СИСТЕМА СТИМУЛЯЦИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОРГАНОВ Российский патент 2010 года по МПК A61N1/36 A61N1/05 

Система стимуляции функционирования органов относится к медицинской технике и может быть использована для восстановления проводниковой и нейрогенной функций сегментов спинного мозга.

Известно устройство модуляции функционирования органов тела (заявка RU 2004118499, 7 А61В 5/04 от 10.03.2005 г.), которое в одном из вариантов выполнения содержит: источник зарегистрированных сигналов тела, отражающих функционирование органов тела, при этом указанный источник включает в себя компьютер, который содержит отдельные области для регистрации сигналов различных функциональных категорий и в котором зарегистрированные сигналы хранятся в цифровом формате; средство передачи одного или нескольких зарегистрированных сигналов в органы тела, при этом указанное средство передачи включает в себя цифроаналоговый преобразователь; средство приложения переданных сигналов к органу тела для стимуляции или регуляции функции органа, при этом указанное средство приложения содержит электроды на теле; средство регистрации сигналов тела и передачи зарегистрированных сигналов в указанный источник, при этом указанное средство регистрации содержит датчик, размещенный на теле; записывающее устройство для записи обнаруженных сигналов в аналоговом виде, которое соединено с аналогово-цифровым преобразователем для преобразования указанных обнаруженных сигналов. Основным недостатком указанного устройства модуляции функционирования органа тела является отсутствие возможности проведения анализа измеренных физиологических сигналов по заданным критериям и, как следствие, невозможность протезирования нейрогенных функций спинного мозга.

Наиболее близким аналогом заявляемой системы является многоканальный программируемый электронейростимулятор (RU 2286182, A61N 1/36 (2006.01), 27.10.2006 г.), который позволяет воздействовать на центральную и периферическую нервную систему методом дистанционной длительной стимуляции с использованием имплантируемых электродов и может быть использован с целью электростимуляции различных областей головного мозга и эпидуральной стимуляции спинного мозга. Электронейростимулятор содержит неимплантируемую часть в виде блока импульсного передатчика с широтно-импульсной модуляцией и имплантируемую часть в виде блока приемника. Блоки выполнены с возможностью магнитно-индукционной связи между собой. Импульсный передатчик содержит перенастраиваемый высокочастотный генератор, приемник канала телеметрии, управляющий программируемый микроконтроллер передатчика, клавиатуру управления и программирования, жидкокристаллический алфавитно-цифровой дисплей и блок питания. Передатчик соединен с выносной антенной для передачи высокочастотной энергии и приема телеметрической информации. Блок приемника содержит антенну для приема высокочастотной энергии и передачи телеметрической информации, управляющий программируемый микроконтроллер блока приемника, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, многоканальный коммутатор, электроды и коннекторы для соединения электродов с многоканальным коммутатором. Многоканальный коммутатор связан своими рабочими входами и выходами, образующими контакты блока приемника, с электродами через коннекторы, образуя каналы стимуляции, включаемые каждый по отдельности или любыми группами, или все одновременно. Основным недостатком ближайшего аналога является то, что с помощью него невозможно осуществить стимуляцию функционирования (вызвать рефлекторные реакции) иннервируемых органов пациента при сегментарных или системных повреждениях его спинного мозга, возникающих в результате травм или патологических процессов спинного мозга. Это обусловлено тем, что при таких нарушениях происходит выпадение соответствующих двигательных или вегетативных функций и нарушение тех форм чувствительности, пути которых проходят через спинной мозг (механическая, температурная и болевая кожная чувствительность, чувствительность двигательного аппарата и некоторых внутренних органов).

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей системы стимуляции функционирования органов за счет обеспечения восстановления проводящей функции поврежденного сегмента спинного мозга.

