ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА Российский патент 2000 года по МПК A61N1/36 

Изобретение относится к медицине и ветеринарии, а именно к электростимуляторам желудочно-кишечного тракта.

Известен электростимулятор желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы [1, 2].

Известный электростимулятор ЖКТ работает следующим образом.

Электростимулятор вводится в желудочно-кишечный тракт пациента и при контакте с содержимым ЖКТ или его слизистой оболочкой генератор импульсов автоматически включается в работу, вырабатывая прямоугольные импульсы, разделенные промежутками пауз в соответствии с заданной временной диаграммой. В известных технических реализациях электростимуляторов ЖКТ [3] ток от генератора импульсов поступает в организм в течение прохождения импульсов, вызывая возбуждение нервных окончаний и производя стимулирующее воздействие на организм, причем во время пауз выходной ток отсутствует, а выход генератора импульсов находится в высокоимпедансном состоянии.

При работе известного электростимулятора имеет место ряд негативных явлений. Первый и второй электроды электростимулятора поляризуются внутри ЖКТ биологического объекта в результате протекания тока через раствор электролита организма между указанными электродами. Поляризация электродов проявляется в том, что даже при большой длительности паузы между импульсами, составляющей единицы секунд, между электродами сохраняется значительная разность потенциалов U_p. Например, для известных реализаций серийно выпускаемого электростимулятора ЖКТ с электродами, изготовленными из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т ГОСТ 4986-79, величина U_p может составлять от 0,58 до 2,6 В в зависимости от состава и концентрации раствора электролита живого организма.

Поляризация электродов оказывает негативное влияние на функционирование электростимулятора. Напряжение поляризации U_p вычитается из напряжения источника питания, приводя к неконтролируемому уменьшению в различных отделах ЖКТ амплитуды тока во время прохождения импульса и ослаблению стимулирующего воздействия.

Эффект поляризации электродов и возникновение напряжения поляризации U_p приводит также к существенным ограничениям в выборе материала, из которого могут быть изготовлены электроды электростимулятора. Так, именно высокий потенциал поляризации заставил первых конструкторов автономных электростимуляторов отказаться от титана в качестве материала для электродов [4].

Поляризация электродов не позволяет иметь напряжение источника питания ниже напряжения поляризации U_p. Тем самым использование двух гальванических элементов в известном электростимуляторе проблематично, а использование одного гальванического элемента не приводит к желаемому эффекту, что не позволяет снизить себестоимость изделия и повысить его надежность.

Внутри желудочно-кишечного тракта человека или животного в процессе функционирования известного электростимулятора ЖКТ - прототипа - происходит активное электрохимическое растворение материала одного из электродов, являющегося анодом, сопровождаемое потемнением поверхности и коррозией, как правило, существенно неоднородной по поверхности этого электрода. На катоде электростимулятора происходит выделение водорода, пузырьки которого можно визуально наблюдать в лабораторных условиях. Для известных реализаций серийно выпускаемого электростимулятора желудочно-кишечного тракта электроды изготавливаются из нержавеющей стали. При анодном растворении такого электрода в среду желудочно-кишечного тракта переходит не контролируемое количество ионов металлов, которые затем, всасываясь через стенки ЖКТ, попадают в кровь. В результате может наступить нарушение обмена микроэлементов в виде накопления их в организме - гипермикроэлементоз.

Целью настоящего изобретения является подавление эффекта поляризации электродов при работе электростимулятора внутри желудочно-кишечного тракта человека или животного для устранения анодного растворения и коррозии электродов электростимулятора и исключения гипермикроэлементоза в живом организме вследствие работы электростимулятора ЖКТ, а также расширения возможностей конструирования подобных приборов в плане выбора материала электродов и уменьшения количества гальванических элементов питания.

Эта цель достигается тем, что в электростимулятор желудочно-кишечного тракта, включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы, введен ключевой элемент, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды во время пауз.

