ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР МЫШЕЧНОГО НАСОСА КРОВИ Российский патент 1996 года по МПК A61N1/36 

Изобретение относится к медицине, а, именно к устройствам для вспомогательного кровообращения.

Известен электростимулятор мышечного насоса крови, содержащий блок управления, кардиальный и мышечный каналы (см. Патент США N 4735205, кл. A 61 N 1/36, 1988 г.). Кардиальный канал электростимулятора включает в себя входной усилитель, элемент И и источник одиночных стимулирующих импульсов. Мышечный канал электростимулятора содержит делитель кардиоциклов, блок задержки, формирователь пачек стимулирующих импульсов и выходной каскад. Блок управления включает в себя узлы приема управляющих кодов от внешнего программатора, которые преобразуют эти коды в сигналы, устанавливающие параметры блоков кардиального и мышечного каналов электростимулятора. Подключение электростимулятора осуществляется путем соединения входного усилителя кардиального канала монополярным электродом с сердцем и выходного каскада мышечного канала двухполюсным электродом с лоскутом аутомышцы.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного электростимулятора, относится то, что при подключении данного электростимулятора необходимо выбрать две точки фиксации на мышце для двух наконечников мышечного (стимулирующего) электрода и одну точку фиксации на сердце для наконечника кардиального (синхронизирующего) электрода. Однако, каждый дополнительный элемент в биотехнической системе сердце электрод электростимулятор электрод мышца, такой, как электрод со своими наконечниками и проводниками, усложняет и снижает надежность этой системы. Кроме того, каждый имплантируемый электрод открывает дополнительный путь для восходящей инфекции, каждый наконечник имплантируемых электродов увеличивает хирургическую травму, особенно сердце. Имплантация каждого лишнего электрода усложняет технику операции, а каждый лишний вывод на электростимуляторе конструктивно требует своего гермоввода, что усложняет аппарат и снижает его надежность.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству по совокупности признаков является электростимулятор мышечного насоса крови, содержащий последовательно соединенные блок преобразования сигнала, формирователь интервала блокировки, программируемый делитель кардиоциклов, генератор стимулирующих импульсов, выходной каскад и разделительный конденсатор, а также управляемый ключ (см. авт. св-во N 1695942, кл. А 61 N 1/362, 1989 г.), принят за прототип. Выходной каскад выполнен в виде двухтактного ключевого усилителя мощности, ввод питания выходного каскада подключен к шине питания электростимулятора через управляемый ключ. Свободный вывод разделительного конденсатора образует выход электростимулятора. Подключение электростимулятора осуществляется путем соединения выхода электростимулятора через монополярный электрод с лоскутом аутомышцы и входа блока преобразования сигнала через монополярный электрод с сердцем. Индифферентный (пассивный) электрод образуется корпусом электростимулятора.

К причинам, препятствующим достижения требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что при подключении данного электростимулятора необходимо выбрать одну точку фиксации для наконечника мышечного (стимулирующего) электрода и одну точку для наконечника кардиального (синхронизирующего) электрода. Однако, в данном электростимуляторе также имеются дополнительные элементы в биотехнической системе сердце электростимулятор мышца, такие, как два электрода со своими наконечниками и проводниками, которые снижают надежность этой системы. Кроме того, здесь также справедливо, что каждый имплантируемый электрод открывает дополнительный путь для восходящей инфекции, каждый наконечник имплантируемых электродов увеличивает хирургическую травму, особенно сердце. Имплантация каждого лишнего электрода усложняет технику операции, а каждый лишний вывод на электростимуляторе конструктивно требует своего гермоввода, что усложняет аппарат и снижает его надежность.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключается в повышении надежности биотехнической системы сердце электрод - электростимулятор электрод мышца за счет исключения одного из монополярных электродов из системы при сохранении ее работоспособности, а также снижении вероятности восходящей инфекции, уменьшении хирургической травмы пациента и упрощения техники операции.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения заключается в повышении надежности и упрощения конструкции имплантируемого электростимулятора мышечного насоса крови, а также упрощения процедуры его постановки и послеоперационного контроля.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном электростимуляторе мышечного насоса крови, содержащем последовательно соединенные блок преобразования сигнала, формирователь интервала блокировки, программируемый делитель кардиоциклов, генератор стимулирующих импульсов, выходной каскад и разделительный конденсатор своей первой обкладкой, а также управляемый ключ, причем выходной каскад является инвертором и выполнен в виде ключа на взаимодополняющих транзисторах, ввод питания выходного каскада подключен к шине питания электростимулятора через управляемый ключ, генератор стимулирующих импульсов снабжен вторым выходом, а вторая обкладка разделительного конденсатора образует выход электростимулятора, введен формирователь управляющих сигналов, вход которого соединен со вторым выходом генератора стимулирующих импульсов, а выход формирователя связан со входом управления управляемого ключа, причем вход блока преобразования сигнала подключен к выходу электростимулятора, образуя объединенный вход-выход электростимулятора.