Поставленная задача решается тем, что в систему восстановления проводящих функций спинного мозга, включающую неимплантируемую часть в виде блока импульсного передатчика и имплантируемую часть, выполненные с возможностью магнитно-индукционной связи между собой, причем имплантируемая часть содержит приемно-передающий блок, соединенный своими входом и выходом с управляющим программируемым микроконтроллером, выход которого соединен через первый блок преобразования сигнала с блоком коммутации, который связан своими рабочими выходами с электродами, образуя каналы стимуляции, а блок коммутации также связан с одним из входов управляющего программируемого микроконтроллера, при этом первый блок преобразования сигнала включает последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, дополнительно введены: по меньшей мере, один электрод, выполненный имплантируемым в аксон рецепторного нейрона и подключенный к рабочему входу блока коммутации; второй блок преобразования сигнала, подключенный к выходам блока коммутации и к входам управляющего программируемого микроконтроллера; нейтральный электрод, выполненный имплантируемым в спинномозговую жидкость и подключенный к входу второго блока преобразования сигнала, при этом, по меньшей мере, один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов, в которой один из электродов выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй из электродов выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации; по меньшей мере, один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов, в которой один из электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй из электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации; по меньшей мере, один канал стимуляции содержит электрод, связанный непосредственно с рабочим выходом блока коммутации и выполненный имплантируемым в аксон эффекторного нейрона; управляющий программируемый микроконтроллер содержит источник электрического тока; первый блок преобразования сигнала дополнительно содержит последовательно соединенные второй цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель мощности; второй блок преобразования сигнала содержит последовательно соединенные усилитель мощности и аналогово-цифровой преобразователь.

В предлагаемой системе управляющий программируемый микроконтроллер может содержать программное обеспечение, реализующее функции выбора каналов стимуляции, определения параметров формируемых стимулирующих и модулирующих сигналов, определения времени начала и окончания формирования стимулирующих и модулирующих сигналов на основе параметров входных сигналов и, по меньшей мере, одной совокупности данных в виде кодированных сигналов, определяющих состояния элементов нервной системы, относящихся к одной функциональной системе организма (паттерна).

В предлагаемой системе блок коммутации может содержать, по меньшей мере, два многоканальных коммутатора.

Предлагаемая система стимуляции функционирования органов может дополнительно содержать ЭВМ, подключенную к ее неимплантируемой части.

Благодаря тому, что в систему стимуляции функционирования органов дополнительно введен, по меньшей мере, один электрод, выполненный имплантируемым в аксон рецепторного нейрона и подключенный к рабочему входу блока коммутации, становится возможным зарегистрировать и определить параметры, по меньшей мере, одного электрического сигнала в виде нервного импульса, генерируемого рецепторным (чувствительным) нейроном в результате раздражения рецепторов (возникновения стимула) и распространяющегося по центростремительным нервным волокнам по направлению к нервному центру. При этом также становится возможным использовать полученную информацию о параметрах рецепторного сигнала для принятия управляющим программируемым микроконтроллером зависящего от его программного обеспечения решения относительно формирования им стимулирующих сигналов (сигналов - паттернов), направляемых по каналам стимуляции к элементам нервной системы организма.

Наличие источника электрического тока в управляющем программируемом микроконтроллере обеспечивает формирование им электрических сигналов.

За счет дополнительно введенного второго блока преобразования сигнала, содержащего последовательно соединенные усилитель мощности и аналогово-цифровой преобразователь, осуществляется преобразование зарегистрированных электродами сигналов - нервных импульсов в цифровой вид, для их восприятия и обработки управляющим программируемым микроконтроллером. А за счет дополнительного введения в первый блок преобразования сигнала последовательно соединенных второго цифроаналогового преобразователя и второго усилителя мощности, обеспечивается одновременное преобразование поступающих в него с управляющего программируемого микроконтроллера сигналов управления блоком коммутации и стимулирующих сигналов, направляемых в каналы стимуляции.

Наличие в заявляемой системе нейтрального электрода, выполненного имплантируемым в спинномозговую жидкость и подключенного к входу второго блока преобразования сигнала, позволяет компенсировать возникающие общие фоновые биопотенциалы, определяемые источниками в организме и во внешней среде.

