ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА Российский патент 2004 года по МПК A61N1/36 

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

Известен электростимулятор желудочно-кишечного тракта, содержащий диэлектрическую втулку, на которой закреплены два чашеобразных электрода, образующие герметичную капсулу, размещенную в ней схему генератора стимулирующих импульсов, включающую генератор прямоугольных импульсов, первый делитель частоты, связанный через выходное устройство с первым ограничительным резистором, и подключенный к ней источник питания [1].

Данный электростимулятор взят нами за прототип.

Недостатками электростимулятора-прототипа является стимуляция пищеварительного тракта наперед заданными, некоторыми усредненными для всего желудочно-кишечного тракта параметрами электрических импульсов, что приводит к несоответствию между стимулирующими параметрами и истинной электрической и моторной активностью различных отделов ЖКТ.

Известно, что в основе моторной деятельности ЖКТ лежат свойства гладкомышечных клеток спонтанно сокращаться и отвечать сокращением на раздражение. Спонтанная активность гладких мышц является прирожденным свойством и обусловлена периодической деполяризацией мембраны клеток в виде циклического процесса. Циклические ионные сдвиги и изменения уровня мембранного потенциала приводят к ритмичному появлению медленных электрических волн, возникновению на их плате потенциалов действия и мышечному сокращению [2]. Причем частота медленных электрических волн совпадает с частотой сокращений желудочно-кишечного тракта, а пусковым фактором сокращений являются потенциалы действия, возникающие на плато медленных электрических волн. Известно также, что ритм перистальтики желудка составляет 3 волны в минуту, а ритм перистальтики кишечника - 6 волн в минуту [3]. Таким образом, схема генератора стимулирующих импульсов должна выдавать на электроды электростимулятора серии импульсов, соответствующих спонтанной активности гладких мышц стимулируемого отдела желудочно-кишечного тракта.

Введение в электростимулятор таймера, позволяющего по временным интервалам менять значения стимулирующих параметров не оправдано, так как известно, что времена нахождения электростимулятора-прототипа в различных отделах желудочно-кишечного тракта варьируются в очень широких пределах [4]. Известно также, что токовый порог возбудимости различных отделов ЖКТ различен. Он значительно выше для желудка, чем для тонкого кишечника [5]. Известно также, что электрическая стимуляция током выше токового порога возбудимости не только не повышает силу сокращения мышц, а наоборот, снижает ее [6].

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности электростимуляции путем создания электростимулятора с максимально приближенными для различных отделов ЖКТ параметрами стимулирующих импульсов.

Достигается эта задача двумя вариантами выполнения электростимулятора желудочно-кишечного тракта.

Первый вариант. В электростимуляторе желудочно-кишечного тракта, содержащим диэлектрическую втулку, на которой закреплены два чашеобразных электрода, образующие герметичную капсулу, размещенную в ней схему генератора стимулирующих импульсов, включающую генератор прямоугольных импульсов, первый делитель частоты, связанный через выходное устройство с первым ограничительным резистором, и подключенный к ней источник питания, один из чашеобразных электродов покрыт индифферентным изоляционным материалом, с возможностью растворения его в средах желудочно-кишечного тракта, дополнительный электрод расположен на диэлектрической втулке между чашеобразными электродами, электрически изолирован от них и соединен с отрицательным полюсом источника питания, при этом выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом первого канала управляемых электронных ключей, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым делителем частоты, при этом выход второго делителя частоты через выходное устройство также подключен к первому ограничительному резистору, соединенному со входом второго канала управляемых электронных ключей, первый выход которого соединен с чашеобразным электродом, второй выход через второй ограничительный резистор - с чашеобразным электродом покрытым индифферентным изоляционным материалом, соединенным с сигнальным входом выходного устройства, сигнальный выход которого соединен с соответствующими входами разрешения прохождения сигнала первого и второго каналов управляемых электронных ключей;

Данный вариант поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и на фиг. 2: фиг. 1 - электростимулятор предлагаемой конструкции в разрезе; фиг. 2 - функциональная схема электростимулятора.