Дополнительно в электростимуляторе между входом блока преобразования сигнала и выходом электростимулятора введен второй управляемый ключ, а формирователь управляющих сигналов снабжен вторым входом, подключенным ко входу управления второго управляемого ключа.

Кроме того, в электростимуляторе по п.1 формулы изобретения дополнительно формирователь управляющих сигналов выполнен в виде расширителя импульсов, а по п.2 формулы изобретения дополнительно формирователь управляющих сигналов выполнен в виде двух последовательно включенных расширителей импульсов, причем выход первого расширителя импульсов образует первый выход формирователя, а выход второго расширителя импульсов соответственно второй выход формирователя.

Также в электростимуляторе расширитель импульсов дополнительно выполнен в виде логического элемента ИЛИ и элемента задержки сигнала, причем первый вход логического элемента ИЛИ соединен со входом элемента задержки и образует вход расширителя импульсов, второй вход логического элемента связан с выходом элемента задержки, а выход логического элемента образует выход расширителя импульсов.

Предложенный электростимулятор мышечного насоса крови, содержащий связанные между собой блок преобразования сигнала, формирователь интервала блокировки, программируемый делитель кардиоциклов, генератор стимулирующих импульсов, выходной каскад, разделительный конденсатор, управляемый ключ и формирователь управляющих сигналов обеспечивает следующий технический результат. Введение в данный электростимулятор формирователя управляющих сигналов позволяет посредством запирания управляемого ключа отключать шину питания от выходного каскада во время паузы между пачками импульсов, переводя, тем самым, выход выходного каскада в высокоимпедансное состояние. Поэтому при объединении входа блока преобразования сигнала через разделительный конденсатор с выходом выходного каскада последний не шунтирует электрокардиосигнал, поступающий в блок преобразования сигнала в паузе между пачками импульсов. А для исключения неполного формирования первого импульса последующей пачки, формирователь управляющих сигналов в течение определенного времени после окончания пачки импульсов оставляет управляемый ключ в проводящем состоянии, обеспечивая тем самым необходимое восстановление заряда разделительного конденсатора выходным каскадом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого случая результата;
увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг.1 изображена функциональная схема электростимулятора в объеме п.1 формулы изобретения. Фиг.2 содержит временные диаграммы, поясняющие работу устройства в объеме п.1 формулы изобретения. На фиг.3 представлена функциональная схема одного из вариантов выполнения расширителя импульсов. На фиг.4 приведена функциональная схема электростимулятора в объеме п.2 формулы изобретения. Фиг.5 иллюстрирует работу устройства по п.2 формулы изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Электростимулятор мышечного насоса крови содержит последовательно соединенные блок 1 преобразования сигнала, формирователь 2 интервала блокировки, программируемый делитель 3 кардиоциклов, генератор 4 стимулирующих импульсов, выходной каскад 5 и разделительный конденсатор 6, а также управляемый ключ 7 и формирователь 8 управляющих сигналов. Выходной каскад 5 выполнен в виде ключа на взаимодополняющих транзисторах и является инвертором. Ввод 9 питания выходного каскада 5 подключен к шине 10 питания электростимулятора через управляемый ключ 7. Генератор 4 стимулирующих импульсов снабжен вторым выходом 11 соединенным со входом формирователя 8 управляющих сигналов. Выход формирователя 8 связан со входом управления управляемого ключа 7. Объединенный вход-выход электростимулятора образован точкой соединения входа блока 1 преобразования сигнала и второй обкладкой разделительного конденсатора 6.

