При нагреве до мощности 20 Вт все добровольцы почти не испытывали ощущения жара в колене и не проявляли ожогов или других побочных реакций. Чтобы доказать безопасность, их прогресс постоянно отслеживается. Напряженность электромагнитного поля снаружи резонаторного аппликатора была измерена во время нагрева, и результаты соответствовали стандартам безопасности Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения,
Распределения нормированного повышения температуры в коленном суставе человека. (A) Колено, нагретое системой микроволновой диатермии в течение 10 минут при мощности 100 Вт. (B) То же самое колено, нагретое с помощью резонаторного аппликатора в течение 20 минут при мощности 20 Вт.
Нормализованные профили повышения температуры коленного сустава человека. Пунктирная линия: подогрев в системе микроволновой диатермии. Сплошная линия: нагрев с помощью резонаторного аппликатора.
ОБСУЖДЕНИЕ
При использовании устройств микроволновой диатермии в клинических условиях температура кожи повышается из-за неглубокого проникновения электромагнитных волн, создаваемых этими устройствами. Для повышения температуры глубоких тканей внутрисуставного хряща в коленном суставе человека на 5–6 °С необходим длительный высокотемпературный прогрев кожи, подкожной клетчатки, связок и поверхности кости, прилегающей к этой области. Нагревание внутрисуставного хряща существующими методами затруднительно. Разработанная система термотерапии включает контактный нагрев всего колена внутри биполярного аппликатора, который излучает радиочастотные волны, в то время как контактная поверхность охлаждается. В предыдущем исследовании сообщалось, что применение тепла таким образом заметно улучшало симптомы и функцию суставов в случаях ОА коленного сустава. В этом отчете9 ) . Эту радиочастотную диатермию с использованием биполярного аппликатора сравнивали с микроволновой диатермией, которая обычно используется в Японии и является одним из нескольких широко используемых методов глубокого нагрева в амбулаторных физиотерапевтических и реабилитационных клиниках. Примечательно, что большее улучшение симптомов ОА коленного сустава было отмечено при радиочастотной диатермии 20 ).. Однако биполярный аппликатор имеет некоторые недостатки, которые делают его непрактичным в клинических условиях: это большой аппарат, ограничивающий количество мест, где его можно использовать; это дорого; а частый высокоэнергетический нагрев мощностью 200 Вт без экранирования от электромагнитных волн аппликатора может вызвать побочные реакции в других органах и тканях. Система с резонансной полостью, разработанная в этом исследовании, обеспечивает бесконтактную тепловую терапию, сосредоточенную только на глубоких тканях колена, без ощущения тепла в вышележащих слоях благодаря своей низкой мощности всего 20 Вт. Результаты этого исследования подтвердили, что нормализованное повышение температуры значение в хряще составляет около 0,1 (10% от максимума) при использовании системы микроволновой диатермии, тогда как такое же значение при использовании резонаторного аппликатора составляет 0,8 (80% от максимума) или более. Предполагая максимальное повышение температуры на 5°C, система микроволновой диатермии может повысить температуру хряща только на 0,5°C, тогда как при использовании аппликатора с резонансной полостью хрящ можно нагреть на 4,0°C или выше. Экраны из алюминиевых полостей предотвращают любое излучение электромагнитных волн в другие области, кроме колена. Эта система термотерапии открывает новые горизонты, позволяя нагревать суставной хрящ безопасным для пациента и терапевта способом.10 , 19 , 20 ) .
Это исследование имеет некоторые ограничения. Во-первых, система измерения, используемая в этом исследовании, может измерять распределение повышения температуры, но не физическую температуру внутри ткани колена. В нескольких исследованиях с использованием мелких животных сообщалось, что экспрессия протеогликанов и коллагена типа II повышалась, когда коленный сустав нагревался примерно до 40 °C, и что прогрессирование ОА подавлялось 5 , 21 ) . В нашем предыдущем исследовании точность этой измерительной системы была проверена путем сравнения физической температуры агаровых фантомов, снятых с помощью оптоволоконного термометра, с температурами, снятыми с помощью этой измерительной системы 19 ) .. Чтобы измерить физическую температуру в колене, необходимо измерить тепловые свойства каждой ткани. В этом исследовании физические температуры в биологических тканях не измерялись, поэтому существует вероятность того, что температура не достигла заданной температуры или произошел перегрев. Однако ранее не было сообщений о неинвазивных измерениях температуры, и наш метод считается безопасным и простым способом получения распределения температуры внутри ткани колена. В настоящее время мы работаем над улучшением системы измерения, чтобы можно было измерять физическую температуру в колене. Второе ограничение заключается в том, что участники были здоровыми добровольцами, поэтому влияние на коленный сустав при ОА неизвестно. Поэтому,
В заключение мы подтвердили, что нашу систему для глубокой термотерапии тканей можно использовать для безопасного нагревания глубоких тканей в здоровом коленном суставе. В ближайшем будущем мы изучим эффективность этой системы при ОА коленного сустава. Если система окажется более эффективной, чем обычная тепловая терапия, она откроет новые возможности для лечения ОА коленного сустава.
Финансирование
Эта работа была поддержана грантом JSPS KAKENHI номер JP17K01475.
Конфликт интересов
Один из авторов (К.К.) имеет патент на систему термотерапии, использованную в этом исследовании.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
