ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР Российский патент 2000 года по МПК A61N1/36 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в физиотерапии для воздействия на электровозбудимые физиологические системы живого организма. Изобретение расширяет функциональные возможности устройства и повышает эффективность и безопасность его применения.

Известно устройство для низкочастотной физиотерапии, содержащее формирователь сигналов, ШИМ-модулятор и n-выходных каналов, коммутатор каналов, инвертор, избирательный фильтр, трансформатор тока, n электромагнитных реле, преобразователь напряжений постоянного тока и две входные клеммы напряжения постоянного тока. Формирователь сигналов выполнен на основе контроллера, блока цифровой индикации и блока клавиатуры [Патент РФ 2112565, кл. A 61 N 1/36, 1996 г.].

Упомянутое устройство имеет существенный недостаток, ограничивающий возможность его использования в медицинской практике. В каждом из n каналов имеется только одна клемма (5.1, 5.2...5.n) для подключения стимулирующего, активного электрода. Поэтому второй электрод, обеспечивающий замкнутость цепи стимулирующего тока, подключается к клемме 6 общей шины. В результате этот электрод оказывается общим для всех n каналов.

Такая схема многоканальной стимуляции работоспособна лишь при том условии, что путь стимулирующего тока через тело пациента от активного электрода к пассивному проходит только через стимулируемый орган, не затрагивая другие органы, на которые он мог бы оказать отрицательное воздействие. Если это условие выполняется, то реализуется метод многоканальной монополярной стимуляции.

Однако во многих случаях устройство, имеющее один общий пассивный электрод для всех каналов, неприменимо.

Рассмотрим типичный случай электротерапевтического воздействия на мышцы обеих рук, например, на правый и левый бицепсы. При стимуляции правого бицепса активный электрод первого канала закрепляют поперек этой мышцы, а общий пассивный электрод - в области правого плечевого сустава. При этом стимулирующий ток первого канала проходит от активного электрода через основную часть бицепса к плечевому суставу и заканчивается на общем пассивном электроде.

Далее, активный электрод второго канала должен быть закреплен на левом бицепсе. В этом случае стимулирующий ток второго канала проходит от левого бицепса к правому плечевому суставу, затрагивая по пути органы грудной полости и шеи.

Прохождение тока, в нормальных условиях стимулирующего бицепс, через сердце, может вызвать фибриляцию миокарда и смерть пациента.

Прохождение тока через синусы сонных артерий в области шеи может вызвать резкое падение артериального давления и смерть от шока.

Прохождение тока через мышцы гортани может вызвать спазм дыхательных путей и смерть от удушья.

При расположении двух активных электродов на правом и левом бицепсах описанная ситуация создается практически при любом расположении общего пассивного электрода.

Наличие единого общего электрода порождает еще один существенный недостаток: невозможность использования многоканального устройства для проведения лечебных сеансов нескольким пациентам одновременно.

Поэтому на практике применяют не монополярную, а биполярную многоканальную стимуляцию, при которой каждый выходной канал имеет два электрода и оба эти электрода размещаются в зонах, строго определенных для каждого канала. При этом выходы (пары электродов) отдельных каналов изолированы друг от друга, что исключает появление стимулирующего тока между выходами разных каналов.

Известно также устройство для низкочастотной физиотерапии, содержащее формирователь сигналов, ШИМ-модулятор, коммутатор каналов, преобразователь напряжений постоянного тока и n-выходных каналов. Формирователь сигналов выполнен на основе контроллера, блока цифровой индикации и блока клавиатуры.

Каждый из n каналов устройства выполнен в виде последовательно включенных инвертора, избирательного фильтра, соответствующего канала трансформатора тока и выходной клеммы [Патент РФ N 2114650, A 61 N 1/36, 1996 г.]. Единая выходная клемма, замыкающая внешнюю цепь каждого канала, подключена к общей шине.

Подобно предыдущему устройству это многоканальное устройство реализует только схему монополярной стимуляции, а потому ему свойственны те же недостатки, что и предыдущему устройству.

Еще один существенный недостаток этого устройства заключается в том, что поскольку в каждый данный момент выходной сигнал может присутствовать на выходе только одного из n каналов, то период сигнала должен быть в n раз больше его длительности. Отсюда следует, что устройство не позволяет производить одновременную стимуляцию нескольких органов (например, мышц) или воздействовать на них с таким сдвигом по времени, когда стимул одного канала перекрывается полностью или частично стимулами, подаваемыми на другие каналы. Однако именно такой временной структуры воздействий требует так называемая функциональная стимуляция, применяемая, в частности, для восстановления или искусственной компенсации утраченных двигательных функций после инсульта, после травм спинного мозга и пр.