На фиг. 1:

1, 2 - чашеобразные электроды;

3 - герметичная капсула;

4 - диэлектрическая втулка;

5 - схема генератора стимулирующих импульсов;

9 - источник питания, "-"- отрицательный полюс источника питания;

10 - индифферентный изоляционный материал;

11 - дополнительный электрод.

На фиг.2:

1, 2 - чашеобразные электроды;

5 - схема генератора стимулирующих импульсов;

6 - генератор прямоугольных импульсов;

7 - первый делитель частоты;

8 - выходное устройство;

9 - источник питания, "-" - отрицательный полюс источника питания;

11 - дополнительный электрод;

12 - второй делитель частоты;

13-1 - первый канал управляемых электронных ключей;

13-2 - второй канал управляемых электронных ключей;

R1 - первый ограничительный резистор;

R2 - второй ограничительный резистор;

Z1, Z2 - сопротивления сред и слизистых оболочек различных отделов желудочно-кишечного тракта (желудка и тонкого кишечника соответственно).

Электростимулятор желудочно-кишечного тракта (фиг. 1) выполнен в виде лекарственной капсулы 3, состоящей из диэлектрической втулки 4, на которой крепятся два чашеобразных электрода 1, 2 и дополнительный электрод 11, соединенный с отрицательным полюсом источника питания 9. Чашеобразный электрод 2 покрыт индифферентным изоляционным материалом 10, растворяющимся в средах желудочно-кишечного тракта. Внутри лекарственной капсулы 3 расположены схема генератора стимулирующих импульсов 5, соединенная с чашеобразными электродами 1 и 2 и источник питания 9 для нее.

В схеме генератора стимулирующих импульсов 5 (фиг. 2) выход генератора прямоугольных импульсов 6 соединен с входом первого канала управляемых электронных ключей 13-1, первый выход которого через первый делитель частоты 7 соединен с входом выходного устройства 8, второй выход через второй делитель частоты 12 также соединен с входом выходного устройства 8. Выход выходного устройства соединен с входом второго канала управляемых электронных ключей 13-2 через первый ограничительный резистор R1, первый выход которого соединен с чашеобразным электродом 1, а второй выход через второй ограничительный резистор R2 соединен с чашеобразным электродом 2 покрытым индифферентным изоляционным материалом и с сигнальным входом выходного устройства 8, сигнальный выход которого соединен с входами разрешения прохождения сигнала обеих каналов управляемых электронных ключей 13-1 и 13-2.

Работает электростимулятор желудочно-кишечного тракта следующим образом.

При попадании электростимулятора в проводящую среду желудка сигнал на входе разрешения прохождения сигнала первого канала управляемых электронных ключей 13-1 отсутствует, при этом его вход соединен с первым выходом (вход и второй выход разомкнуты) и электрические импульсы от генератора прямоугольных импульсов 6 поступают на вход первого делителя частоты 7, формирующего серии стимулирующих импульсов аналогичные собственной моторной активности желудка (период следования серий импульсов 3 раза в минуту [3]). Эти серии импульсов поступают на вход выходного устройства 8 и с его выхода через первый ограничительный резистор R1, задающего необходимую величину тока стимуляции для желудка, подаются на вход второго канала управляемых электронных ключей 13-2, соединенного с его первым выходом (так как сигнал на его входе разрешения прохождения сигнала также отсутствует, при этом его вход и второй выход разомкнуты) и с чашеобразным электродом 1. Нагрузкой электростимулятора выступает сопротивление среды и слизистой оболочки желудка Z1. При этом чашеобразный электрод 2 покрыт индифферентным изоляционным материалом 10, растворяющимся только в среде тонкого кишечника (например, в щелочной среде двенадцатиперстной кишки), а электрическая стимуляция желудка осуществляется посредством электродов 1 и 11.

