ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА Российский патент 1999 года по МПК A61N1/36 

Изобретение относится к области биомедицинской инженерии, а точнее, к электростимулирующим устройствам для диагностики и лечения органов и тканей, а еще точнее к усовершенствованию электростимулятора желудочно-кишечного тракта (ЖКТ).

Одной из проблем, решаемых при конструировании электростимуляторов, является проблема электродов и их взаимодействия с тканями и средами организма.

Известно, что реакция возбудимой клетки на внешний стимул зависит от силы электрического поля [1]. В физиологических экспериментах с использованием внутриклеточных электродов было установлено, что электрический заряд в 10^-11 А.с достаточен для запуска потенциала действия клетки [2]. В настоящее время для стимуляции тканей посредством электродов широко используется заряд величиной 10^-6 А.с [3].

В известных электростимуляторах ЖКТ, например, описанном в [4] и взятом нами за прототип, генератор стимулирующих импульсов подает на электроды импульсы напряжения длительностью 5-7 мс и такой амплитуды, что при работе на активную нагрузку в 100 Ом, в цепи стимулятора течет импульсный ток с амплитудой 8-12 мА.

Процессы, протекающие на электродах электростимулятора, определяются электрофизиологическими и электрохимическими условиями на границе раздела фаз электрод-среда, состоящей из поверхности металла и ионов, прилегающих к поверхности металла. Большинство участков решетки на поверхности электрода окружено молекулами воды. Поэтому первый слой, адсорбируемый поверхностью металла - это молекулы воды, второй слой - оболочки гидратированных ионов, аккумулированных на границе раздела фаз. Такая структура известна как двойной электрический слой Гельмгольца. Он соответствует пластинчатому конденсатору, емкость которого определяется расстоянием, разделяющим противоположные заряды, и средней диэлектрической постоянной слоя абсорбированной воды. Емкость слоя Гельмгольца на гладкой поверхности металла составляет 5-50 мкФ/см² [3], а эквивалентная электрическая схема границы раздела электрод-среда может быть представлена в виде параллельного соединения емкости Гельмгольца и омического сопротивления, обусловленного током Фарадея.

Поскольку эксперименты показывают [3], что напряжение стимуляции, необходимое для достижения порога сокращения мышечной ткани увеличивается при снижении продолжительности импульса, то возбудимая мышечная ткань также не может апроксимироваться простым омическим сопротивлением, проводимость ткани также может быть представлена в виде параллельного соединения емкостей и активных сопротивлений.

При подаче напряжения на электроды сначала происходит только перераспределение заряда на электродах, при отсутствии пересечения границы раздела фаз каким бы-то ни было носителем заряда, это истинно емкостный ток, не связанный с какой-либо электрохимической реакцией.

Непосредственно электрический ток может возникнуть только при прохождении носителей заряда через границу раздела фаз и вступлении их в реакцию с компонентами раствора среды ЖКТ, т.е. при возникновении тока Фарадея, величина которого зависит от потенциала электрода.

Исследование работы электростимулятора ЖКТ в реальных условиях и в модельных 1% растворах поваренной соли, соляной кислоты и щелочей, проведенное автором, показало, что в момент подачи на электроды напряжения, протекающий по цепи стимулятора ток максимален, а затем быстро уменьшается по экспоненте с постоянной времени 0,3 - 0,5 мс до определенного уровня и дальше остается практически постоянным до момента снятия напряжения с электродов. Это означает, что до момента достижения постоянной величины ток стимулятора является током заряда емкости, а постоянная величина тока определяется суммарным эквивалентным омическим сопротивлением границы раздела электрод - среда. То есть, начиная с момента достижения током постоянной величины и до конца импульса напряжения, в цепи стимулятора течет ток, физическая природа которого связана с электролизом внутренней среды ЖКТ и химическими изменениями в электродах. В результате протекания в цепи стимулятора такого тока могут возникнуть необратимые перераспределения внутри и внеклеточных ионов, приводящие к изменениям в ткани и, в частности, к повышению порогового уровня стимуляции [3].

Химические изменения в электродах, в частности, анодное травление, могут привести к попаданию в кровь пациента токсических продуктов электрохимических реакций материала электрода с внутренней средой ЖКТ. К наиболее токсичным элементам относятся кобальт, хром, никель, ванадий [3], которые могут входить в состав электродов из нержавеющей стали. Анализ электродов использованных стимуляторов с параметрами импульсов по прототипу подтверждает это.

Для устранения описанных выше недостатков электростимулятора-прототипа автором настоящего изобретения предлагается использовать для стимуляции ЖКТ импульсы длительностью не больше 1 мс при той же амплитуде тока. При такой длительности стимулирующих импульсов, протекающий по тканям заряд достаточен для генерации спонтанной деполяризации клеток ткани ЖКТ и не приводит к описанным выше последствиям, свойственным стимулятору-прототипу. Проведенные автором эксперименты подтверждают это.