Настоящее изобретение решает задачу проведения управляемой многоканальной электростимуляции, устраняя упомянутые выше недостатки и обеспечивая при этом:
- возможность проведения многоканальной электростимуляции, исключая образование неконтролируемого пути тока к общему электроду;
- возможность одновременного проведения сеанса стимуляции нескольким пациентам;
- возможность стимуляции нескольких зон одновременно или с произвольным временным сдвигом стимулов в разных каналах.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электростимуляторе, содержащем формирователь сигналов, включающем блок цифровой индикации, блок клавиатуры и контроллер, подключенный многоразрядной шиной к входу коммутатора каналов устройства, блок питания и блок n-выходных каналов с электродами, согласно настоящему изобретению каждый из n-выходных каналов устройства содержит амплитудный модулятор, подключенный своим 2-х разрядным выходом к первому входу выходного усилителя с двумя выходными клеммами. Первый вход амплитудного модулятора каждого канала подключен к соответствующему выходу контроллера. Второй вход амплитудного модулятора каждого канала подключен к 2-х разрядному выходу контроллера, третий вход амплитудного модулятора каждого канала - к соответствующему выходу коммутатора каналов, а четвертый вход - к первому выходу блока питания. Вторые и третьи входы выходных усилителей каждого канала подключены соответственно к первому и второму выходам блока питания. Контроллер, блок цифровой индикации и блок клавиатуры связаны общей двунаправленной многоразрядной шиной. Первые входы контроллера, блока цифровой индикации, блока клавиатуры и коммутатора каналов соединены с первым выходом блока питания.

Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что благодаря предложенному схемному решению стимулятора обеспечивается возможность проведения как монополярной, так и биполярной многоканальной стимуляции. Стимулирующие воздействия могут идти в различных комбинациях: одновременно по нескольким выходным каналам, поочередно по каждому каналу или с произвольным временным сдвигом. Стимулирующие токи могут иметь импульсную форму, форму колебаний синусоидальной либо иной формы.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами:
фиг. 1 - блок-схема предлагаемого стимулятора,
фиг. 2 - электрическая схема контроллера 2 для варианта 2-х канального электростимулятора,
фиг. 3 - электрическая схема блока цифровой индикации (БЦИ) 3,
фиг. 4 - электрическая схема блока клавиатуры (БКЛ) 4,
фиг. 5 - электрическая схема коммутатора 5 для варианта 2-х канального электростимулятора,
фиг. 6 - электрическая схема блока питания 6,
фиг. 7 - электрическая схема амплитудного модулятора 8.1(8.2...8.n),
фиг. 8 - электрическая схема выходного усилителя 9.1(9.2...9.n),
фиг. 9 - укрупненный алгоритм работы контроллера 2.

Стимулятор (фиг. 1) содержит формирователь сигналов 1, включающий связанные двунаправленной многоразрядной шиной контроллер 2, блок цифровой индикации (БЦИ) 3 и блок клавиатуры (БКЛ) 4, коммутатор каналов 5, блок питания 6 и блок выходных каналов 7, содержащий n выходных каналов стимулятора. Каждый из n выходных каналов содержит амплитудный модулятор. Амплитудный модулятор первого канала - 8.1, второго - 8.2, третьего - 8.3, n-ного - 8.n. Каждый канал содержит также выходной усилитель с двумя клеммами. Соответственно: выходной усилитель первого канала 9.1 с выходными клеммами 10.1.1 и 10.1.2. Выходные усилители второго, третьего, четвертого (n-го) каналов - соответственно 9.2 с клеммами 10.2.1 и 10.2.2, 9.3 с клеммами - 10.3.1 и 10.3.2, 9.4 (n) с клеммами 10.4.1 и 10.4.2 (10.n.1 и 10.n.2).

Формирователь сигналов 1 предназначен для формирования следующих сигналов: стимулирующих сигналов с задаваемыми оператором временными характеристиками; сигнала ШИМ, пропорционального установленной амплитуде для каждого из n каналов, управляющего цифрового кода для коммутатора каналов. Формирователь 1 может быть реализован в виде связанных двунаправленной многоразрядной шиной контроллера 2, блока цифровой индикации 3 и блока клавиатуры 4.

Контроллер 2 (фиг. 2) предназначен для управления БЦИ 3, БКЛ 4, коммутатором каналов 5. Он может быть реализован на основе однокристальной микроЭВМ КР1830ВЕ51 [Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П., Литвинский Г.В. и др. Однокристальные микроЭВМ. М.МИКАП, 1994.] стр. 107- стр. 218.

