СПОСОБ НЕЙРОМЫШЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ И ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР Российский патент 2004 года по МПК A61N1/36 

Заявляемая группа изобретений относится к области медицины, в частности к физиотерапевтическим методам и средствам, и может быть использована для создания средств профилактической физиотерапии, применяемых в домашних условиях.

Известным средством физиотерапевтического воздействия на организм человека является нейромышечная электростимуляция путем воздействия на организм электрическим током с помощью накладываемых на тело пластинчатых электродов [1] . При нейромышечной электростимуляции (синонимы: электромиостимуляция, гальванизация или стимуляция токами низкого напряжения и низкой частоты) на участок тела пациента накладывают электроды, чаще всего - металлические пластинчатые с обращенными к поверхности тела токопроводящими электролитными прокладками, с помощью которых от электрического генератора через стимулируемый участок тела пропускают электрический ток с заданными параметрами.

Известно использование в физиотерапевтической практике так называемых гидроэлектрических ванн [2] , которые позволяют осуществлять электростимуляцию отдельных участков тела. Реализуемый в указанных ваннах способ стимуляции заключается в том, что на погруженные в воду конечности через размещенные в ванне электроды подают постоянный (гальванический) или импульсный ток. В однокамерных ваннах конечность пациента погружают в водяную ванночку, содержащую один электрод, а другой (пластинчатый) электрод накладывают на непогруженный в воду участок тела пациента. В двухкамерных гидроэлектрических ваннах руки или ноги пациента погружают в две водяные ванночки, содержащие разноименные электроды, не имеющие непосредственного контакта с телом человека.

Указанный способ электромиостимуляции [2] является наиболее близким к заявляемому и выбран в качестве его прототипа.

Способ-прототип заключается в том, что конечности пациента (руки или ноги) погружают в соответствующие две наполненные водой емкости, в каждой из которых размещено по одному металлическому электроду. Электроды подключены к разноименным выходным полюсам источника стимулирующего тока. После погружения конечностей пациента в указанные емкости с водой включают стимулирующий ток, который проходит от одного полюса источника тока к другому по цепи, образованной последовательно включенными: первым электродом, слоем воды в первой емкости, погруженной в воду частью первой конечности пациента, стимулируемым участком тела пациента, погруженной в воду частью второй конечности пациента, слоем воды во второй емкости и вторым электродом. Параметры стимулирующего тока (сила тока, частота, форма импульсов и пр.) устанавливают в зависимости от целей электростимуляции: достижение анальгезирующего эффекта, тетанических сокращений мышц и др.

Способ-прототип является средством лечебной или корригирующей физиотерапии, ориентированным на работу с ограниченными группами мышц, и не может быть использован в качестве эффективного средства электромассажа всех мышечных групп, представленных на поверхности тела человека.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа электростимуляции как электромассажной физиотерапевтической процедуры, лишенного указанного недостатка.

Сущность заявляемого способа нейромышечной электростимуляции заключается в том, что на погруженную в воду часть тела человека воздействуют электрическим током через подключенные к источнику тока пластинчатые электроды, разделенные слоем диэлектрика и размещаемые в воде преимущественно взаимно параллельно в непосредственной близости от стимулируемого участка тела без непосредственного механического контакта с ним.

При осуществлении способа в указанной совокупности признаков линии электрического тока, протекающего между пластинчатыми электродами, замыкаются не только через воду, в которую погружено тело человека, но частично и через его тело. В результате через погруженную в воду часть тела человека проходит электрический ток, который вызывает стимулирующий эффект.

В частном случае реализации заявляемого способа управление величиной тока, протекающего через погруженную в воду часть тела человека, выполняют по ощущениям массажируемого субъекта путем изменения расстояния между поверхностью тела и электродами и/или углового положения электродов относительно поверхности стимулируемой части тела. Благодаря этому обеспечивается возможность регулировки стимулирующего эффекта только путем изменения взаимного расположения электродной пары относительно стимулируемого участка тела, что чрезвычайно удобно.

Сущность заявляемой группы изобретений поясняется графическими материалами, на которых изображены:
фиг.1 - картина линий тока, создаваемого электродной парой в воде вблизи погруженного участка тела человека при параллельном расположении плоскостей электродов к поверхности тела человека;
фиг. 2 - то же, при ортогональном расположении плоскостей электродов к поверхности тела человека;
фиг.3 - конструкция заявляемого электростимулятора;
фиг. 4 - пример применения заявляемого электростимулятора для выполнения процедуры нейромышечной стимуляции в ванне.

