JPH11267229A - 骨形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】骨量減少が生じている，あるいは生ずることが
予想される状態にあるヒト，例えば骨粗鬆症，また骨折
にあっては治癒促進を行わせる，また微小重力の作用す
る宇宙空間においては骨量の減少を防止する装置の提供
を目的とする． 【解決手段】 レーザ光を標的部位に照射することに
より骨形成を行い，上記課題を解決する．

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

【０００１】本発明は，レーザ光による骨形成の促進に
かんする．本発明の一面は骨粗鬆症として知られる退化
骨疾患の治療にかんする．骨量減少が生じている，ある
いは生ずることが予想される状態にあるヒト，例えば骨
粗鬆症における骨量の減少を防止しあるいは増加させる
装置にかんする．骨折にあっては治癒促進を行わせる装
置にかんする．微小重力の作用する宇宙空間においては
骨量の減少を防止する装置にかんする．

【従来の技術】

【０００２】米国特許第４５３０３６にはトランスジュ
サーを介して患者の皮膚に印加されるパルス状無線周波
数信号を用いて，治療すべき骨損傷部に音波等を導くこ
とにより，骨折や偽関節症などの骨の損傷を治療する方
法が記載されている．当該特許は骨が圧電性を備えてい
るという事実をもとに発明が構成されている．また，特
開平７−８５６５において生体近くに置かれたコイル手
段における電流の変化によって，生体内に発生する過電
流によって骨を刺激し骨疾患を治療するための磁気刺激
装置が提案されている．いずれの方法においても体外か
ら発生させた機械的なエネルギーの伝達または直接的な
手段によって，骨の内部で電位ないし電流を発生せしめ
ることによって，骨疾患の治療を行わしめていることで
ある．あるいは特公平６−４９６５５において見られる
ように薬剤によって，骨粗鬆症治療を行うことが提案さ
れている．あるいは又，運動療法などが行われている．
骨折の早期治癒には手術後電気刺激などが行われる．宇
宙空間にあっては骨量の低下は避けがたく，飛行体の中
で体操などの運動がおこなわれるにすぎない．

【発明が解決しようとする課題】

【０００３】従来より公知たる骨損傷部へのパルス状無
線周波数による方法等は装置が大がかりであったり，あ
るいは可搬性に欠ける欠点を有していた．本発明に基づ
く弾性波，音響波の発生源となるレーザ光は使用可能な
波長帯域が広く，従って，本格的な治療を目的とする施
設，あるいは携帯的使用を可能とする小型装置あるいは
宇宙空間で使用可能な超小型の装置など，その使用条件
等に応じてレーザ光発生装置を選択することは容易であ
る．さらに，近年のレーザ小型化技術あるいは半導体レ
ーザの高出力化等様々のレーザ光源が容易に入手しうる
ようになった．いずれのレーザ骨形成装置においても必
要とする弾性波，音響波を生じしめるように，レーザ照
射条件をある特定の範囲に選択することで実現できる点
にある．

【０００４】本発明はレーザ光を照射することにより骨
粗鬆症における骨量の減少を防止し，骨再生の速度の維
持あるいは増加させることを，骨折にあっては治癒促
進，あるいは微小重力の作用する宇宙空間において骨量
の減少防止の実現を小型で簡便かつ安価に提供する方法
を提供するものである．

【０００５】本発明はレーザ光を生体に照射することに
よって，直接的には照射部位で発生する弾性波または音
響波が生体内に伝搬することで，治療すべき骨損傷部の
内部に電位ないし電流を発生せしめることにより，ある
いは又，レーザ光が前記弾性波ないしは音響波の発生に
寄与しない一部のレーザ光が体内に伝搬され，生体内組
織での散乱および透過をとうして，骨損傷部に伝搬さ
れ，かかるレーザ光が骨細胞，骨芽細胞や破骨細胞に照
射されることにより，骨の再生機構が活性化されること
をとうして，骨損傷部の治療を効果的に行わせるもので
ある．

【０００６】本発明の目的は骨粗鬆症部などの骨量減少
部や骨損傷部の修復を促進するためのレーザ光照射によ
る弾性波または音響エネルギーを外科的，非侵襲的に利
用する方法および装置を提供するものである．