Блок цифровой индикации БЦИ 3 (фиг. 3) представляет собой набор цифровых семисегментных индикаторов и единичных светодиодов. БЦИ служит для отображения информации о параметрах выходных сигналов, времени процедуры, номере текущей лечебной программы, режиме работы каналов, состоянии "СТОП", "ПУСК" или "ПАУЗА". Он может быть выполнен на индикаторах HDSP-5621G и АЛ307 или других аналогичных элементах.

Блок клавиатуры БКЛ 4 (фиг. 4) представляет собой матрицу N х М элементов. Он служит для передачи управляющей информации непосредственно контроллеру и может быть выполнен на кнопках типа ПКН159 или других кнопках без фиксации.

Коммутатор каналов 5 (фиг. 5) предназначен для подключения требуемых выходных каналов и может быть выполнен на одном или n (в зависимости от числа коммутируемых каналов) регистрах типа ИР27 или других регистрах с фиксацией данных. Коммутатор каналов 5 своими выходами подключен соответственно к третьему входу амплитудного модулятора каждого канала, а своим многоразрядным входом соединен с многоразрядным выходом контроллера.

Блок питания 6 (фиг. 6) предназначен для преобразования напряжения сети 220В 50 Гц в напряжение для питания цепей микросхем и напряжения питания выходных усилителей. Блок питания 6 своим первым выходом подключен к вторым входам выходных усилителей каждого канала, к четвертым входам амплитудных модуляторов каждого канала, к первым входам контроллера, блока цифровой индикации и коммутатора каналов. Второй выход блока питания 6 подключен к третьим входам выходных усилителей каждого канала.

Электростимулятор имеет блок n выходных каналов 7. Количество выходных каналов регламентируется спецификой медицинских задач и может составлять от 1 до 8 каналов. Выходные каналы стимулятора формируют стимулирующие импульсы с заданными временными, амплитудными параметрами и требуемой формы, а также обеспечивают изоляцию цепей питания каналов от цепей пациента. Каждый выходной канал содержит амплитудный модулятор (соответственно 8.1, 8.2,... 8.n) и выходной усилитель (соответственно 9.1, 9.2,...9.n). Амплитудный модулятор (фиг. 7) обеспечивает модуляцию сигнала, поступающего с выхода формирователя, по амплитуде и поступление его на вход выходного усилителя, если модулятор открыт сигналом с коммутатора. Амплитудный модулятор может быть выполнен на микросхеме 561КТЗ и интегрирующей цепочке.

Выходные усилители каждого канала (9.1, 9.2,...9.n) предназначены для усиления тока стимулирующего сигнала до требуемого значения, для обеспечения изоляции цепей питания усилителя от цепи пациента и для обеспечения независимости амплитуды тока стимулирующего сигнала от изменений сопротивления цепи пациента. Выходные усилители (фиг. 8) выполнены по двухполярной схеме, что позволяет получать на выходе каждого канала стимулирующие сигналы в виде монофазных импульсов положительной и отрицательной полярности, двухфазных импульсов, а также переменного тока синусоидальной или иной формы.

Выходной усилитель работает по схеме источника тока и может быть выполнен на микросхеме 1401УД2А и транзисторах КТ815.

Выходной трансформатор в составе усилителя осуществляет изоляцию питания и цепи пациента, а также согласование с нагрузкой. Первичные обмотки трансформатора включены в коллекторные цепи транзисторов, а вторичная обмотка подключена к выходным клеммам.

Пара выходных клемм первого канала (соответственно 10.1.1 и 10.1.2) и каждого канала (соответственно 10.2.1, 10.2.2,...10.n.1,10.n.2) предназначена для подсоединения кабеля пациента с парой электродов.

Электростимулятор работает следующим образом. (Укрупненный алгоритм работы контроллера приведен на фиг. 9).

Оператор накладывает электроды на стимулируемые участки тела пациента.

При включении стимулятора в сеть на выходах 1 и 2 блока питания появляются напряжения питания аналоговых и цифровых цепей устройства. Практически одновременно с подачей питания на вход 1 контроллера 2 последний устанавливает на многоразрядной шине, связывающей его с коммутатором 5, цифровой код, отключающий все каналы. Таким образом, на выходных клеммах каналов напряжение отсутствует. При этом на индикаторах тока каналов БЦИ 3 высвечиваются нулевые значения. Кроме этого, индикатор программы показывает номер лечебной программы по умолчанию, таймер показывает время процедуры по умолчанию, индикатор режима - режим по умолчанию. При этом включен индикатор "СТОП".

В этом состоянии оператор может с помощью клавиатуры установить номер программы, другой режим синхронизации каналов, изменить время процедуры. В состоянии "СТОП" кнопки установки амплитуды стимулирующего тока в каналах заблокированы. После установки всех требуемых значений оператор нажимает кнопку "СТАРТ" и контроллер 2 начинает отрабатывать заданную программу. При этом оператор с помощью кнопок установки амплитуды тока в каждом канале (БКЛ 4) устанавливает необходимые для каждого канала значения выходного тока, которые индицируются на соответствующих индикаторах БЦИ 3.