Заявляемый способ (см. фиг.1) осуществляют следующим образом. В воду 1 погружают тело или часть тела человека. Вблизи от поверхности 2 тела (кожи), разделяющей ткани 3 тела и воду 1, размещают пару электродов 4 и 5, разделенных слоем диэлектрика 6, и пропускают через них электрический ток от генератора стимулирующего тока (на фиг.1 не показан). Поскольку электроды 4 и 5 разделены слоем диэлектрика 6, имеющего электрическую проводимость, близкую к нулю, линии 7 электрического тока, протекающего между электродами 4 и 5, замыкаются через воду 1, электрическая проводимость которой отлична от нуля. При этом часть линий 7 электрического тока замыкается через ткани 3 тела человека. Замыкающиеся через ткани 3 тела человека линии 7 электрического тока и являются тем стимулирующим током, который вызывает эффект нейромышечной стимуляции. Чем ближе электроды 4 и 5 к поверхности 2 тела, тем большая часть линий 7 электрического тока проходит через ткани 3 тела, и, следовательно, тем сильнее эффект нейромышечной стимуляции. Поскольку картина распределения линий 7 тока обладает круговой симметрией относительно нормали к поверхности электродов 4 и 5, такая взаимная ориентация поверхности 2 тела и электродов 4 и 5 соответствует тому случаю, когда уровень стимулирующего тока достигает своего максимального значения для принятого расстояния между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5.

Изменение ориентации электродов 4 и 5 по отношению к поверхности 2 тела приводит к тому, что все меньшая часть протекающего через электроды 4 и 5 полного электрического тока замыкается через ткани 3 тела. На фиг.2 показан случай, когда поверхности электродов 4 и 5 ортогональны к поверхности 2 тела. При этом кратчайшее расстояние между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5 определяется минимальным по длине участком периметра электродов 4 и 5. В результате уровень стимулирующего тока достигает своего минимального значения для данного расстояния между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5.

Таким образом, изменяя расстояние между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5 и/или углового положения электродов 4 и 5 относительно поверхности 2 стимулируемой части тела, можно менять силу протекающего через ткани 3 тела стимулирующего тока, регулируя тем самым уровень стимулирующего воздействия. Эти действия осуществляет сам пациент на основании своих ощущений.

Вторым объектом заявляемой группы изобретений является нейромышечный стимулятор - устройство, реализующее заявляемый способ.

Схемотехнические решения известных электростимуляторов весьма разнообразны, а их конструкции по эксплуатационным характеристикам могут быть разделены на две группы: стационарные приборы и портативные. Составляющие более многочисленную группу стационарные приборы, как правило, имеют большие возможности в части установок и регулировок параметров стимулирующего тока, в том числе известны электростимуляторы с компьютерным управлением [2-9]. Такие приборы используются как средства для осуществления физиотерапевтических процедур в специальных кабинетах под наблюдением врача. Группа портативных приборов менее многочисленна. Эти приборы предполагают их использование для выполнения процедур электростимуляции или параллельно с повседневной деятельностью человека или в качестве средства коррекции его движений [10]. В связи с указанными особенностями использования в портативных электростимуляторах, как правило, предусмотрена возможность установки первоначальных параметров стимулирующего тока, и отсутствуют органы управления для изменения этих параметров в процессе работы стимулятора. Исключение составляет электростимулятор [10], который снабжен специальными датчиками, чувствительными к движениям человека и управляющими временными параметрами стимулирующего тока. Поскольку заявляемый электростимулятор также относится к группе портативных приборов и имеет с известным электростимулятором [10] сходные характеристики управления параметрами стимулирующего тока, то последний выбран в качестве прототипа.

Электростимулятор-прототип содержит корпус, внутри которого размещен генератор стимулирующего тока с автономным источником питания. Генератор связан с датчиками, находящимися вне корпуса электростимулятора и чувствительными к углу поворота определенных суставов конечностей человека, а также соединен с находящимися вне корпуса электростимулятора эластичными электродами. Электроды и датчики закрепляются на теле пациента специальными манжетами.