Формирователь 8 управляющих сигналов может быть выполнен в виде расширителя импульсов.

Указанный расширитель импульсов может быть выполнен в виде логического элемента 12 ИЛИ и элемента 13 задержки сигнала. Первый вход логического элемента 12 ИЛИ соединен со входом элемента 13 задержки и образует вход расширителя импульсов. Второй вход логического элемента 12 связан с выходом элемента 13 задержки, а выход логического элемента 12 образует выход расширителя импульсов (см. фиг.3).

Дополнительно в электростимулятор мышечного насоса крови между входом блока 1 преобразования сигнала и объединенным входом-выходом электростимулятора введен второй управляемый ключ 14, а формирователь 3 управляющих сигналов снабжен вторым выходом, подключенным ко входу управления второго управляемого ключа 14 (см. фиг.4). Формирователь 8 управляющих сигналов в данном случае может быть выполнен в виде двух последовательно включенных расширителей импульсов, причем выход первого расширителя импульсов образует первый выход формирователя, а выход второго расширителя импульсов - соответственно второй выход формирователя. Кроме того, каждый из расширителей импульсов данного формирователя может быть выполнен аналогично вышеуказанному в виде логического элемента 12 ИЛИ и элемента 13 задержки сигнала. При этом первый вход логического элемента 12 ИЛИ соединен со входом элемента 13 задержки и образует вход расширителя импульсов. Второй вход логического элемента 12 связан с выходом элемента 13 задержки, а выход логического элемента 12 образует выход расширителя импульсов (см. фиг.3).

Электростимулятор мышечного насоса крови работает следующим образом.

Электрокардиосигнал (ЭКС) поступает с объединенного входа-выхода электростимулятора на вход блока 1 преобразования сигнала. Этот блок 1 осуществляет формирование на выходе импульсов, синхронизированных с R зубцами электрокардиосигнала, которые устанавливают в исходное состояние формирователь 2 интервала блокировки. Формирователь 2 происходит запуск программируемого делителя 3 кардиоциклов. В течение времени Т_п действия пачки стимулирующих импульсов, а также определенного дополнительного времени Т_б (см. эпюру "ФИБ" на фиг.2) формирователь 2 не производит запуска программируемого делителя 3 кардиоциклов, блокируя тем самым работу всего устройства в течение времени Т_п и T_б. Режим работы электрокардиостимулятора, в частности, кратность синхронизации N, задается программируемым делителем 3 кардиоциклов, управление работой которого осуществляется при помощи внешнего программатора (на фиг.1 не показан, а фиг.2 ради наглядности приведена для N 1). Программируемый делитель 3 кардиоциклов осуществляет запуск генератора 4 стимулирующих импульсов, который формирует пачки стимулирующих импульсов с требуемыми временными параметрами. Формирование требуемой амплитуды импульсов происходит в выходном каскаде 5, который выполнен в виде ключа на взаимодополняющих транзисторах и является инвертором. По сигналу со второго выхода 11 генератора стимулирующих импульсов формирователь 8 выдает импульс Т_у1 (см. эпюру "ФУС" на фиг.3), поступающий на вход управления ключа 7. В течение действия импульса Т_у1 ключ 7 находится в проводящем состоянии, питание с шины 10 через ввод 9 подается на выходной каскад 5, обеспечивая его работу по формированию амплитуды импульсов, поступающих с первого выхода генератора 4. После каждого импульса пачки происходит восстановление заряда разделительного конденсатора 6, приводящий к выбросам напряжения противоположной полярности (см. последнюю эпюру "Вых." на фиг.2).