Другим недостатком стимулятора-прототипа является недостаточная надежность и эффективность стимуляции.

При прекращении подачи напряжения на электроды емкости эквивалентной схемы стимулятора начинают разряжаться, ток разряда течет в противоположном току заряда направлении. Поскольку в электрической схеме стимулятора-прототипа не предусмотрена специальная цепь разряда, то этот процесс осуществляется очень медленно и к моменту прихода следующего стимулирующего импульса они не успевают разрядиться до конца. В результате каждый следующий стимулирующий импульс по амплитуде оказывается меньше предыдущего, что снижает вероятность и надежность возбуждения им клеток ткани, так как пороговый уровень возбуждения может быть не достигнут.

Для устранения этого недостатка, т.е. для быстрого разряда емкостей, предлагается ввести в электрическую схему стимулятора узел автоматического замыкания его электродов на период паузы между следующими друг за другом импульсами стимуляции.

Введение такого узла делает возможным устранение и еще одного недостатка стимулятора - прототипа - его недостаточной электробезопасности. В соответствии с ГОСТом [5] ток в цепи электростимулятора, находящегося в ЖКТ, при отсутствии импульсов не должен превышать 100 мкА. Однако при выходе из строя выходного каскада генератора импульсов стимулятора к его электродам оказывается приложенным постоянное напряжение от источника питания, и по цепи электростимулятора и через ткань будет протекать ток, значительно превышающий 100 мкА, что может вызвать сильные болевые ощущения и даже привести к электрохимическому ожогу.

Предлагается использовать для электродов металлы, характеризующиеся высоким напряжением поляризации, например, титан и его сплавы. На поверхности таких электродов, в результате анодного окисления, образуются прочные окисные пленки, являющиеся хорошим диэлектриком и увеличивающие эквивалентную емкость границы электрод - ткань.

При прикладывании к таким электродам постоянного напряжения от источника питания электростимулятора ток в цепи стимулятора не превышает 20-25 мкА.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 - показана типичная форма импульсов напряжения на электродах и импульсов тока в цепи стимулятора;
на фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема стимулятора;
На фиг. 1 показаны:
U - напряжение на электродах стимулятора;
J - ток в цепи стимулятора;
t₁ - момент прекращения подачи напряжения на электроды стимулятора в конце первого импульса;
t₂ - момент подачи на электроды стимулятора второго импульса напряжения;
J₁ - максимальный ток заряда емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2 первым импульсом;
U₁ - напряжение на обкладках заряженной емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2;
J₂ - максимальный ток заряда емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2 вторым стимулирующим импульсом;
J₃ - максимальный ток разряда емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2;
J₄ - ток в цепи стимулятора, обусловленный суммарным омическим сопротивлением, в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2;
U₂ - остаточное напряжение на обкладках емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2 в момент подачи на электроды второго импульса.

На фиг. 2 показаны:
1 - источник питания стимулятора;
2 - генератор стимулирующих импульсов;
3 - сопротивление ограничения тока генератора;
4 - сопротивление Фарадея на границе раздела фаз электродов стимулятора;
5 - емкость слоя Гельмгольца на границе раздела фаз электродов электростимулятора;
6 - сопротивление среды и ткани ЖКТ;
7 - эквивалентная емкость ткани ЖКТ;
8 - контактное устройство для автоматического замыкания электродов стимулятора на период паузы между импульсами стимуляции.

Предлагается электростимулятор желудочно-кишечного тракта с длительностью стимулирующих импульсов менее 1 мс и специальной цепью замыкания электродов стимулятора на период паузы между импульсами, характеризующийся повышенной надежностью электростимуляции, абсолютной электробезопасностью и безвредностью для организма. Технический результат достигается за счет введения контактного устройства. 2 с. и 1 з.п.ф-ы, 2 ил.

1. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, имеющий корпус в виде герметичной капсулы, состоящий из двух электрически изолированных друг от друга электродов, подсоединенный к электродам генератор стимулирующих импульсов, и источник питания для него внутри капсулы, отличающийся тем, что длительность импульсов, вырабатываемых генератором, не превышает одной мс. 2. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, имеющий корпус в виде герметичной капсулы, состоящей из двух электрически изолированных друг от друга электродов, подсоединенный к электродам генератор стимулирующих импульсов, и источник питания для него внутри капсулы, отличающийся тем, что электроды электрически соединены друг с другом через контактное устройство, замыкающее их на период паузы между следующим друг за другом импульсами. 3. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта по п.2, отличающийся тем, что материалом электродов является металл с высоким напряжением поляризации в среде ЖКТ.