При переходе электростимулятора из желудка в двенадцатиперстную кишку растворяется индифферентный изоляционный материал 10 на чашеобразном электроде 2. Между чашеобразным электродом 2 и дополнительным электродом 11 появляется сопротивление среды и слизистой оболочки тонкого кишечника Z2. На сигнальном входе выходного устройства 8 появляется электрический сигнал, который в выходном устройстве 8 преобразуется в сигнал управления, поступающий с его сигнального выхода на входы разрешения прохождения сигнала обеих каналов управляемых электронных ключей 13-1 и 13-2, размыкая их входы с первыми выходами и замыкая их входы со вторыми выходами. Теперь электрические импульсы от генератора прямоугольных импульсов 6 поступают на вход второго делителя частоты 12, где формируются серия стимулирующих импульсов аналогичные собственной моторной активности тонкого кишечника (период следования серий импульсов 6 раз в минуту [3]). Эти серии стимулирующих импульсов поступают на вход выходного устройства 8, а с его выхода через первый ограничительный резистор R1 - на вход второго канала управляемых электронных ключей 13-2 и через второй ограничительный резистор R2 (задающим совместно с резистором R1 ток стимуляции тонкого кишечника [5]) на чашеобразный электрод 2. Таким образом, тонкий кишечник будет стимулироваться сериями электрических импульсов, соответствующих данному отделу кишечника посредством электродов 2 и 11.

Обычно управляемые электронные ключи реализуются на комплементарных МОП транзисторах [8] или на D-триггерах, при этом информационные D-входы должны быть соединены с положительным полюсом источника питания, а на синхронизированные С-входы должен подаваться сигнал с нагрузки после растворения на электроде электростимулятора индифферентного изоляционного материала. Предложенные дополнения схемы легко реализуются в интегральном исполнении, незначительно усложняя схему генератора стимулирующих импульсов.

Примером растворимых в средах ЖКТ оболочек могут быть известные в фармации гелодуратовые или глютоидные капсулы, растворяющиеся в щелочных жидкостях [7].

Второй вариант. При количестве стимулируемых отделов желудочно-кишечного тракта N, где N=3 и более, в электростимулятор желудочно-кишечного тракта, содержащий диэлектрическую втулку, на которой закреплены два чашеобразных электрода, образующие герметичную капсулу, размещенную в ней схему генератора стимулирующих импульсов, включающую генератор прямоугольных импульсов, первый ограничительный резистор, и подключенный к ней источник питания, один из чашеобразных электродов покрыт индифферентным изоляционным материалом, с возможностью растворения его в средах желудочно-кишечного тракта, N-1 дополнительные электроды, где N - количество стимулируемых отделов желудочно-кишечного тракта, N=3, 4, ...N, расположены на диэлектрической втулке между чашеобразными электродами, электрически изолированы от них и друг от друга, один из дополнительных электродов соединен с отрицательным полюсом источника питания, а остальные покрыты различными индифферентными изоляционными материалами, растворяющимися в различных средах желудочно-кишечного тракта, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами микроконтроллера, один выход его через первый ограничительный резистор соединен с чашеобразным электродом, N-й выход через ограничительный резистор RN соединен с чашеобразным электродом, покрытым индифферентным изоляционным материалом, а остальные N-2 выхода соединены через соответствующие ограничительные резисторы R2...RN-1 с дополнительными N-2 электродами.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, представленным на фиг. 3.

Фиг. 3 - функциональная схема электростимулятора с микроконтроллером.

На фиг. 3:

1, 2 - чашеобразные электроды;

4 - диэлектрическая втулка;

5 - схема генератора стимулирующих импульсов;

6 - генератор прямоугольных импульсов;

9 - источник питания, "-" - отрицательный полюс источника питания;

10 - индифферентный изоляционный материал;

11 - N-1 дополнительных электрода;

14 - микроконтроллер;

R1 - RN - ограничительные резисторы;

Z1 - ZN - сопротивления сред и слизистых оболочек различных отделов желудочно-кишечного тракта.

