СПОСОБ АВТОНОМНОЙ ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ МЫШЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК A61N1/36 

Область изобретения

Изобретение относится к области медицины, в частности травматологии, ортопедии и невропатологии, протезированию, ангиологии, реабилитации, и может быть использовано для восстановительного лечения больных с различными заболеваниями опорно-двигательной, нервной и сосудистой систем, такими как остеохондрозы, периферические и центральные параличи и парезы, дефекты конечностей, спинальная патология, для лечения детей с церебральным параличом и другой сочетанной патологией.

Уровень техники

В России и за рубежом в последние десятилетия были разработаны различные типы функциональных электростимуляторов.

В последующих подобных разработках все необходимые регулировки были возложены на управляющую компьютерную программу, что не только намного удобнее, но и позволяет гибко изменять программу стимуляции (патент РФ №2082452, 1997 г.). Для того чтобы избежать применения длинного кабеля, соединяющего пациента и управляющий компьютер, было разработано устройство, где кабель заменен радиоканалом (патент РФ №2126276, 1999 г.). Применение радиоканала делает пациента автономным, но с другой стороны, самостоятельные передвижения пациента могут привести к тому, что он окажется вне зоны действия приемо-передающего устройства. В данном устройстве имеется возможность выбора установки гониометрических датчиков на коленный или тазобедренный сустав, однако использовать датчики на обоих суставах одновременно не представляется возможным. Кроме того, техническое исполнение не позволяет выполнять блок стимулятора в одном корпусе, приспособленном для ношения его пациентом, поэтому блок был разделен на стационарный и носимый.

Фирмой «Огонек», Москва, разработан прибор "Мультимиостим - АКорД-08". Этот прибор предназначен для электростимуляции мышц при ходьбе, имеет восемь каналов стимуляции мышц и гониометрический датчик для коленного сустава и является автономным устройством, которое подключают к компьютеру только для загрузки программы стимуляции. Автономная работа прибора является одним из привлекательных его качеств. Данный прибор имеет грубые настройки режимов стимуляции и самый главный недостаток - это неточная установка временной программы стимуляции. Цикл шага в программе данного прибора делится только на 16 частей. Поэтому максимальная, теоретически возможная точность установки временной программы работы мышцы оказывается значительно ниже допустимого уровня. Существенным недостатком данного прибора является то, что он позволяет проводить синхронизацию только от одного датчика движений коленного сустава, т.е. обе стороны (правая и левая) синхронизируются от датчика, находящегося на одной из сторон. Указанная конструктивная особенность значительно ограничивает возможность использования данного прибора, который может быть использован только для практически периодической ходьбы при условии сохранного коленного сустава. Собственно прибор состоит из носимого на поясе блока с аккумуляторной батареей, стимулирующих электродов и датчика движений в коленном суставе.

Прототип изобретения

Научно-медицинской фирмой «МБН» предложен способ и устройство для программируемой электростимуляции мышц (Патент РФ №2265461). Устройство позволяет проводить точную, дозированную электростимуляцию с возможностью проведения предварительной биомеханической диагностики и контроля стимуляции в режиме реального масштаба времени. Это наиболее совершенный комплекс из аналогов. Однако в нем связь с пациентом осуществляется по кабелю, что существенно ограничивает его свободу. Кроме того, применяемые традиционные биомеханические датчики и электроды требуют установки значительного количества сдавливающих конечности или туловище эластичных манжет. Каждый электрод или синхронизирующий биомеханический датчик имеет связь с стимулирующим блоком по кабелю, так, что максимальное количество кабелей на пациенте может доходить до 20 штук.

Любое из рассмотренных выше устройств имеет общие для заявляемого устройства признаки: наличие в конструкции собственно блока стимулятора, электродов, устанавливаемых на мышцы, синхронизирующих биомеханических датчиков, компьютера с управляющей программой, соединительных линий и дополнительных приспособлений.

Перечисленные аналоги, кроме того, имеют ряд общих перечисленных ниже ограничений, которые существенно влияют на возможность использования метода функциональной электростимуляции для различных категорий больных.

1. Невозможность использования программируемой стимуляции вне стен лечебного учреждения, что связано с несколькими факторами.

А) Сложная установка электродов, синхронизирующих датчиков требует соответствующих навыков и квалификации и в ряде случаев вообще не может быть выполнена самим пациентом в силу анатомических особенностей строения тела человека.

Б) Передача управляющих сигналов и получение информации с синхронизирующих датчиков идет по кабелю. В тех системах, где происходит отсоединение от кабеля, процесс стимуляции продолжается автоматически без передачи информации о работе стимулирующих каналов и синхронизирующих датчиков по беспроводной связи.

В) Метод программируемой стимуляции предполагает ежедневные процедуры длительностью до 1 часа, курсом по 10-15 процедур. Данное обстоятельство также существенно ограничивает пропускную способность в условиях лечебного учреждения и имеет экономические ограничения, связанные с возможностью задействовать квалифицированный медицинский персонал.

