Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР

Изобретение относится к области медицины, в частности к методам и средствам физиотерапии, и может быть использовано для электростимуляции нервной и мышечной ткани.

Известно устройство для электростимуляции, включающее механический формирователь стимулирующих импульсов (ручной переключатель или метроном с переключателем), источник постоянного тока для формирования стимулирующих импульсов и стимулирующие электроды [1].

Основным недостатком известного устройства является нестабильность параметров стимулирующих импульсов.

Данного недостатка лишен электростимулятор, принятый в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения. Указанный электростимулятор состоит из генератора импульсов, коммутатора, источника постоянного тока, делителя напряжения и стимулирующих электродов, причем выход генератора импульсов соединен с первым входом коммутатора, выход источника постоянного тока соединен со вторым входом коммутатора, выход коммутатора соединен с входом делителя напряжения, выход делителя напряжения соединен со стимулирующими электродами [2].

Недостаток электростимулятора, принятого в качестве ближайшего аналога, заключается в следующем. Известно, что эффективность электростимуляции повышается при использовании стимулирующих импульсов, форма которых максимально приближена к форме потенциала действия, имеющего положительную часть, близкую по форме к треугольной, и отрицательную часть, близкую по форме к синусоидальной [3, 4].

По результатам клинических испытаний после семидневного курса терапии электростимуляцией при использовании импульсов прямоугольной формы клиническое излечение достигается у 50% больных, а при использовании импульсов, форма которых максимальной приближена к форме потенциала действия, клиническое излечение достигается у 80% больных [5].

В то же время в указанном электростимуляторе возможность формирования импульсов с формой, максимально приближенной к форме потенциала действия, отсутствует.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением - обеспечение стимулирующих импульсов, форма которых максимально приближена к форме потенциала действия, и, как следствие, повышение эффективности электростимуляции.

Указанный технический результат достигается тем, что электростимулятор, содержащий генератор импульсов и стимулирующие электроды, снабжен регулятором интенсивности и формирователем импульса воздействия, содержащим повторитель, реализованный на операционном усилителе, ключ с регулируемой выходной амплитудой, представляющий собой транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером в инверсном активном режиме, дифференциатор, состоящий из конденсатора, резистора и диода, усилитель, представляющий собой каскад, состоящий из операционного усилителя, резисторов и транзистора, трансформатор, при этом выход регулятора интенсивности соединен с входом повторителя, выход генератора импульсов соединен с первым входом ключа, выход повторителя соединен со вторым входом ключа, выход ключа соединен с входом дифференциатора, выход дифференциатора соединен с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом трансформатора, а выход трансформатора соединен со стимулирующими электродами.

Указанный технический результат достигается также тем, что регулятор интенсивности выполнен с возможностью изменения амплитуды управляющего сигнала в процессе проведения сеанса электростимуляции.

Указанный технический результат достигается также тем, что генератор импульсов выполнен с возможностью обеспечения циклического изменения частоты следования импульсов в диапазоне от 5 до 18 Гц. Период следования импульсов на данных частотах меньше длительности потенциала действия для быстрых и медленных нервных и мышечных волокон.

Указанный технический результат достигается также тем, что генератор импульсов выполнен с возможностью обеспечения постоянной частоты следования импульсов 7,83 Гц. Эта частота совпадает с частотой резонанса Шумана, с которой магнитное поле Земли действует на организм человека с рождения, вследствие чего к ней у организма повышенная восприимчивость.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена форма потенциала действия, на фиг. 2 приведена форма импульса воздействия, на фиг. 3 показана структурная схема электростимулятора, на фиг. 4 иллюстрируется пример построения формирователя импульса воздействия, на фиг. 5 приведены временные диаграммы, поясняющие работу электростимулятора.

Заявляемый электростимулятор содержит регулятор интенсивности 1, программируемый генератор импульсов 2, формирователь импульса воздействия 3, стимулирующие электроды 4. Формирователь импульса воздействия 3, в свою очередь, содержит повторитель 3.1, ключ с регулируемой выходной амплитудой 3.2, дифференциатор 3.3, усилитель 3.4, трансформатор 3.5.

Выход регулятора интенсивности 1 соединен с входом повторителя 3.1, выход программируемого генератора импульсов 2 соединен с первым входом ключа с регулируемой выходной амплитудой 3.2, выход повторителя 3.1 соединен со вторым входом ключа с регулируемой выходной амплитудой 3.2, выход ключа с регулируемой входной амплитудой 3.2 соединен с входом дифференциатора 3.3, выход дифференциатора 3.3 соединен с входом усилителя 3.4, выход усилителя 3.4 соединен с входом трансформатора 3.5, выход трансформатора 3.5 соединен со стимулирующими электродами 4.

Электростимулятор работает следующим образом.