В заявляемой системе, по меньшей мере, один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов, в которой один из электродов выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй из электродов выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации. В заявляемой системе также, по меньшей мере, один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов, в которой один из электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй из электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации. Такое выполнение каналов стимуляции позволяет направлять сформированные управляющим программируемым микроконтроллером стимулирующие сигналы в афферентные (восходящие к вышележащим нервным центрам) и эфферентные (нисходящие к нижележащим сегментам спинного мозга) пути спинного мозга, расположенные, соответственно, выше и ниже его повреждения, и, одновременно, регистрировать сигналы, которые поступают в заявляемую систему через электроды, имплантируемые в афферентные (восходящие от нижележащих сегментов спинного мозга) и эфферентные (нисходящие от вышележащих нервных центров) пути спинного мозга, расположенные, соответственно, ниже и выше его повреждения. При этом также становится возможным использовать информацию о параметрах этих зарегистрированных сигналов для принятия управляющим программируемым микроконтроллером, зависящего от его программного обеспечения, решения, относительно формирования (выбора или изменения параметров) стимулирующих сигналов, направляемых по каналам стимуляции к элементам нервной системы организма. Задать (изменить) параметры стимулирующих сигналов, направляемых в афферентные и эфферентные пути спинного мозга, возможно посредством модулирования сигналов, поступающих в заявляемую систему из афферентных и эфферентных путей спинного мозга, расположенных, соответственно, ниже и выше его повреждения (регистрируемые сигналы). Модуляцию возможно осуществить посредством частотных модуляторов, на входы которых поступают модулируемые сигналы (сигналы афферентных и эфферентных путей спинного мозга, расположенных, соответственно, ниже и выше его повреждения) и подаются модулирующие сигналы, формируемые управляющим программируемым микроконтроллером.

В вышесказанном следует понимать, что сигналы, которые регистрируются электродами в эфферентных и афферентных путях спинного мозга, расположенных, соответственно, выше и ниже его повреждения, являются ответной реакцией нервной системы пациента на стимулирующий сигнал, направленный управляющим программируемым микроконтроллером, в проводящие пути спинного мозга, в результате принятия управляющим программируемым контроллером решения относительно поступившего в заявляемую систему рецепторного сигнала. А именно, сигналы, которые регистрируются электродами в эфферентных путях спинного мозга, расположенных выше его повреждения, соответствуют сигналам - командам отделов головного мозга и вышележащих отделов спинного мозга, а сигналы, которые регистрируются электродами в афферентных путях спинного мозга, расположенных ниже его повреждения, соответствуют сигналам - командам, распространяющимся в нижележащих отделах спинного мозга, функционально связанных с его вышележащими сегментами. При этом, в организме человека, элементы нервной системы (афферентные и эфферентные проводящие пути спинного мозга), по которым распространяются стимулирующие сигналы и ответные сигналы - команды головного мозга, сигналы - команды вышележащих отделов спинного мозга и сигналы - команды нижележащих отделов спинного мозга, функционально связаны друг с другом, с элементами нервной системы, по которым распространяется и поступает в заявляемую систему рецепторный сигнал (аксонами рецепторных нейронов), и с элементами нервной системы по которым поступает сигнал, стимулирующий функцию эффектора (аксонами эффекторных нейронов), т.е. данные элементы нервной системы являются звеньями одной функциональной (рефлекторной) системы организма.

Таким образом, в заявляемой системе обусловлена возможность корректирования (изменения) параметров стимулирующих сигналов в соответствии с параметрами сигналов - команд отделов головного мозга, сигналов - команд вышележащих отделов спинного мозга и сигналов - команд нижележащих отделов спинного мозга, которые отражают изменения состояния функционально связанных с ними рецепторов, происходящие в результате их раздражения, и несут в себе информацию об ожидаемом, в ответ на это раздражение рецепторов, изменении функционального состояния (рефлекторном ответе) исполнительных органов (эффекторов).