【０００７】本発明の一般的な目的は患者が安全かつ簡
便に使用でき，安価で小型な装置を用いて上記の目的を
達成することである．

【課題を解決するための手段】

【０００８】本発明はレーザ光を生体外表部に照射する
ことで，生体照射部に発生せしめた弾性波ないしは，又
は音響波によって，すくなくとも骨量減少部や骨損傷部
に隣接した身体組織に一箇所又は複数箇所にレーザ光を
照射することで，前記弾性波ないし音響エネルギーを外
科的，非侵襲的，経皮的に送出することにより上記目的
は達成される．あるいは，直接的には本発明は下肢，上
肢，脊柱において，骨量が低下していると診断，あるい
は見込まれる部位，例えば大腿骨頚部，上腕頚部，脊椎
骨に生体組織における透過性の良く，かつ，照射部にお
いては弾性波またはあるいは音響波の発生を容易ならし
めるレーザ照射条件を具備したレーザ光を上記部位の近
傍に皮膚の上から照射することにより，骨量の減少を防
止したり，骨再生の速度の維持や骨量増加を図ること
で，上記の目的は達成される．

【０００９】レーザー光の照射方法は，専用治療台，寝
台あるいは照射装置にあっては標的部位に対して下方，
上方，横方向より照射可能な手段を具備させることで実
現される．

【作用】

【００１０】光が物体に照射されると音響が発生するこ
とは良く知られたことである．物体内に光が吸収される
とは光の波長と対応する吸収物質が当該物質内に存在す
ることによる．このような吸収体は一般の金属，半導体
における自由電子，あるいは物体を構成する分子の固有
振動により光を吸収する．あるいは，特定の波長を吸収
する介在物によっても吸収される．生体組織において
は，生体の構成要素の一つである水分子あるいは特定波
長を吸収するヘモグロビン，メラニン，酸化ヘモグロビ
ンなどは良く知られていることである．前記吸収体に短
時間にかつ高エネルギー密度を有するレーザ光が吸収さ
れることで，照射部位は急激な熱膨張を生じ，その結果
として生体内に機械的応力を発生せしめることになる．
レーザ光が物体に断続的に照射されることにより，光の
エネルギーに応じて弾性波あるいは音響波が発生するこ
とは実験的にも確認されている（ｖａｎ Ｋｅｓｓｅｌ
ａｎｄ Ｓｉｅｇｅｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．３３：１０２０，１９７４）．しかしながら，前記
吸収体への短時間にかつ照射エネルギー密度が一定の値
をこえると，照射部位での急激な熱膨張の発生は結果と
して，照射部の生体組織の破壊，欠損などの作用を生じ
しめる．従って，このような照射部への適切なレーザ光
エネルギー密度の制御は本発明の重要な要件である．

【００１１】骨は生理学的にリモデリングと言う骨の吸
収と再生を常に行い，微小骨折の修復などを行ってい
る．運動量の減少，ミネラル摂取量の減少，閉経後の婦
人，また宇宙空間など微小重力空間においては骨の吸収
が起こり，骨量の低下が発生する．

【００１２】骨芽細胞に機械的な振動を与えると早期に
カルシウム沈着がみられること，低い出力のレーザー光
を骨芽細胞に照射すると骨芽細胞の活性化が行われると
の報告がある．また，西須らは成長期の骨に対する体外
衝撃波の作用として仮骨誘導作用，骨皮質や骨幹幅の増
大作用，過成長の誘導作用，骨端線早期閉鎖作用などを
あげている（平成七年度衝撃波シンポジウム講演論文集
ｐｐ．４２９−４３２）．体外衝撃波の整形外科領域に
おける応用は，偽関節の治療（Ｖａｌｃｈａｎｏｕ ｅ
ｔ ａｌ，Ｉｎｔ．Ｏｒｔｈｏ．１５：１８１，１９９
１）の報告がある．

【００１３】また衝撃波法による家兎を用いた実験によ
ると，内外骨膜の骨皮質の削り取り像の出現や外側皮質
骨の外骨骨側に中央陥凹の火山型の仮骨形成が発生する
という．副作用として骨折が認められることがあるとい
う．この現象は体外衝撃波による胆石，尿路結石の破壊
とその結果としての治療で明らかのように，胆石，尿路
結石と類似した骨組織間を結合させている構成物質の結
合エネルギーが，衝撃波によって破壊されるほどに強力
な場合には当然予想されることである．あるいはかかる
事実は体表外から照射された衝撃波が容易に体内の構成
物である，筋肉，臓器などを容易に通過し，骨などの硬
組織物体に直接作用せしめることを示している．

【００１４】一方，骨に音響波，弾性波，衝撃波あるい
は歪みが伝達されると，骨内部に電位が発生することは
良く知られている．このことは骨組織の一部又は全部が
圧電性を生じる結晶構造と類似した成分より構成されて
いる事実を示唆しているが，結果として発生した微少電
流によって，骨組織の代謝に影響され，結果として骨組
織の再生を生じしめていることに対応する．従って，本
発明は別の観点で明らかにすれば，骨に印加される機械
的エネルギーは骨組織の結合エネルギーを破壊する程に
は強力である必要はなく，骨組織に微弱な電位の発生を
生じしめる程度の機械的エネルギーの伝搬で十分である
点が肝要である．