2. Невозможность использования синхронизирующих биомеханических датчиков в виде отдельных устройств (гониометров движений в суставах и опорных датчиков для стопы) без помощи квалифицированного медицинского персонала. Сложность их установки на теле пациента.

Каждый датчик требует применения специального крепления на теле пациента и наличие длинного кабеля, соединяющего его с блоком стимуляции. Крепления гониометрических датчиков сдавливают конечность и препятствуют ее нормальному кровоснабжению. Длинный кабель синхронизирующего биомеханического датчика так же требует специальной укладки на теле, чтобы позволять конечности свободно двигаться и не задевать за внешние препятствия.

3. Невозможность использования для синхронизации биомеханических событий, связанных с перемещением различных сегментов тела.

Применение в качестве синхронизирующих только датчиков угла движений в суставе и опорных датчиков требует постоянного наблюдения за процессом лечения и соответственно работы высококвалифицированных медицинских кадров, поскольку характеристики, регистрируемые ими, подвержены изменению, в том числе в результате самой программируемой стимуляции, утомления пациента, ослабления крепежа гониометрических датчиков, смещения опорных датчиков. Кроме того, данные виды синхронизирующих датчиков не всегда могут быть использованы, например, при нарушении периодичности движений в суставах или наступании стопы на опору.

4. Невозможность, а для ряда заболеваний - существенные затруднения и в использовании имеющихся систем.

Существующие аналоги имеют ряд ограничений при использовании, поскольку они, в значительной степени, ориентированы для работы в режиме ходьбы пациента, что значительно уменьшает возможности программируемой стимуляции для лечения патологии верхних конечностей и позвоночника, где ходьба не является основной локомоцией.

5. В описанных устройствах реализовано техническое решение с применением одного стимулирующего блока, из которого идут кабели стимулирующих каналов и синхронизирующих датчиков. Это существенно усложняет процедуру установки всего комплекта оборудования. Стимулирующие электроды, как правило, крепятся круговыми манжетами, которые затрудняют движение и кровоток в конечности. К каждому электроду подходит собственный кабель, который нужно смонтировать на пациенте таким образом, чтобы он не мешал движению и не мог быть задет и выдернут из гнезда.

6. Невозможность произвольного наращивания числа стимулирующих каналов.

В существующих комплексах количество стимулирующих каналов фиксировано и определяется конструкцией стимулирующего блока (обычно не больше 8), поэтому их число не может быть изменено.

7. Невозможность проводить диагностическое электромиографическое исследование в виде функциональной поверхностной электромиограммы в процессе движения.

Технология программируемой электрической стимуляции направлена на изменение фазовой биоэлектрической активности мышцы. Однако существующие приборы для ее проведения не имеют возможности регистрации собственно функциональной электромиограммы.

Для преодоления указанных выше ограничений был разработан предлагаемый комплекс диагностики и программируемой стимуляции с изолированными, управляемыми по радио каналами.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении точной программируемой электростимуляции мышц и коррекции движения в различных периодических локомоциях и проведении локомоторно ориентированной стимуляции для обездвиженных больных в условиях лечебного учреждения, а также вне его самостоятельно самим пациентом.

Указанная задача решается за счет того, что в настоящем изобретении собственно канал электростимуляции мышц при ходьбе и при различных периодических локомоциях, отличных от ходьбы, включая локомоции верхних конечностей и туловища, выполнен автономным в одном корпусе с источником питания, управляющим процессором, синхронизирующими датчиками инерционного типа (акселерометров и гироскопов), канала регистрации электромиограммы, двусторонним каналом передачи данных по радио и управления из программного пакета по радиоканалу. При этом количество одновременно используемых автономных каналов может наращиваться произвольно.

Осуществление изобретения

Последовательность процедуры стимуляции состоит из:

- установки устройства на стимулируемую мышцу с использованием клеящихся электродов, которые не вызывают сдавливания конечности и позволяют легко устанавливать устройство на мышцу любого сегмента тела (туловище, конечности);

- регистрации данных электромиограммы и инерционных датчиков во время тестовых движений пациента с передачей их по радиоканалу в реальном масштабе времени;

- анализа электромиограммы и данных инерционных датчиков в специализированном программном обеспечении и установки режима стимуляции и синхронизации по фазе и амплитуде с одного или нескольких инерционных датчиков, а также вращения, наклона корпуса устройства по радиоканалу;

- проверки работы стимулирующего канала и синхронизации его работы с движением пациента в реальном режиме времени.

Аналогично проводится настройка других устройств по количеству стимулируемых мышц. Последний этап проверки работы может выполняться для всех работающих устройств сразу. После того как режим работы устройств установлен они могут функционировать самостоятельно без связи с программным пакетом. При этом, если работают одновременно несколько устройств на одном пациенте, для синхронизации могут использоваться не только собственные инерционные датчики данного устройства, но таковые любого из устройств с передачей информации по радиоканалу.