Благодаря тому, что в системе стимуляции функционирования органов, по меньшей мере, один канал стимуляции содержит электрод, связанный непосредственно с рабочим выходом блока коммутации и выполненный имплантируемым в аксон эффекторного нейрона, обеспечивается передача, по меньшей мере, одного, сформированного и скорректированного управляющим программируемым микроконтроллером, стимулирующего сигнала к исполнительному органу (эффектору) тела, иннервируемому данным аксоном эффекторного нейрона. Как следует из вышесказанного, стимулирующий сигнал, направляемый к исполнительным органам тела (эффекторам), сформирован с учетом рецепторного сигнала и соответствующих ему сигналов - команд нервных центров, находящихся в функциональной связи со стимулируемыми эффекторами - т.е. стимулирующий сигнал, сформированный заявляемой системой, задает эффекторам определенную программу действия, соответствующую ответу центральной нервной системы организма на раздражение функционально связанных с этими эффекторами и контролируемых заявляемой системой рецепторов. Следовательно, стимулирующий сигнал, который в результате работы заявляемой системы направляется к исполнительным органам тела (эффекторам), способен вызвать адекватную предъявленному стимулу рефлекторную реакцию стимулируемых исполнительных органов тела.

Таким образом, очевидно, что заявленная совокупность существенных признаков, обеспечивая электрическую связь между сегментами спинного мозга, контроль состояния рецепторов, участие команд головного мозга, вышележащих и нижележащих отделов спинного мозга в стимулировании эффекторов (ЦНС-зависимое стимулирование эффекторов), воспроизводит проводниковую и нейрогенную функции сегментов спинного мозга. Этим обусловлено то, что заявляемая система обеспечивает возможность осуществить НДС-зависимую стимуляцию функционирования органов пациента в случае, когда имеются сегментарные или системные повреждения его спинного мозга. Очевидно, что по отношению к устройству - аналогу заявляемая система стимуляции функционирования органов имеет более широкие функциональные возможности.

Посредством программного обеспечения управляющего программируемого микроконтроллера системы стимуляции функционирования органов реализуются функции выбора каналов стимуляции, определения параметров формируемых стимулирующих и модулирующих сигналов, определения времени начала и окончания формирования стимулирующих и модулирующих сигналов, на основе параметров входных сигналов и, по меньшей мере, одной совокупности данных в виде кодированных сигналов, определяющих различные состояния элементов нервной системы, относящихся к одной функциональной системе организма (паттернов). Это позволяет, на основе заданных параметров и параметров сигналов, поступающих в управляющий программируемый микроконтроллер, распознавать связанные с заявляемой системой элементы нервной системы, которые формируют эти входные сигналы, и выбирать для работы определенные каналы стимуляции, которые подключены к элементам нервной системы, функционально связанным с распознанным элементом. Программное обеспечение позволяет также определять функциональные состояния - наличные и ожидаемые - связанных с заявляемой системой элементов нервной системы и использовать эти данные для определения параметров, времени начала и окончания формирования стимулирующих и модулирующих сигналов, предназначенных для изменения функциональных состояний связанных с заявляемой системой элементов нервной системы до ожидаемых результатов.

Наличие в блоке коммутации, по меньшей мере, двух многоканальных коммутаторов обеспечивает необходимую скорость работы заявляемой системы в случае, например, когда система содержит большое количество имплантируемых в элементы нервной системы электродов.

Дополнительное подключение ЭВМ к неимплантируемой части системы стимуляции функционирования органов позволяет осуществлять контроль выполнения алгоритма и оценку целостности программного обеспечения программируемого управляющего микроконтроллера, а также отображение и документирование результатов работы заявляемой системы.

Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими изображениями, где на фиг.1 представлена функциональная схема системы стимуляции функционирования органов в варианте выполнения, когда она содержит минимально возможное количество электродов и дополнительно содержит ЭВМ, подключенную к неимплантируемой части, на фиг.2 представлена функциональная схема варианта выполнения приемно-передающего блока имплантируемой части системы стимуляции функционирования органов, на фиг.3 представлена функциональная схема варианта выполнения блока импульсного передатчика, в виде которого выполнена неимплантируемая часть системы стимуляции функционирования органов.