Длительность импульса Т_у1 выбирается больше Т_п, но меньше суммарного интервала (Т_п + Т_б). Превышение длительности Т_у1 над длительностью Т_п выбирается таким образом, чтобы обеспечить полное восстановление заряда разделительного конденсатора 6 через выходной каскад 5.

После окончания действия импульса Т_у1 ключ 7 запирается, цепь питания выходного каскада 5 при этом размыкается и т.к. отсутствие импульсов с генератора 4 на входе выходного каскада 5 запирает в этом двухтактном ключевом усилителе его нижнее плечо, то выход каскада 5 оказывается в высокоимпедансном состоянии, Тем самым, исключается шунтирование выходным каскадом 5 блока 1 преобразования сигнала. Блок 1 вновь осуществляет выделение R зубца из электрокардиосигнала и работа электростимулятора повторяется аналогично вышеописанному.

Благодаря увеличению длительности импульса Т_у1 сверх длительности Т_п ключ 7 после окончания пачки стимулирующих импульсов еще остается на некоторое время в проводящем состоянии, что обеспечивает восстановление заряда разделительного конденсатора 6 выходным каскадом 5 после завершения последнего импульса в пачке. Поэтому при формировании следующей пачки стимулирующих импульсов первый импульс в пачке не будет иметь амплитудных искажений. Превышение длительности Т_у1 над длительностью Т_п выбирается равной или несколько большей длительности, необходимой для восстановления заряда разделительного конденсатора 6 после окончания импульса стимуляции.

При выполнении формирователя 8 управляющих сигналов, согласно п. 3 формулы изобретения, в виде расширителя импульсов интервал Т_у1 формируется за счет расширения по длительности поступающего на вход блока 8 импульса длительностью Т_п с второго выхода 11 генератора 4. Основное требование к расширителю импульсов состоит в том, что увеличение длительности входного импульса должно происходить на значение, меньшее установленного в формирователе 2 интервала блокировки длительностью Т_б.

Расширитель импульсов, согласно п.5 формулы изобретения может быть выполнен в виде связанных между собой логического элемента 12 ИЛИ и элемента 13 задержки. В этом случае расширение импульса в блоке 8 происходит на время задержки сигнала в элементе 13 (без учета быстродействия логического элемента 12). В данной схеме расширителя импульсов время задержки в элементе 13 выбирается менее длительности импульса, поступающего на вход расширителя.

Выполнение электростимулятора мышечного насоса крови в соответствии с п. 2 формулы изобретения, отличающееся введением дополнительного ключа 14 между входом блока 1 преобразования сигнала и объединенным входом-выходом электростимулятора, обеспечивает следующее. После окончания интервала Т_у1 первый ключ 7 запирается, что приводит к высокоимпедансному состоянию выхода выходного каскада 5. Длительность интервала Т_у1 должна быть менее суммы Т_п + Т_б. В противном случае сокращается промежуток времени между окончанием интервала N_б и возникновением следующего R зубца текущего кардиоцикла, что влечет за собой сокращение временного промежутка, в котором осуществляется нормальная синхронизация электростимулятора. Следовательно, если по каким-либо физиологическим причинам длительность текущего кардиоцикла укорачивается, то при Т_у1 > T_п + T_б возможен пропуск следующего R зубца, особенно, если этот зубец является экстрасистолическим. Таким образом, необходимо обеспечить условие Т_у1 <Т_п + T_б. Поэтому в момент окончания интервала Т_у1, вследствие того, что заряд на конденсаторе 6 не успевает полностью восстановиться, на объединенном входе-выходе появляется скачок напряжения Δ (см. фиг.5). При этом даже относительно малое значение этого скачка из-за высокой чувствительности блока 1 преобразования сигнала может привести к ложному срабатыванию последнего. В этом случае наличие дополнительного ключа 14, который запирается по сигналу со второго выхода формирователя 8 на интервал Т_у2 больший интервала Т_у1, предотвращает передачу данного скачка напряжения на вход блока 1 преобразования сигнала.