На входы 1 каждого из n амплитудных модуляторов (8.1, 8.2,...,8.n) подается от контроллера 2 сигнал ШИМ, соответствующий установленной амплитуде импульсов. На входы 2 каждого из n каналов поступают импульсы с требуемыми временными параметрами. В амплитудном модуляторе 8.1 (8.2,...,8.n) импульсы модулируются по амплитуде и, если на входе 3 модулятора 8.1 (8.2,...,8-n) присутствует разрешающий сигнал от коммутатора 5, то импульсы поступают на вход 1 выходного усилителя 9.1 (9.2,...,9.n). Напряжение на выходе модулятора 8.1 (8.2,...,8.n) и соответственно на входе усилителя 9.1 (9.2,...,9-n)) нарастает и спадает плавно. Это происходит благодаря наличию в модуляторе 8.1 (8.2,...,8.n) интегрирующей цепочки.

Выходной усилитель (9.1,...,9.n) (фиг. 8) состоит из двух плеч. На вход одного плеча подаются импульсы, соответствующие положительной полярности выходного сигнала, а на вход другого - импульсы, соответствующие отрицательной полярности. Благодаря такой схеме на выходе усилителя можно получить монополярные импульсы положительной, отрицательной полярности, биполярные импульсы и колебания переменного тока. Одновременное присутствие импульсов на входе обоих плеч усилителя исключается программными средствами. В эмиттерные цепи выходных транзисторов включено сопротивление обратной связи. Напряжение обратной связи, пропорциональное току в эмиттерной, а следовательно, и в коллекторной цепи транзисторов, подается на элемент сравнения (который выполнен на операционном усилителе 140УД2А), где сравнивается с сигналом с выхода амплитудного модулятора. Сигнал рассогласования подается на базу транзистора. Таким образом, выходной усилитель работает как источник тока и сигнал в цепи пациента мало зависит от изменения нагрузки.

В процессе проведения процедуры оператор может скорректировать значения амплитуды тока в каждом канале. Изменение режимов синхронизации каналов, номера программы и продолжительности процедуры в состоянии "СТАРТ" заблокировано.

Для кратковременной приостановки процедуры необходимо нажать кнопку "ПАУЗА" в БКЛ 4. При этом включается соответствующий светодиод, генерация стимулирующих сигналов прекращается, таймер останавливается. При этом коды всех параметров сохраняются.

При повторном нажатии кнопки "СТАРТ" работа возобновляется. Благодаря наличию интегрирующих цепочек в выходных усилителях, ток в цепях пациента нарастает плавно, не создавая дискомфорта.

По окончании времени процедуры таймер обнуляется, ток в цепи пациента снижается до нуля, работа прекращается и стимулятор переходит в состояние "СТОП".

Процедура может быть прекращена в любой момент нажатием кнопки "СТОП". Ее нажатие вызывает обнуление всех параметров.

Изобретение используется в медицинской технике, в физиотерапии для проведения многоканальной электростимуляции пациентов. Электростимулятор содержит формирователь каналов, включающий контроллер, блок цифровой индикации, блок клавиатуры. Электростимулятор содержит также коммутатор каналов, блок питания и блок n-выходных каналов. Каждый из выходных каналов содержит амплитудный модулятор и выходной усилитель с выходными клеммами для подключения электродов. Электростимулятор позволяет проводить одновременно стимуляцию нескольких пациентов. 9 ил.

Электростимулятор, содержащий формирователь сигналов, включающий блок цифровой индикации, блок клавиатуры и контроллер, подключенный многоразрядной шиной ко входу коммутатора каналов устройства, блок питания и блок n выходных каналов с электродами, отличающийся тем, что каждый из n выходных каналов устройства содержит амплитудный модулятор, подключенный своим двухразрядным выходом к первому входу выходного усилителя с двумя выходными клеммами, для подключения электродов, первый вход амплитудного модулятора каждого канала подключен к соответствующему выходу контроллера, второй вход амплитудного модулятора каждого канала подключен к двухразрядному выходу контроллера, третий вход - к соответствующему выходу коммутатора каналов, а четвертый вход - к первому выходу блока питания, второй и третий входы выходного усилителя каждого канала подключены соответственно к первому и второму выходу блока питания, контроллер, блок цифровой индикации и блок клавиатуры связаны общей двунаправленной многоразрядной шиной, первые входы контроллера, блока цифровой индикации и коммутатора каналов соединены с первым выходом блока питания.