Система стимуляции функционирования органов в варианте выполнения, когда она содержит минимально возможное количество электродов и дополнительно содержит ЭВМ, подключенную к неимплантируемой части, включает в себя неимплантируемую часть (1) в виде блока импульсного передатчика и имплантируемую часть (2), выполненные с возможностью магнитно-индукционной связи между собой. Неимплантируемая часть (1) соединена входом - выходом с ЭВМ (17). Имплантируемая часть (2) содержит приемно-передающий блок (3), соединенный своими входом и выходом с управляющим программируемым микроконтроллером (4), который содержит источник электрического тока (на фиг. не показано). Выход управляющего программируемого микроконтроллера (4) соединен с блоком коммутации (7) через первый блок преобразования сигнала (6), который включает два цифроаналоговых преобразователя, к каждому из которых последовательно подсоединены по одному усилителю мощности (на фиг. не показано). Блок коммутации (7) также связан с входами управляющего программируемого микроконтроллера (4) через второй блок преобразования сигнала (5), который содержит последовательно соединенные усилитель мощности и аналогово-цифровой преобразователь (на фиг. не показано). Ко входу второго блока преобразования сигнала (5) подключен нейтральный электрод (14), выполненный имплантируемым в спинномозговую жидкость (на фиг. не показано). К рабочему входу блока коммутации (7) подключен один электрод (8), выполненный имплантируемым в аксон рецепторного нейрона (на фиг. не показано). Блок коммутации (7) также связан своими рабочими выходами с электродами (9), (10), (11), (12), (13), образуя каналы стимуляции следующим образом: один электрод (13) связан непосредственно с рабочим выходом блока коммутации (7) и выполнен имплантируемым в аксон эффекторного нейрона (на фиг. не показано); один из каналов стимуляции содержит частотный модулятор (15), подключенный к рабочему выходу блока коммутации (7) и связанный с парой электродов (9) и (10), в которой электрод (9) выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга выше его повреждения (на фиг. не показано) и подключен к выходу частотного модулятора (15), а электрод (10) выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга ниже его повреждения (на фиг. не показано) и подключен к входу частотного модулятора (15) и к рабочему входу блока коммутации (7); другой из каналов стимуляции содержит частотный модулятор (16), подключенный к рабочему выходу блока коммутации (7) и связанный с парой электродов (11), (12), в которой электрод (11) выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга выше его повреждения (на фиг. не показано) и подключен к входу частотного модулятора (16) и к рабочему входу блока коммутации (7), а электрод (12) выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга ниже его повреждения (на фиг. не показано) и подключен к выходу частотного модулятора (16).

Приемно-передающее устройство (3) системы стимуляции функционирования органов в одном из вариантов выполнения (фиг.2) содержит последовательно соединенные генератор опорной частоты, формирователь передаваемых сигналов, приемно-передающую антенну, усилитель, полосовой фильтр, аналогово-цифровой преобразователь, при этом выход аналогово-цифрового преобразователя и вход формирователя передаваемых сигналов предназначены для подключения к внешнему устройству - управляющему программируемому микроконтроллеру (4), а приемно-передающая антенна обеспечивает магнитно-индукционную связь с неимплантируемой частью (1) системы стимуляции функционирования органов.

Блок импульсного передатчика, в виде которого выполнена неимплантируемая часть (1) системы стимуляции функционирования органов, в варианте выполнения может содержать (фиг.3) последовательно соединенные между собой источник питания, перенастраиваемый высокочастотный генератор, приемопередающую антенну и приемник канала телеметрии. При этом вход - выход приемника канала телеметрии и вход высокочастотного генератора предназначены для дополнительного подключения ЭВМ (17) к неимплантируемой части (1).

Управляющий программируемый микроконтроллер (4) выполнен на базе интегральной схемы и в качестве источника электрического тока может содержать, например, специальные аккумуляторные батареи медицинского назначения. Управляющий программируемый микроконтроллер (4), в частном случае выполнения, содержит программное обеспечение, реализующее функции выбора каналов стимуляции, определения параметров формируемых стимулирующих и модулирующих сигналов, определения времени начала и окончания формирования стимулирующих и модулирующих сигналов, на основе параметров входных сигналов и, по меньшей мере, одной совокупности данных в виде кодированных сигналов, определяющих состояния элементов нервной системы, относящихся к одной функциональной системе организма (паттерна).