【００１５】本発明では前記項目骨量の増加を図ると同
時に前記項目の内外骨膜の骨皮質の削り取り像の出現や
外側皮質骨の外側に中央陥凹の火山型の仮骨形成を防止
実現するための方法を提供するものである．レーザー照
射は簡単に多方向よりの照射が可能であり，多方向にお
ける弾性波を発生源とすることができ上記衝撃波法の不
利な点を克服できる．

【００１６】本発明はレーザー光を照射することにより
骨粗鬆症における骨量の減少を防止し，あるいは増加さ
せることを，骨折にあっては治癒促進，あるいは微小重
力の作用する宇宙空間において骨量の減少防止の実現を
可能とするものである．

【００１７】レーザ光の照射により弾性波が発生するこ
とは実験的に確認することができる．すなわち，ブタ大
腿骨の照射部位よりわずかに離れた表面近傍および照射
部位の裏面側の透過光部より僅かに離れた部位に微弱圧
力を検知できるセンサーを埋め込み，パルス幅約１０ナ
ノ秒のＹＡＧレーザを照射する．この時のレーザエネル
ギー密度は１０ｍＪ／ｃｍ^２，ピーク出力は１ＭＷであ
る．その結果，照射面近くのセンサー出力は照射直後に
は引張変位と，その後の時間経過後では圧縮変位を，ま
た，裏面部位でのセンサー出力は前記のセンサー信号と
反対の対応を示した．

【００１８】レーザ光による骨形成を示す動物実験の概
要説明をする．動物はＳＤ種ラット（１０週齢，雌）を
用い，ラットを計１７日間懸垂免荷装置にて飼育した．
パルス波レーザ光（ＹＡＧ ｌａｓｅｒ：波長１０６４
ｎｍ，繰り返し周波数１０Ｈｚ，照射時間１０分間）の
照射条件は，８−１５日目までの７日間照射群（１３ｍ
Ｊ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｃ），８日目に１回照射群（外
側：１３ｍＪ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅ），８日目に２回照
射群（７．５ｍＪ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅ），そして１７
日間懸垂および非懸垂かつ非照射群を懸垂対照とした．
懸垂開始より１８日目のラットの大腿骨を１ｍｍ厚に薄
切し骨の形成状態を観察した．骨形成の指標として，テ
トラサイクリン（１．０ｍｇ／体重１００ｇ）を懸垂１
７日間のうち７日と１３日目に腹腔内投与を行った．骨
の形成は，顕微鏡，Ｘ線蛍光顕微鏡，あるいはテトラサ
イクリンの骨形成部における蛍光を観察することにより
評価した．その結果，大腿骨中心部位およびで大腿骨端
部位ともに１日２回照射群において骨の形成が最も高か
った．

【００１９】照射方法 レーザ光の照射方法としては照射部位に対して一方向，
あるいは光を分割あるいは別のレーザ装置からの光を対
向あるいは多方向より照射することができる．あるいは
二つ以上のレーザ光の照射にあっては各レーザパルスを
同時，あるいは時間をずらして照射することができる．
光の導光には光ファイバーを利用することもできる．あ
るいは二つ以上のレーザ光の照射にあっては各レーザの
光は同一あるいは異なる波長を利用することもできる．