Работа электростимулятора-прототипа осуществляется следующим образом. При выполнении человеком механических движений, например, при ходьбе, происходит поворот в суставах, связывающих различные отделы конечностей человека. Углы поворота этих суставов фиксируются установленными на теле датчиками, которые формируют соответствующие сигналы, поступающие на генератор стимулирующего тока. В зависимости от установленных значений указанных углов поворота суставов генератор стимулирующего тока формирует ток с соответствующими исходно заданными параметрами. Этот ток поступает на электроды, установленные на теле человека в непосредственной близости от тех мышц, которые необходимо стимулировать для выполнения требуемых двигательных актов. С электродов через кожный покров стимулирующий ток поступает в выбранную группу мышц и вызывает их сокращение в соответствии с необходимым режимом стимуляции.

Недостаток устройства-прототипа заключается в том, что он не может быть использован в качестве инструмента для выполняемых в воде физиотерапевтических массажных процедур всех представленных на поверхности тела человека мышечных групп.

Сущность изобретения заключается в следующем. Аналогично прототипу заявляемый электростимулятор содержит корпус с размещенным в нем генератором тока и пластинчатые выходные электроды. В отличие от прототипа корпус электростимулятора выполнен герметичным, изготовлен из диэлектрического материала и снабжен рукояткой для его удержания в руке, а выходные электроды размещены на противоположных поверхностях корпуса.

Благодаря указанной совокупности признаков при работе электростимулятора в воде создаются условия, при которых электрические линии тока замыкаются во внешней по отношению к выходным электродам области, и одновременно путем изменения расстояния между телом пациента и выходными электродами и/или путем изменения углового положения электродов относительно поверхности тела обеспечивается возможность самостоятельной регулировки человеком стимулирующего воздействия, притом, что этому воздействию может быть подвергнут любой участок погруженной в воду части его тела.

Заявляемый электростимулятор 8 (см. фиг.3) содержит выполненный из диэлектрического материала герметичный корпус 9, внутри которого размещен генератор 10 стимулирующего тока. Генератор 10 электрически связан с двумя металлическими пластинчатыми электродами 4 и 5, закрепленными на двух противоположных стенках корпуса 9. Корпус 9 снабжен рукояткой 11 для удержания стимулятора 8 в руке самим пользователем во время проведения процедуры стимуляции.

Электростимулятор 8 работает следующим образом. При включении генератор 10 начинает вырабатывать электрический ток установленной величины и формы. При этом ток может иметь любую необходимую форму, в частности, по физиологическим основаниям предпочтительной следует считать последовательность амплитудно-модулированных импульсов. Сформированный генератором 10 электрический ток подводится к электродам 4 и 5 и через них поступает в окружающую электростимулятор воду 1 (см. фиг.1). Поскольку корпус 9 стимулятора 8 выполнен из диэлектрика, а проводимость воды 1 отлична от нуля, то окружающая электростимулятор 8 вода 1 является тем проводящим электрический ток участком, через который замыкается цепь электрического тока генератора 10 и на котором выделяется развиваемая генератором 10 электрическая мощность. При расположении электростимулятора 8 вблизи поверхности погруженного в воду тела человека (см. фиг.4) часть линий тока проходит не только через воду, но и через ткани тела. Особенно отчетливо это проявляется при погружении тела в пресную воду, когда электрическая проводимость тканей тела оказывается больше электрической проводимости воды. При этом плотность тока в замыкающихся через ткани тела линиях оказывается достаточной для проявления эффектов мышечного сокращения, т.е. для эффектов электростимуляции. Степень проявления этих эффектов (уровень протекающего через тело электрического тока) человек регулирует самостоятельно, удерживая электростимулятор 8 в руке за рукоятку 11 и удаляя или приближая электростимулятор 8 к поверхности тела или изменяя ориентацию корпуса 9 по отношению к поверхности тела.

С целью опытной проверки заявляемой группы изобретений был изготовлен и испытан образец электростимулятора, имеющий следующую конструкцию. Корпус электростимулятора выполнен из пластмассы. На противоположных сторонах корпуса установлены электроды из нержавеющей стали площадью порядка 80 см². Генератор стимулирующего тока выполнен с возможностью формирования амплитудно-модулированной последовательность импульсов длительностью 0,5 мс с периодом следования 10 мс. Частота модуляции регулировалась в пределах 0,3-2 Гц, максимальная амплитуда импульса в режиме холостого хода составляла 30 В, внутреннее сопротивление генератора - порядка 150 Ом.