Блок коммутации (7) может содержать, по меньшей мере, два многоканальных коммутатора (на фиг. не показано), для обеспечения необходимой скорости работы заявляемой системы в случае, например, когда система содержит большое количество электродов (8), (9), (10), (11), (12), (13), подключенных к соответствующим элементам нервной системы (на фиг. не показано).

Электроды (8), (9), (10), (11), (12), (13) могут быть выполнены стеклянными или пластиковыми со сквозным каналом, содержащим раствор электролита, или титановыми, при этом диаметры электродов (8), (9), (10), (11), (12), (13) должны быть меньше диаметров соответствующих элементов нервной системы (афферентных и эфферентных проводящих путей, аксонов рецепторных и эффекторных нейронов) (на фиг. не показано), в которые эти электроды имплантируются, а количество электродов (8), (9), (10), (11), (12), (13) определяется количеством соответствующих им нервных элементов, подключаемых к заявляемой системе.

Нейтральный электрод (14) может быть выполнен в виде титановой пластины с возможностью помещения его в спинномозговую жидкость.

Система стимуляции функционирования органов работает следующим образом. При помощи неимплантируемой части (1) выполненной в виде блока импульсного передатчика, вводят программное обеспечение в управляющий программируемый микроконтроллер (4). При этом сигналы неимплантируемой части (1) являются одновременно импульсами энергетической накачки, что экономит потребление энергии управляющего программируемого микроконтроллера (4) от собственного источника питания (на фиг. не показано). В случае если система стимуляции функционирования органов дополнительно содержит ЭВМ (17), подключенную к неимплантируемой части (1), то производят контроль выполнения алгоритма и оценку целостности программного обеспечения управляющего программируемого микроконтроллера (4).

Предварительно отключив имплантируемую часть (2) от неимплантируемой части (1), хирургическим путем устанавливают имплантируемую часть (2) заявляемой системы в область повреждения спинного мозга (на фиг. не показано). Электроды (8), (9), (10), (11), (12), (13) имплантируют в нервные элементы, составляющие единую функциональную (рефлекторную) систему организма, специализированную к определенной функции стимулируемого органа: электроды (8) - в аксоны рецепторных нейронов, электроды (13) - в аксоны эффекторных нейронов, электроды (9) - в культи афферентных путей спинного мозга выше его повреждения, электроды (10) - в культи афферентных путей спинного мозга ниже его повреждения, электроды (11) - в культи эфферентных путей спинного мозга выше его повреждения, электроды (12) - в культи эфферентных путей спинного мозга ниже его повреждения. Нейтральный электрод (14) помещают в спинномозговую жидкость. Остальные элементы имплантируемой части (2) заявляемой системы размещают на внешней стороне тела позвонка, топологически соответствующего поврежденному участку спинного мозга. Количество электродов (8) и (13), имплантируемых, соответственно, в аксоны рецепторных и эффекторных нейронов, количество стимулирующих каналов, содержащих электроды (9), (10), (11), (12), выбор нервных путей, в которые имплантируются электроды заявляемой системы и, соответственно, число входов и выходов блока коммутации (7), а также программное обеспечение управляющего программируемого микроконтроллера (4) зависят от анатомо-физиологических параметров поврежденного участка спинного мозга и числа элементов нервной системы, участвующих в функциональной системе поврежденного сегмента (группы сегментов) спинного мозга, либо в группе таких функциональных систем организма.

Нервный импульс, генерируемый рецепторным нейроном в результате раздражения рецепторов (возникновения стимула) и распространяющийся по центростремительному нервному волокну по направлению к нервному центру, регистрируется электродом (8), имплантированным в аксон рецепторного нейрона. Одновременно, в организме распространяются сигналы нервной системы - команды головного мозга и команды отделов спинного мозга, лежащих ниже и выше его поврежденного участка. Сигналы - команды головного мозга и вышележащих отделов спинного мозга распространяются по эфферентным путям спинного мозга и регистрируются электродами (11), имплантированными в этих путях выше поврежденного участка. Сигналы - команды нижележащих отделов спинного мозга распространяются по афферентным путям спинного мозга и регистрируются электродами (10), имплантированными в этих путях ниже поврежденного участка.