Электростимулятор желудочно-кишечного тракта (фиг. 3) выполнен в виде герметичной капсулы 3, состоящей из диэлектрической втулки 4, на которой крепятся два чашеобразных электрода 1, 2 и N-1 дополнительных электродов 11, расположенных на диэлектрической втулке 4 между чашеобразными электродами 1, 2 электрически изолированных от них и друг от друга, при этом N-2 дополнительных электродов и чашеобразный электрод 2, за исключением дополнительного электрода, соединенного с отрицательным полюсом источника питания 9, покрыты различными индифферентными изоляционными материалами 10, растворяющимися в различных средах желудочно-кишечного тракта. В схему генератора стимулирующих импульсов 5 дополнительно введен микроконтроллер 14, соединенный с полюсами источника питания 9, входы которого соединены с выходом генератора прямоугольных импульсов - 6, один выход микроконтроллера через первый ограничительный резистор R1 соединен с чашеобразным электродом 1, N-й выход микроконтроллера через ограничительный резистор RN соединен с чашеобразным электродом 2, покрытым индифферентным изоляционным материалом, остальные N-2 выхода микроконтроллера через ограничительные резисторы R2...RN-1 соединены с дополнительными N-2 электродами 11, докрытыми различными индифферентными изоляционными материалами 10, растворяющимися в разных средах желудочно-кишечного тракта.

Работает электростимулятор следующим образом. При попадании в желудочно-кишечный тракт, микроконтроллер 14 по заданному алгоритму при появлений между электродам” сопротивлений Z2-ZN включает подачу серий импульсов между электродом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания 9 и дополнительным электродом 11, на котором в данном отделе желудочно-кишечного тракта растворился индифферентный изоляционный материал, меняя параметры стимулирующих импульсов соответственно данному отделу желудочно-кишечного тракта, а величина стимулирующего тока задается соответствующим ограничительным резистором, все остальные электроды электростимулятора отключаются. Процесс повторяется для следующего отдела желудочно-кишечного тракта.

Таким образом, введение в электростимулятор желудочно-кишечного тракта новых отличительных признаков, позволили добиться нового положительного технического результата - повышение эффективности электростимуляции путем создания электростнмулятора с максимально приближенными для различных отделов ЖКТ параметрами стимулирующих импульсов.

Источники информации

1. Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Романовский М.Н. Автономные электроостимуляторы желудочно-кишечного тракта: монография. - Томск: ТУСУР, 1999. - 194 с.

2. Богач П.Г. Датчик (водитель) ритма сокращений верхних отделов тонкого кишечника//Механизмы нервной регуляции моторной функции тонкого кишечника. - Киев, 1961. - С.76-89.

3. Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика: Учебник для вузов. - С.Пб.: Политехника, 2000. - 463 с.: ил.

4. Попов О.С. Автономная электрическая стимуляция желудочно-кишечного тракта в хирургии: дис.... канд. мед. наук. - Томск. - 1988. - 242с.

5. Вишневский А.А., Лившиц А.В., Вилянский М.П. Электростимуляция желудочно-кишечного тракта. - М.: Медицина, 1978. - 184 с.

6. Гальперин С.И. Физиология человека и животных. - М.: Высшая школа, 1970. - 656 с.

7. Муравьев И.А. Технология лекарств. - М.: Медицина, 1980, т. II, с.583-592.

8. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Челябинск: Металлургия, 1989.