В отличие от используемых в аналогичных системах синхронизирующих датчиков в виде гониометров и опорных датчиков для стопы, предлагаемые в данном устройстве инерционные датчики - трехкомпонентные акселерометры и гироскопы, реагируют на перемещение данного сегмента тела независимо от других сегментов. Это наиболее важно для работы автономного канала, поскольку в штатном режиме необходимо использовать для синхронизации движения того же сегмента тела, где находится данное устройство.

Для точной адаптации и настройки временной программы стимуляции предусмотрены следующие возможности автономного канала:

- определение длительности цикла шага или другого движения данного пациента,

- постоянный текущий анализ длительности цикла шага или цикла другого движения с настройкой параметров стимуляции по последнему циклу,

- определение ритмичности шага или ритмичности другого циклического движения (при изменении ритмичности шага стимуляция прекращается и возобновляется при восстановлении ритмичности движения, в том числе и при изменившемся времени цикла движения).

Для адаптации стимулирующего импульса к конкретному пациенту предусмотрена плавная установка интенсивности стимулирующего импульса из управляющего программного пакета. При необходимости изменения интенсивности стимуляции самим пациентом это может быть сделано посредством кнопок управления на самом устройстве или по каналу радиосвязи.

Если пациент не в состоянии производить движения, то устройство может проводить ритмическую стимуляцию в соответствии с установленной временной программой. При использовании нескольких устройств можно организовать согласованную по радиоканалу стимуляцию, например, в режиме ходьбы или других ритмических движений.

Предлагаемый комплекс является устройством диагностики и программируемой электростимуляции мышц и состоит из оборудования, устанавливаемого на пациенте, и оборудования, монтируемого отдельно.

Непосредственно на пациенте фиксируют автономное устройство посредством двух адгезивных электродов.

Для получения и анализа диагностической информации, а также установки режимов стимуляции используется программное обеспечение для компьютеров и других устройств, имеющих в своем составе или позволяющих подключить стандартные виды беспроводной связи.

В зависимости от состояния пациента сеанс электростимуляции проводят, как правило, ежедневно, продолжительностью 20-60 мин. Общее количество процедур до 10 и более для достижения необходимого эффекта.

Группа изобретений относится к области медицины. Способ заключается в электростимуляции мышц, выполняемой стимулирующими импульсами от электродов, установленных на заранее определенные группы мышц. Стимулирующие импульсы синхронизируют при помощи биомеханических инерционных датчиков. Момент синхронизации определяют по фазе и амплитуде каждого типа биомеханических инерционных датчиков, а в качестве биомеханических датчиков используются трехкомпонентные акселерометры и гироскопы. Устройство содержит блок, включающий канал стимуляции, канал регистрации электромиограммы, инерционные биомеханические датчики, канал двухсторонней радиосвязи, источник питания, электроды, устанавливаемые на мышцы пациента, компьютер с управляющей программой. Устройство выполнено с возможностью осуществления независимой синхронизации от собственных датчиков или с аналогичных датчиков другого такого же устройства с осуществлением передачи данных по радиоканалу. Применение данной группы изобретений обеспечит точную электростимуляцию мышц и коррекцию движений в различных периодических локомоциях. 2 н. и 7 з.п. ф-лы.

1. Способ программируемой электростимуляции мышц при периодических локомоциях пациента, заключающийся в том, что электростимуляцию мышц выполняют стимулирующими импульсами от электродов, установленных на заранее определенные группы мышц, стимулирующие импульсы синхронизируют при помощи биомеханических инерционных датчиков, отличающийся тем, что момент синхронизации определяется по фазе и амплитуде каждого типа биомеханических инерционных датчиков, а в качестве биомеханических датчиков используются трехкомпонентные акселерометры и гироскопы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что момент синхронизации определяется по фазе и амплитуде перемещения, вращения, наклона.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество одновременно используемых отдельных устройств может наращиваться произвольно.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что установка режимов стимуляции производится с учетом результата регистрации электромиограммы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения методики и возможности ее проведения пациентом самостоятельно, канал стимуляции выполнен автономным, портативным, с собственным источником питания, управляющим процессором и встроенными синхронизирующими датчиками, а режим его работы устанавливается врачом.

6. Способ по п.1 отличающийся тем, что контроль проведения процедуры стимуляции и необходимая коррекция ее параметров может осуществляться посредством связи по радиоканалу устройства со стандартными устройствами беспроводной связи, осуществляющими получение и передачу данных в сети интернет.

7. Устройство автономной программируемой электростимуляции мышц пациента, содержащее блок, включающий канал стимуляции, канал регистрации электромиограммы, инерционные биомеханические датчики, канал двухсторонней радиосвязи, источник питания, электроды, устанавливаемые на мышцы пациента, компьютер с управляющей программой, причем устройство выполнено с возможностью осуществления независимой синхронизации от собственных датчиков или с аналогичных датчиков другого такого же устройства с осуществлением передачи данных по радиоканалу.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что стимулирующий канал выполнен в одном корпусе с синхронизирующими датчиками, источником питания и управляющим процессором.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что для синхронизации используются инерционные датчики, трехкомпонентные гироскопы и акселерометры.