Для пояснения сущности данного изобретения вначале рассмотрим злектрофизические механизмы поляризации электродов в среде водного раствора электролита и анодного растворения материала электрода в этой среде при работе электростимулятора ЖКТ - прототипа.

Эквивалентная электрическая схема замещения электродной системы электростимулятора (ЭС) в среде водного раствора электролита [5] представлена на фиг. 1. На фиг. 1 обозначено: Э1, Э2 - точки подключения первого и второго электродов ЭС; Relv - сопротивление раствора электролита в объеме; C1, C2 - конденсаторы, моделирующие емкостные свойства двойного электрического слоя (ДЭС), возникающего на границе раздела двух сред "металлический электрод - раствор электролита"; D1, D2 - нелинейные резистивные элементы, моделирующие вольтамперные характеристики контактов "металлический электрод - раствор электролита".

Вольтамперные характеристики (ВАХ) элементов D1 и D2 соответствуют поляризационным кривым электродов ЭС, изготовленных из данного материала, в данном водном растворе электролита. Возможный вид поляризационных кривых электродов ЭС, то есть зависимость тока электрода I в функции напряжения "электрод - раствор" U, приведен на фиг. 2, где как на положительной (ОА), так и отрицательной (ВО) ветвях ВАХ имеются участки, на которых так называемый "остаточный" ток очень мал. Наличие таких участков связывают с наличием потенциального барьера на границе раздела сред "металлический электрод - раствор электролита". Электрический ток через границу раздела сред начинает протекать только тогда, когда напряжение на ДЭС анода превышает значение U_a, а напряжение на ДЭС катода сказывается ниже значения - U_b. Протекание тока через границу раздела сред "металлический электрод - раствор электролита" сопровождается протеканием электрохимической реакции, выход которой подчиняется закону Фарадея, в соответствии с которым количество образовавшихся продуктов реакции прямо пропорционально протекающему через электрохимическую ячейку количеству электричества. В связи с чем принято условно называть этот ток "фарадеевским" током, а перенесенный им заряд "фарадеевским" зарядом. На эквивалентной электрической схеме замещения электродной системы электростимулятора фарадеевским током является ток, протекающий через нелинейные резистивные элементы D1 и D2.

При подаче внешнего напряжения между электродами Э1 и Э2, находящимися в растворе электролита, в электрической цепи начинает протекать ток, который в начале процесса расходуется почти весь на заряд емкостей двойного электрического слоя C1 и C2. Ток проводимости через границу раздела сред крайне мал до тех пор, пока ДЭС вблизи данного электрода не зарядится до некоторого критического напряжения, соответствующего началу определенной электрохимической реакции. В данном случае для анода это напряжение U_a, а для катода это напряжение -U_b.

Значение тока на участках поляризационной кривой ВО и ОА настолько мало, что даже при значительной длительности паузы между импульсами (единицы секунд) очень большая емкость ДЭС не может существенно разрядиться. Поэтому в стационарном режиме работы непосредственно после прохождения очередного импульса от генератора импульсов ДЭС анода оказывается заряжен до напряжения выше +U_a, а ДЭС катода - до напряжения ниже -U_b. При длительной паузе разность потенциалов на каждой из ДЭС спадает до значений, примерно равных U_a на аноде и - U_b на катоде, а разность потенциалов между электродами электростимулятора ЖКТ - прототипа - спадает до значения напряжения поляризации U_p, составляющего величину, равную сумме указанных потенциалов U_p = U_a + U_b.