Зарегистрированные электродами (8), (10), (11) электрические сигналы поступают через блок коммутации (7) во второй блок преобразования сигнала (5), где сигналы усиливаются и преобразуются в цифровую форму для их восприятия управляющим программируемым микроконтроллером (4).

Управляющий программируемый микроконтроллер (4), после определения параметров поступивших на его вход преобразованных сигналов, принимает зависящее от параметров этих входных сигналов и от программного обеспечения решение относительно формирования стимулирующих сигналов (сигналов - паттернов), предназначенных для направления по каналам стимуляции к элементам нервной системы организма. В частности, посредством описанного выше программного обеспечения управляющий программируемый микроконтроллер (4) реализует: выбор каналов стимуляции, к которым подключены функционально связанные с распознанным рецептором элементы нервной системы; выбор параметров стимулирующих сигналов, предназначенных для проведения по выбранным каналам стимуляции к электродам (9), (12), имплантированным, соответственно, в афферентные и эфферентные пути спинного мозга, расположенным, соответственно, выше и ниже его повреждения, а также время начала и окончания формирования этих стимулирующих сигналов; параметры, время начала и окончания формирования модулирующих сигналов, предназначенных для изменения параметров сигналов, поступающих с электродов (10) и (11), и получения в результате стимулирующих сигналов с выбранными параметрами.

В результате принятого решения управляющий программируемый микроконтроллер (4) генерирует сигнал управления, переключающий блок коммутации (7) на работу с выбранными каналами стимуляции, а также, при необходимости, формирует модулирующие сигналы, которые направляются на частотные модуляторы (15) и (16). Сформированные управляющим программируемым микроконтроллером (4) управляющий и модулирующий сигналы преобразуются одновременно в первом блоке преобразования сигнала (6) путем их цифроаналогового преобразования и усиления.

Модулирующие сигналы, поступающие на частотные модуляторы (15) и (16), изменяют параметры сигналов, поступающих на соответствующие частотные модуляторы с электродов (10), (11). В результате частотной модуляции формируются стимулирующие сигналы с заданными параметрами, которые направляются через электроды (9), (12), соответственно, в афферентные и эфферентные пути спинного мозга, расположенные, соответственно, выше и ниже его повреждения. Распространяясь в проводящих путях спинного мозга, стимулирующие сигналы вызывают ответную реакцию нервной системы - команды головного мозга и команды отделов спинного мозга, лежащих ниже и выше его поврежденного участка. Сигналы - команды головного мозга и вышележащих отделов спинного мозга распространяются по эфферентным путям спинного мозга к месту его повреждения и регистрируются электродами (11), имплантированными в этих путях выше повреждения. Сигналы - команды нижележащих отделов спинного мозга распространяются по афферентным путям спинного мозга к месту его повреждения и регистрируются электродами (10), имплантированными в этих путях ниже повреждения. Зарегистрированные «ответные» сигналы после их преобразования во втором блоке преобразования сигналов (5) поступают на вход управляющего программируемого микроконтроллера (4), который принимает зависящее от параметров поступивших через электроды (8), (10), (11) сигналов и от программного обеспечения решение относительно определения (выбора или изменения) параметров стимулирующих сигналов, предназначенных для проведения к электродам (13), имплантированным в аксоны эффекторных нейронов, а также относительно определения времени начала и окончания генерирования (формирования) этих стимулирующих сигналов. В результате принятого решения управляющий программируемый микроконтроллер (4) генерирует стимулирующие сигналы, направляемые к электродам (13), которые затем поступают в аксоны эффекторных нейронов, проводящие эти сигналы к эффекторам - исполнительным органам. Поскольку стимулирующие сигналы, направляемые к электродам (13), имеют параметры, сформированные в соответствии с параметрами сигналов - команд головного мозга и сигналов - команд нижележащих и вышележащих отделов спинного мозга, вызванных стимулирующим сигналом, сформированным, в свою очередь, в соответствии с рецепторным сигналом, вызванным раздражением рецепторов, а элементы нервной системы, проводящие все эти сигналы, относятся к одной функциональной системе (являются звеньями одной рефлекторной системы) организма, то стимулирующие сигналы, поступающие в результате работы заявляемой системы в аксоны эффекторных нейронов, вызывают в иннервируемых ими органах тела рефлекторную реакцию, адекватную предъявленному стимулу (раздражению рецепторов).