Изобретение относится к области биомедицинской инженерии, точнее, к электростимулирующим устройствам для диагностики и лечения органов и тканей. В электростимуляторе желудочно-кишечного тракта, содержащем диэлектрическую втулку, на которой закреплены два чашеобразных электрода, образующие герметичную капсулу, размещенную в ней схему генератора стимулирующих импульсов, включающую генератор прямоугольных импульсов, первый делитель частоты, связанный через выходное устройство с первым ограничительным резистором, и подключенный к ней источник питания, один из чашеобразных электродов покрыт индифферентным изоляционным материалом, с возможностью растворения его в средах желудочно-кишечного тракта, дополнительный электрод расположен на диэлектрической втулке между чашеобразными электродами, электрически изолирован от них и соединен с отрицательным полюсом источника питания, при этом выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом первого канала управляемых электронных ключей, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым делителем частоты, при этом выход второго делителя частоты через выходное устройство также подключен к первому ограничительному резистору, соединенному со входом второго канала управляемых электронных ключей, первый выход которого соединен с чашеобразным электродом, второй выход через второй ограничительный резистор с чашеобразным электродом покрытым индифферентным изоляционным материалом, соединенным с сигнальным входом выходного устройства, сигнальный выход которого соединен с соответствующими входами разрешения прохождения сигнала первого и второго каналов управляемых электронных ключей. При количестве стимулируемых отделов желудочно-кишечного тракта - N, где N=3 и более, в электростимуляторе желудочно-кишечного тракта, N-1 дополнительные электроды, где N - количество стимулируемых отделов желудочно-кишечного тракта, N=3, 4, ...N, расположены на диэлектрической втулке между чашеобразными электродами, электрически изолированы от них и друг от друга, один из дополнительных электродов соединен с отрицательным полюсом источника питания, а остальные покрыты различными индифферентными изоляционными материалами, растворяющимися в различных средах желудочно-кишечного тракта, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами микроконтроллера, один выход его через первый ограничительный резистор соединен с чашеобразным электродом, N-й выход через ограничительный резистор-RN соединен с чашеобразным электродом, покрытым индифферентным изоляционным материалом, а остальные N-2 выхода соединены через соответствующие ограничительные резисторы R2...RN-1 с дополнительными N-2 электродами. Использование изобретения позволяет повысить эффективность электростимуляции за счет приближения параметров стимулирующих импульсов для различных отделов ЖКТ. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, содержащий диэлектрическую втулку, на которой закреплены два чашеобразных электрода, образующие герметичную капсулу, размещенную в ней схему генератора стимулирующих импульсов, включающую генератор прямоугольных импульсов, первый делитель частоты, связанный через выходное устройство с первым ограничительным резистором, и подключенный к ней источник питания, отличающийся тем, что один из чашеобразных электродов покрыт индифферентным изоляционным материалом, с возможностью растворения его в средах желудочно-кишечного тракта, дополнительный электрод расположен на диэлектрической втулке между чашеобразными электродами, электрически изолирован от них и соединен с отрицательным полюсом источника питания, при этом выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом первого канала управляемых электронных ключей, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым делителем частоты, при этом выход второго делителя частоты через выходное устройство также подключен к первому ограничительному резистору, соединенному со входом второго канала управляемых электронных ключей, первый выход которого соединен с чашеобразным электродом, второй выход через второй ограничительный резистор - с чашеобразным электродом, покрытым индифферентным изоляционным материалом, соединенным с сигнальным входом выходного устройства, сигнальный выход которого соединен с соответствующими входами разрешения прохождения сигнала первого и второго каналов управляемых электронных ключей.2. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, содержащий диэлектрическую втулку, на которой закреплены два чашеобразных электрода, образующие герметичную капсулу, размещенную в ней схему генератора стимулирующих импульсов, включающую генератор прямоугольных импульсов, первый ограничительный резистор, и подключенный к ней источник питания, отличающийся тем, что один из чашеобразных электродов покрыт индифферентным изоляционным материалом, с возможностью растворения его в средах желудочно-кишечного тракта, N-1 дополнительные электроды, где N - количество стимулируемых отделов желудочно-кишечного тракта, N=3, 4, ... N, расположены на диэлектрической втулке между чашеобразными электродами, электрически изолированы от них и друг от друга, один из дополнительных электродов соединен с отрицательным полюсом источника питания, а остальные покрыты различными индифферентными изоляционными материалами, растворяющимися в различных средах желудочно-кишечного тракта, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами микроконтроллера, один выход его через первый ограничительный резистор соединен с чашеобразным электродом, N-й выход, через ограничительный резистор RN, соединен с чашеобразным электродом, покрытым индифферентным изоляционным материалом, а остальные N-2 выхода соединены через соответствующие ограничительные резисторы R2...RN-1 с дополнительными N-2 электродами.