Таким образом, разность потенциалов на каждой из ДЭС первого и второго электрода при работе электростимулятора ЖКТ - прототипа - в растворе электролита не может упасть ниже определенного потенциала поляризации в данной среде. При этом потенциалы поляризации при установившемся режиме работы электростимулятора являются как бы "пьедесталом", начиная с которого происходит изменение напряжения на двойных электрических слоях при прохождении следующего импульса. Следовательно, электроды электростимулятора при этом постоянно находятся в "активных" частях своих поляризационных кривых, а именно левее точки "B" (фиг. 2) для катода и правее точки "A" для анода. Поэтому не только при прохождении импульсов тока от генератора импульсов, но и в паузах между импульсами между электродами электростимулятора сохраняется некоторая разность потенциалов за счет заряда на конденсаторах C1 и C2, а через нелинейные резистивные элементы D1 и D2 продолжает постоянно протекать некоторый фарадеевский ток, сопровождаемый процессами электрохимических реакций вблизи электродов. Отсюда следует вывод, что весь электрический заряд, переносимый током, вырабатываемым генератором импульсов, является фарадеевским зарядом и полностью расходуется на катодную и анодную электрохимические реакции. На катоде протекание фарадеевского тока вызывает выделение водорода, пузырьки которого всегда наблюдаются визуально при работе электростимулятора ЖКТ - прототипа, а на аноде имеет место растворение материала электрода и его окисление.

В отличие от электростимулятора ЖКТ - прототипа, новым в предлагаемом электростимуляторе ЖКТ является добавление в устройство некоторого ключевого элемента, закорачивающего электроды во время отсутствия импульсов тока от генератора, то есть во время пауз между импульсами. Закорачивание электродов в течение паузы приводит к быстрому разряду конденсаторов C1 и C2, отображающих емкостные свойства двойного электрического слоя на границе раздела сред "металлический электрод - раствор электролита", в результате чего практически полностью подавляется электрохимическая поляризация электродов и связанные с ней негативные последствия.

Технический результат выражается в практически полном подавлении поляризации электродов при работе предлагаемого электростимулятора ЖКТ, отсутствии выделения водорода на катодном электроде, практически полном исключении растворения материала анодного электрода и его окисления и, как следствие, исключении гипермикроэлементоза в организме человека или животного при электрической стимуляции ЖКТ. В дополнение к этому, использование указанного предложения позволяет существенно расширить диапазон конструкторских решений электростимуляторов в плане выбора материала электродов и необходимого напряжения питания. Указанное предложение, позволяющее подавить эффекты поляризации электродов, может быть использовано при конструировании электростимуляторов различных органов человека и животных (не только желудочно-кишечного тракта), а также при конструировании биоэлектрических датчиков.

На фиг. 1 изображена эквивалентная электрическая схема замещения электродной системы электростимулятора ЖКТ в среде водного раствора электролита.

На фиг. 2 изображен вид поляризационной кривой электродов электростимулятора.

На фиг. 3 изображена структурная схема электростимулятора ЖКТ, включающая источник питания ИП, генератор импульсов ГИ, первый электрод Э1, второй электрод Э2 и ключевой элемент КЭ, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды Э1 и Э2 во время паузы между импульсами.

Ключевой элемент имеет основные выводы 1, 3 и входной вывод 2, по которому осуществляется управление. При поступлении управляющего сигнала на вывод 2 ключевого элемента с выхода 2 генератора импульсов сопротивление ключевого элемента между его основными выводами 1 и 3 мало, в результате чего этот элемент закopaчивает электроды Э1 и Э2 электростимулятора. При отсутствии управляющего сигнала на вывод 2 с выхода 2 генератора импульсов сопротивление ключевого элемента между его основными выводами 1 и 3 велико и ключевой элемент не оказывает влияния на прохождение импульса стимулирующего тока с выхода 1 генератора импульсов на электрод Э1. В качестве ключевого элемента может быть использован любой известный электронный управляемый элемент, например полевой или биполярный транзистор.

Электростимулятор желудочно-кишечного тракта работает следующим образом. Электростимулятор вводится в организм человека или животного одним из известных способов. При контакте с содержимым желудочно-кишечного тракта или его слизистой оболочкой генератор импульсов электростимулятора автоматически включается в работу, вырабатывая импульсы тока, разделенные промежутками пауз в соответствии с заданной временной диаграммой, такой же как и для электростимулятора ЖКТ - прототипа.