Программируемый генератор импульсов 2 на выходе формирует последовательность прямоугольных импульсов нулевого уровня (фиг. 5, а) с длительностью 7 мс. Данная последовательность подается на второй вход формирователя импульса воздействия 3, на первый вход которого подается управляющий сигнал с регулятора интенсивности 1 (фиг. 5, б). Формирователь импульса воздействия 3 формирует на выходе последовательность импульсов определенной формы, близкой к форме потенциала действия (фиг. 5, д), частота следования которых соответствует частоте следования импульсов с программируемого генератора импульсов 2, а амплитуда зависит от амплитуды управляющего сигнала, поступающего с выхода регулятора интенсивности 1. Регулятор интенсивности выполнен с возможностью изменения амплитуды управляющего сигнала в процессе сеанса электростимуляции (например, на основе ЦАП). Это позволяет изменять амплитуду импульсов воздействия по выбранному закону, что повышает эффективность электростимуляции. С выхода формирователя импульса воздействия 3 последовательность импульсов подается на стимулирующие электроды 4.

Формирование импульсов воздействия осуществляется следующим образом. Управляющий сигнал (фиг. 4, точка А; фиг. 5, б) подается на повторитель, реализованный на операционном усилителе DA1. Это обеспечивает стабильность параметров управляющего сигнала. Информативным параметром управляющего сигнала в данном случае является напряжение. Для наглядности характеристические эпюры приведены для двух различных уровней напряжения управляющего сигнала с плавным переходом между ними (фиг. 5, б). Транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером в инверсном активном режиме в целях экономии энергии элементов питания. Он служит для передачи импульсов с генератора импульсов (фиг. 4, точка В; фиг. 5, а), изменяя их амплитуду до амплитуды сигнала управления (фиг. 4, точка С; фиг. 5, в), на дифференцирующую цепочку, состоящую из конденсатора С1 и резистора R2. Диод VD1 служит для отсекания отрицательной составляющей импульсов (фиг. 4, точка D; фиг. 5, г). Далее полученная последовательность импульсов усиливается на каскаде, состоящем из операционного усилителя DA2, резисторов R3 и R4 и транзистора VT2. Благодаря повышающему коэффициенту трансформации Т1 импульсы усиливаются по напряжению и приобретают пологую отрицательную составляющую (фиг. 4, точки Е, F; фиг. 5, д).

Формирование отрицательной составляющей происходит следующим образом. При резком нарастании напряжения на входе трансформатора Т1 напряжение на выходе будет составлять

где U_{вх.макс} - максимальное напряжение на входе трансформатора,

N - коэффициент передачи трансформатора.

При последующем плавном спаде напряжения на входе трансформатора Т1 напряжение на выходе трансформатора будет также плавно снижаться. По окончании процесса спада напряжение снизится на величину U_{вх.макс.} Одновременно с этим будет происходить изменение выходного напряжения в связи с проявлением самоиндукции во вторичной обмотке трансформатора Т1. Ток во вторичной обмотке трансформатора будет изменяться по закону

где I₀ - ток во вторичной обмотке трансформатора в начальный момент времени,

t - текущий момент времени,

R - суммарное сопротивление вторичной обмотки трансформатора и нагрузки,

L - индуктивность вторичной обмотки трансформатора.

Вследствие изменения тока будет проявляться ЭДС самоиндукции

Итоговое напряжение на выходе трансформатора при установлении U_вх=0 будет составлять

Далее при отсутствии входного воздействия ток во вторичной обмотке трансформатора Т1 и, следовательно, напряжение на выходе трансформатора будет стремиться к нулю по экспоненциальному закону (2).

Заявляемый электростимулятор, в отличие от ближайшего аналога, обеспечивает формирование импульса воздействия, форма положительной части которого близка к треугольной, а форма отрицательной части близка к синусоидальной, т.е. практически повторяет форму потенциала действия. Благодаря этому повышается эффективность электростимуляции.

Длительность используемого импульса в предложенном электростимуляторе меньше, чем длительность потенциала действия для большинства тканей. Это позволяет исключить негативное влияние постактивационного торможения на возбудимость стимулируемых тканей.

Таким образом, технико-экономический эффект предложенного электростимулятора заключается в повышении эффективности электростимуляции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ливенсон А. Р. Электромедицинская аппаратура. - М.: Медицина, 1981. - С. 77.

2. Патент РФ №2178319, МПК7 A61N 1/36, 1999.

3. Боголюбов В. М., Пономаренко Г. Н. Общая физиотерапия. - СПб.: СЛП, 1998. - С. 87.

4. Фундаментальная и клиническая физиология / ред. А. Г. Камкин, А. А. Каменский. - М.: Академия, 2004. - С. 198.

5. Протокол клинических испытаний электростимулятора «СТИМЭЛ-01» от 15.01.2014.