Таким образом, заявляемая система осуществляет стимуляцию функционирования органов в случае, когда участок спинного мозга, в котором расположены нервные элементы, участвующие в регуляции тех или иных функций этих органов, поврежден.

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к системам восстановления проводящих функций спинного мозга. Система включает неимплантируемую и имплантируемые части, выполненные с возможностью магнитно-индукционной связи между собой. Имплантируемая часть содержит приемно-передающий блок, управляющий программируемый микроконтроллер, первый блок преобразования сигнала, включающий цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, блок коммутации, связанный рабочими выходами с электродами, образуя каналы стимуляции. Система также содержит, по меньшей мере, один электрод, второй блок преобразования сигнала и нейтральный электрод. По меньшей мере, один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов. Один из этих электродов выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации. По меньшей мере, один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов. Один из этих электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй из электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации. По меньшей мере, один канал стимуляции содержит электрод, связанный с рабочим выходом блока коммутации и выполненный имплантируемым в аксон эффекторного нейрона. Управляющий программируемый микроконтроллер содержит источник электрического тока. Первый блок преобразования сигнала дополнительно содержит второй цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель мощности. Второй блок преобразования сигнала содержит усилитель мощности и аналогово-цифровой преобразователь. Использование изобретения обеспечивает восстановление проводящей функции спинного мозга и расширяет функциональные возможности системы стимуляции функционирования органов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система восстановления проводящих функций спинного мозга, включающая неимплантируемую часть в виде блока импульсного передатчика и имплантируемую часть, выполненные с возможностью магнитно-индукционной связи между собой, причем имплантируемая часть содержит приемно-передающий блок, соединенный своими входом и выходом с управляющим программируемым микроконтроллером, выход которого соединен через первый блок преобразования сигнала с блоком коммутации, который связан своими рабочими выходами с электродами, образуя каналы стимуляции, блок коммутации также связан с одним из входов управляющего программируемого микроконтроллера, при этом первый блок преобразования сигнала включает последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один электрод, выполненный имплантируемым в аксон рецепторного нейрона и подключенный к рабочему входу блока коммутации; второй блок преобразования сигнала, подключенный к выходам блока коммутации и к входам управляющего программируемого микроконтроллера; нейтральный электрод, выполненный имплантируемым в спинномозговую жидкость и подключенный к входу второго блока преобразования сигнала, при этом по меньшей мере один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов, в которой один из электродов выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй из электродов выполнен имплантируемым в афферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации; по меньшей мере один канал стимуляции дополнительно содержит частотный модулятор, подключенный к рабочему выходу блока коммутации и связанный с парой электродов, в которой один из электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга ниже его повреждения и подключен к выходу частотного модулятора, а второй из электродов выполнен имплантируемым в эфферентный путь спинного мозга выше его повреждения и подключен к входу частотного модулятора и к рабочему входу блока коммутации; по меньшей мере один канал стимуляции содержит электрод, связанный непосредственно с рабочим выходом блока коммутации и выполненный имплантируемым в аксон эффекторного нейрона; управляющий программируемый микроконтроллер содержит источник электрического тока; первый блок преобразования сигнала дополнительно содержит последовательно соединенные второй цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель мощности; второй блок преобразования сигнала содержит последовательно соединенные усилитель мощности и аналогово-цифровой преобразователь.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляющий программируемый микроконтроллер содержит программное обеспечение, реализующее функции выбора каналов стимуляции, определения параметров формируемых стимулирующих и модулирующих сигналов, определения времени начала и окончания формирования стимулирующих и модулирующих сигналов на основе параметров входных сигналов и по меньшей мере одной совокупности данных в виде кодированных сигналов, определяющих состояния элементов нервной системы, относящихся к одной функциональной системе организма.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок коммутации содержит по меньшей мере два многоканальных коммутатора.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что блок коммутации содержит по меньшей мере два многоканальных коммутатора.

5. Система по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ЭВМ, подключенную к неимплантируемой части.