【発明の実施の形態】

【００２０】（１）骨に伝搬させる弾性波，音響波の発
生源たるレーザ光としては生体内でレーザ光を吸収し，
吸収部位での組織の熱膨張を生じしめる波長帯域のレー
ザ光を用いる． （２）生体内組織の代表的吸収帯域は紫外領域でのＯＨ
吸収帯，可視領域でのヘモグロビン，酸化ヘモグロビン
および赤外領域でのＯＨ吸収が良く知られている． （３）体外より投与された各種感光色素（ポルフィリン
類，同誘導体）は紫外領域や可視領域に吸収帯をを有す
る． （４）よって使用可能なレーザ光は４００ｎｍから１１
μｍ以上の広い範囲に存在する．しかしながら，ＯＨ吸
収が極度に強い２．９４μｍ，１０μｍ帯のレーザ光な
どは一照射あたりのレーザエネルギーを強くすると，照
射部位の蒸散，損傷などの不具合を生じる恐れがある
為，注意が必要になる．従って，安全にかつ簡便に照射
生体表面に弾性波，音響波を発生させるためには，適切
なレーザ光の照射条件の制御が必要になる． （５）レーザ光と物質との相互作用を規定する簡便な方
法として，一照射あたりのエネルギー密度（Ｊ／ｃ
ｍ^２），レーザ出力強度（Ｗ／ｃｍ^２），および作用時
間の関係で示すことができる． （６）先に記述したように，レーザ光によって生体照射
部に弾性波，音響波を発生させることが肝要であり，過
剰な機械的エネルギーの発生，あるいは照射部位への損
傷を引き起こすことは避けなければならない．よって，
これらの照射条件を選択する手段として，エネルギー密
度，レーザ出力強度，作用時間を適切に選択する必要が
ある． （７）弾性波，音響波の発生を容易ならしめる要件とし
ては，エネルギー密度の大きさよりも，レーザ出力強度
の大きさが寄与してくる．さらには照射部位への損傷等
を避けるために作用時間をできるだけ短く，かつ照射エ
ネルギー密度を低く選択する必要がある． （８）このようなレーザ照射条件を容易に構成する方法
として，レーザ光の発生手段をパルス光に選択する方法
が有用である．しかしながら，連続光であっても照射条
件を適切に選択して所定のエネルギー密度，レーザ光出
力強度，作用時間を適切に設定できるようにレーザ光の
出力（ｗ），照射面積，照射時間を設定することで容易
に実現できる． （９）レーザ光の他の有用な特徴はレーザ光を細いガラ
ス媒体であるファイバーに容易に導光させることが出来
ることにある．この特徴により，対象とする部位への複
数個の導光，任意箇所への容易なる導光を可能にし，又
生体への照射時における甚だ簡便な手段を提供できる特
徴を有している． （１０）レーザ光照射による弾性波，音響波による骨形
成活性を促進する他の手段として，対象骨への作用をよ
り効果的にするために，複数箇所の照射方法も有効であ
る． （１１）骨形成を促進するレーザ照射回数は一日一回あ
るいは複数回，あるいは数日ごとに一回ないし複数回照
射，あるいはその他の手段によって達成される．これら
の実施方法は理論的に得られるものでなく，むしろ，各
対象部位への照射条件を臨床的に確定することが現実的
であり，従って，その作用効果を規定する作用回数を明
確に定めることは出来ない．

【図面の簡単な説明】 【実施例】

【図１】は本発明の骨形成装置の概略図を示す．

【図２】は照射方法の概略図を示す．

【図３】はレーザ光の発射時間の関係を示す．

【図４】はヒトに照射する方法の概略図を示す．Ａは四
肢，Ｂは背部や全身照射に使用される様式

【符号の説明】

【図１】１は波長４００ｎｍ−１１μｍまでのレーザ光
を発生する装置，２は光ファイバー，３は被照射体

【図２】３は被照射体，Ａ−Ｊはレーザ光の被写体に対
する照射方向．Ａ，Ｇ，Ｃ，Ｂそれぞれは一方向照射の
方向．Ａ−Ｂ照射は同一光軸上照射，Ａ−Ｇ，Ｂ−Ｇ，
Ｂ−Ｃ，Ｇ−Ｃ，Ａ−Ｃの組み合わせは軸外し照射．

【図３】Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはレーザ光の発射時間を示す．
Ｂ，ＣにおいてはＡの光発射からｔ_１，ｔ_２時間だけ遅
れて発射される．

【図４】３は被照射体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光を照射することにより骨を形成さ
   せることを特徴とする骨形成装置において，前記レーザ
   光を照射する装置は，パルス波発振レーザ装置にあって
   はパルス幅が数百マイクロ秒から数ピコ秒，繰り返し周
   波数が１から１００ｋＨｚ，波長が４００ｎｍから１１
   μｍ，照射エネルギーが１０Ｊ以下，連続波レーザ装置
   にあってはパルス波発振レーザー装置と同様な波長と照
   射出力が２０Ｗ以下であることを特徴とする骨再形成装
   置．
2. 【請求項２】生体にレーザ光を照射する方向が標的部位
   に対して一方向の，また二方向以上の照射にあっては同
   一照射軸上，あるいは軸外し，あるいは半円状や同心円
   上に照射することのできる手段より構成されていること
   を特徴とする請求項１に記載された骨形成装置
3. 【請求項３】複数照射法にあっては，各々のレーザ光は
   同一波長の場合と異なるもの，また各レーザ光の照射時
   間が同時である方法と異なる時間で照射される方法を特
   徴とする請求項１及び２項に記載された骨形成装置
4. 【請求項４】生体にレーザ光を照射する場合，生体組織
   表面にレーザ光の吸収が少ない物体を接することがで
   き，光の反射を防止する処置が施された手段を備えてい
   る事を特徴とする前記請求項１乃至請求項３に記戴され
   た骨形成装置
5. 【請求項５】骨形成速度をほぼ正常に回復させ，維持す
   るのに有効な量の骨形成プロセスの必要なレーザ光エネ
   ルギーを含む前記請求項１乃至請求項３に記戴された骨
   形成装置