Превышение интервала Т_у2 над интервалом T_у1 по вышеуказанным требованиям к работе блока 1 преобразования сигнала целесообразно выбирать минимальным.

Выполнение формирователя 8 управляющих сигналов в виде двух последовательно включенных расширителей импульсов обеспечивает формирование на двух выходах формирователя 8 соответственно интервалов Т_у1 и Т_у2, причем превышение интервала Т_у1 над интервалом Т_у2 обеспечивается расширением импульса длительностью Т_у1 вторым расширителем импульсов до длительности Т_у2. Работа каждого отдельного расширителя импульсов в этом формирователе в случае их выполнения в виде логического элемента 12 ИЛИ и элемента 13 задержки (см. фиг.3) полностью аналогично вышеописанному.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а, именно, в медицине для вспомогательного кровообращения.

для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Использование: изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для вспомогательного кровообращения. Сущность: электростимулятор мышечного насоса крови содержит последовательно соединенные блок преобразования сигнала, формирователь интервала блокировки, программируемый делитель кардиоциклов, генератор стимулирующих импульсов, выходной каскад и разделительный конденсатор, а также управляемый ключ и формирователь управляющих сигналов. Выходной каскад выполнен в виде ключа на взаимодополняющих транзисторах и является инвертором. Ввод питания выходного каскада подключен к шине питания электростимулятора через управляемый ключ. Генератор стимулирующих импульсов снабжен вторым выходом соединенным со входом формирователя управляющих сигналов. Выход формирователя связан со входом управления управляемого ключа. Объединенный вход-выход электростимулятора образован точкой соединения входа блока преобразования сигнала и второй обкладкой разделительного конденсатора. Тем самым обеспечивается повышение надежности биотехнической системы сердце - электрод - электростимулятор - электрод - мышца за счет исключения одного из монополярных электродов из системы при сохранении ее работоспособности, а также снижение вероятности восходящей инфекции, уменьшении хирургической травмы пациента и упрощения техники операции. 5 ил.

1. Электростимулятор мышечного насоса крови, содержащий последовательно соединенные блок преобразования сигнала, формирователь интервала блокировки, программируемый делитель кардиоциклов, генератор стимулирующих импульсов, выходной каскад и разделительный конденсатор своей первой обкладкой, а также управляемый ключ, причем выходной каскад является инвертором и выполнен в виде ключа на взаимодополняющих транзисторах, ввод питания выходного каскада подключен к шине питания электростимулятора через управляемый ключ, генератор стимулирующих импульсов снабжен вторым выходом, а вторая обкладка разделительного конденсатора образует выход электростимулятора, отличающийся тем, что в него введен формирователь управляющих сигналов, вход которого соединен с вторым выходом генератора стимулирующих импульсов, а выход формирователя связан с входом управления управляемого ключа, причем вход блока преобразования сигнала подключен к выходу электростимулятора, образуя объединенный вход-выход электростимулятора. 2. Электростимулятор по п. 1, отличающийся тем, что в нем между входом блока преобразования сигнала и выходом электростимулятора введен второй управляемый ключ, а формирователь управляющих сигналов снабжен вторым выходом, подключенным к входу управления второго управляемого ключа. 3. Электростимулятор по п. 1, отличающийся тем, что формирователь управляющих сигналов выполнен в виде расширителя импульсов. 4. Электростимулятор по п. 2, отличающийся тем, что формирователь управляющих сигналов выполнен в виде двух последовательно включенных расширителей импульсов, причем выход первого расширителя импульсов образует первый выход формирователя, а выход второго расширителя импульсов - соответственно второй выход формирователя. 5. Электростимулятор по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что расширитель импульсов выполнен в виде логического элемента ИЛИ и элемента задержки, причем первый вход логического элемента ИЛИ соединен с входом элемента задержки и образует вход расширителя импульсов, второй вход логического элемента связан с выходом элемента задержки, а выход логического элемента образует выход расширителя импульсов.