Импульсы тока с выхода 1 генератора импульсов подаются на электрод Э1, вызывая стимулирующее воздействие. В течение этой фазы управляющий сигнал с выхода 2 генератора импульсов отсутствует, сопротивление ключевого элемента между его основными выводами 1 и 3 велико и ключевой элемент не оказывает влияния на прохождение импульса стимулирующего тока на электрод Э1. В течение промежутка паузы импульсы тока с выхода 1 генератора импульсов отсутствуют. В этой фазе работы электростимулятора с выхода 2 генератора импульсов на вывод 2 ключевого элемента подается сигнал управления. Ключевой элемент переходит в низкоимпедансное состояние, закорачивая электроды Э1 и Э2, тем самым, как было показано выше, подавляя поляризацию электродов и ликвидируя связанные с ней негативные последствия.

Экспериментальные исследования работы лабораторных образцов в различных исследовательских жидкостях - кислых средах, водных растворах HCl различной концентрации, желудочных соках человека с повышенной и пониженной кислотностью, а также желчи - показали, что применение предлагаемого данным изобретением электростимулятора ЖКТ практически исключает электрохимическое растворение материала электродов. При этом внешний вид анода и прозрачность раствора оставались практически без изменений в течение нескольких суток работы электростимулятора в растворах различных электролитов. Выделение водорода на катодном электроде электростимулятора не наблюдалось. У контрольных образцов электростимулятора ЖКТ - прототипа - при проведении подобных исследований катод через несколько минут покрывался пузырьками выделяющегося водорода, а анод за время эксперимента приобретал бурую окраску и значительно корродировал, причем раствор приобретал соответствующую окраску из-за растворения в нем ионов металлов.

Использование предлагаемого устройства благодаря подавлению эффектов поляризации электродов практически исключает анодное растворение и коррозию материала электродов, что позволяет исключить или существенно снизить вероятность гипермикроэлементоза в организме человека или животного при проведении электрической стимуляции ЖКТ. Использование указанного предложения позволяет существенно расширить диапазон конструкторских решений электростимуляторов в плане выбора материала электродов и необходимого напряжения питания. Подобное решение подавления поляризации электродов может быть использовано при конструировании электростимуляторов различных органов человека и животных (не только ЖКТ), а также при конструировании биоэлектрических датчиков.

Библиографические данные источников информации
1. Авт. свид. N 936931, заявлено 25.01.80. Пекарский В.В., Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Кобозев В.И., Попов О.С. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта.

2. Патент N 936931 на изобретение "Электростимулятор желудочно-кишечного тракта". Пекарский В.В., Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Кобозев В.И., Попов О.С. Приоритет изобретения 25 января 1980 г.

3. Кокорин В.В., Чарыков Н.А. Автономные электростимуляторы желудочно-кишечного тракта и слизистых оболочек (обзор). В сб. "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)": Материалы докл.науч.-техн.семинара (Москва. 2 - 5 декабря 1996 г.). - М.: МНТОРЭС" им. А.С. Попова, МЭИ, 1997, с.426 - 433.

4. Пекарский В.В., Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Попов О.С., Мартусевич А.Г. Автономные электростимуляторы организма человека и животных. - Томск: Изд-во ТПУ, 1995.

5. Фрумкин А.Н. и др. Кинетика электродных процессов. - М.: Изд-во МГУ, 1952.

Изобретение относится к медицине и ветеринарии, а именно к электростимуляторам желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Предлагается электростимулятор ЖКТ, включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы. В него введен ключевой элемент, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды во время пауз. Использование предлагаемого устройства благодаря подавлению эффектов поляризации электродов практически исключает анодное растворение и коррозию материала электродов, что позволяет исключить возникновение гипермикроэлементоза в организме человека или животного при проведении электрической стимуляции ЖКТ. Использование указанного предложения позволяет существенно расширить диапазон конструкторских решений электростимуляторов в плане выбора материала электродов и необходимого напряжения питания. 3 ил.

Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы, отличающийся тем, что в него введен ключевой элемент, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды во время пауз.