Испытания образца стимулятора, которые проводились в бассейне с пресной водой на большом количестве пациентов разных возрастов и разного уровня физической подготовки, подтвердили работоспособность заявляемого способа нейромышечной электростимуляции и реализующего этот способ электростимулятора, а также достижение указанного результата. При этом был отмечен весьма высокий физиотерапевтический эффект проводимой в воде нейромышечной электростимуляции. Все пациенты ощущали значительное повышение тонуса подвергнувшихся электростимуляции мышечных групп, а также чрезвычайно положительное психоэмоциональное воздействие процедуры подводного электромассажа.

Таким образом, заявляемая группа изобретений решает поставленную техническую задачу обеспечения возможности использования электростимуляции в качестве электромассажной физиотерапевтической процедуры.

Дополнительным преимуществом заявляемых изобретений следует считать комплексный характер проводимых процедур. Это проявляется в сочетании воздействия на организм человека эффектов водной процедуры, связанной с погружением всего тела в воду (купания), и нейромышечной электростимуляции. Также важно, что нейромышечная стимуляция может производиться в условиях гидростатической невесомости тела человека, т.е. в условиях практически полностью расслабленных мышц. Это резко повышает физиологическую эффективность стимуляции.

Важными особенностями заявляемых изобретений являются также полное исключение опасности получения человеком термических ожогов кожи, которая обычно сопровождает традиционную электростимуляцию с использованием накладных электродов, и опасности передозировки электростимулирующих воздействий, что обеспечивается эффективной обратной связью за счет саморегулирования человеком уровня стимулирующего воздействия на основе своих ощущений.

Источники информации
1. Электростимуляция - новые возможности / М.Ю.Герасименко, Е.Ф.Филатова, Н.Н.Лазаренко // Конференция "Биомедприбор - 2000".

2. Справочник по физиотерапии. - М., 1976, с. 54-55 (прототип способа).

3. Патент США 5922012, кл. А 61 N 1/04, А 61 N 1/32, 13.07.99.

4. Патент США 5961542, кл. А 61 N 1/36, 05.10.99.

5. Патент США 5974342, кл. А 61 N 1/36, 26.10.99.

6. А.с. СССР 1678388, кл. А 61 N 1/36, 23.09.91, бюл. 35.

7. Патент РФ 2062125, кл. А 61 N 1/36, 20.06.96, бюл. 17.

8. Патент РФ 2121380, кл. А 61 N 1/36, 10.11.98, бюл. 31.

9. Патент РФ 2128529, кл. А 61 N 1/36, 10.04.99, бюл. 10.

10. Метод и устройство программируемой электростимуляции мышц при патологической ходьбе / А.С.Витензон, А.М.Буровой // Конференция "Биомедприбор - 2000" (прототип электростимулятора).

Изобретение относится к медицине, в частности к методам и средствам профилактической физиотерапии. Электростимуляция осуществляется в воде при полном погружении человека или большей части его тела в воду. Уровень стимуляции регулируется самим пациентом путем изменения расстояния между стимулируемым участком тела и стимулятором. Электростимулятор выполнен в виде портативного прибора, имеющего герметичный корпус с металлическими пластинчатыми электродами на его противоположных поверхностях, и снабжен рукояткой для его удержания в руке самим пациентом. Достигается высокая эффективность физиотерапевтического воздействия, простота и комфортность процедуры, а также полная электрическая безопасность, что делает способ применимым в бытовой физиотерапии. Испытания показали высокий электромассажный и психоэмоциональный эффект, сравнимый с эффектом гидромассажной ванны. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ нейромышечной электростимуляции, заключающийся в воздействии на погруженную в воду часть тела человека электрическим током, отличающийся тем, что воздействие электрическим током осуществляют через пластинчатые электроды, подключенные к источнику тока и разделенные слоем диэлектрика, при этом электроды погружают в воду преимущественно взаимно параллельно и размещают их в непосредственной близости от поверхности стимулируемого участка тела без непосредственного механического контакта с ним.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину тока, протекающего через погруженную в воду часть тела человека, регулируют по ощущениям пациента путем изменения расстояния между поверхностью тела и электродами и/или углового положения электродов относительно поверхности стимулируемой части тела.3. Электростимулятор, содержащий корпус, внутри которого размещен генератор тока, к которому подключены пластинчатые электроды, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным из диэлектрического материала, а пластинчатые электроды закреплены на двух противоположных поверхностях корпуса, который снабжен рукояткой.