Электрод-сенсор с кристаллитами металла Российский патент 2024 года по МПК A61B5/533 

Изобретение относится к средствам удовлетворения жизненных потребностей, а именно к физиотерапевтическим электростимулирующим устройствам, и может быть использовано в качестве электрода-сенсора с кристаллитами металла для преобразования тактильных ощущений в электрический сигнал, обеспечивающего возможность регистрации микротоков на поверхности кожи пользователя.

Из уровня техники известно устройство для рефлексотерапии, содержащее эластичное основание, рабочую поверхность с выпуклостями в виде тел вращения, расположенными рассредоточено и снабжёнными центральными отверстиями, в которых установлены с чередованием шипы, часть которых покрыта одним или несколькими слоями металлов и/или их сплавов с различными электрическими потенциалами (см. патент RU2304957C2, кл. A61H 39/00, опубл.27.08.2007). Недостатком известного устройства является сложность изготовления и относительно малая эффективность воздействия выступов с гладкой поверхностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является электрод-сенсор с кристаллитами металла для преобразования тактильных ощущений в электрический сигнал, содержащий металлическую пластину, в которой вырублены шипы, соединённые с пластиной вдоль основания и отогнутые в одну сторону относительно неё, причём на остриях указанных шипов сформированы концевые элементы из кристаллитов металла (см. Лежак доктора redox https://redox.ru/product/lezhak-doktora-redox-kristallity-medi/). Основным недостатком известного устройства является то, что сформированные концевые элементы несимметричны, что приводит к неравномерному распределению веса тела с риском повреждения мягких тканей заусенцем или острым краем, некомфортным тактильным ощущениям у потребителя и нестабильности формируемого биоэлектрического сигнала при использовании устройства в качестве сенсорного электрода.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание надежного и безопасного в использовании устройства.

Технический результат заключается в повышении эффективности использования устройства. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в электроде-сенсоре с кристаллитами металла для преобразования тактильных ощущений в электрический сигнал, содержащем металлическую пластину, в которой вырублены шипы, соединённые с пластиной вдоль основания и отогнутые в одну сторону относительно неё, причём на остриях указанных шипов сформированы концевые элементы из кристаллитов металла, торцы шипов выполнены центрально-симметричными, а концевые элементы из кристаллитов сформированы шарообразной формы. Шипы предпочтительно выполнены трапециевидной формы, причём ширина b их меньшего основания соответствует толщине d металлической пластины, из которой они вырублены. Кристаллиты могут быть выполнены из золота, серебра, меди или цинка. Металлическая пластина предпочтительно выполнена из медицинской стали и снабжена покрытием из золота, серебра или меди.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства, подключенного к измерительному устройству (два устройства в виде электродов-сенсоров, установленных на расстоянии друг от друга для исключения электрического контакта);

на фиг.2 – фото предлагаемого устройства в работе по схеме на фиг.1;

на фиг.3 – то же, что на фиг.1 (с диэлектрической подложкой);

на фиг.4 – то же, что на фиг.3 (с интегрированным измерительным устройством);

на фиг.5 схематично представлен торец шипа со сформированным концевым элементом, вид сверху;

на фиг.6 – то же, вид сбоку;

на фиг.7 – микрофотография шипа готового изделия.

Предлагаемый электрод-сенсор (физиотерапевтическое устройство, аппликатор) для преобразования тактильных ощущений в электрический сигнал представляет собой металлическую пластину 1 толщиной d (например, из медицинской стали), установленную на диэлектрической подложке 2 (например, в виде пластикового или резинового коврика, или соответствующей вставки), обеспечивающего электрическую изоляцию устройства от основания, на котором оно установлено и/или от соседнего аналогичного устройства.

Для обеспечения рефлекторного воздействия в пластине 1 вырублено порядка 3000 шипов 3 с центрально-симметричными торцами, соединённые с пластиной 1 вдоль их основания и отогнутые в одну сторону относительно неё. В простейшем варианте изготовления шипы 3 сразу вырубают трапециевидной формы с шириной b меньшего основания, соответствующей толщине d: т.е. b ≈ d (для обеспечения требуемого эффекта достаточно, чтобы 0.9d ≤ b ≤ 1.1d). При такой форме шипов 3 при дальнейшем формировании на их остриях концевых элементов 4 в виде кристаллитов металла методом гальванопластики, формирующие указанные элементы 4 дендриты самопроизвольно растут с образованием более гладкой шарообразной формы. Такая форма концевых элементов 4 гарантирует равномерную нагрузку на кожу пользователя и исключает возможность травмирования кожи (образования микропорезов), что делает использование устройства более комфортным и безопасным, а снимаемый с него электрический сигнал – более стабильным и пригодным для дальнейшего анализа.

Кристаллиты концевых элементов 4 предпочтительно выполняют из благородных металлов, например, золота, серебра, меди или цинка, что обеспечивает безопасность и гигиеничность его использования. Также возможно использование иных функциональных материалов, например, цинка, магния и т.д. Металлическая пластина 1 также и может иметь двух- или одностороннее гальваническое покрытие из золота, серебра, меди или иного материала.

Предлагаемое устройство изготавливают следующим образом.

Из листа медицинской стали методом вырубки с помощью специального шаблона в одну операцию формируют металлическую пластину 1 с шипами 3. Затем сформированную пластину 1 погружают в гальваническую ванну с подготовленным раствором электролита и подключают к источнику постоянного тока. Пластина 1 поляризуется катодно, а соответствующий противоэлектрод поляризуется анодно. Силовые линии электрического поля, образующегося в растворе электролита, концентрируются на кончиках шипов 3, и на местах концентрации силовых линий, происходит рост кристаллитов осаждаемого металла, формирующих торцевые элементы 4. Типовые растворы электролитов и режимы осаждения приведены ниже.

В случае формирования концевых элементов 4 из меди:

Электролит

CuSO₄·5H₂O 150-250 г/л H₂SO₄ 50-70 г/л NaCl 0,1-1 г/л Плотность тока 3-8 А/дм² Температура 18-25 °С Время покрытия 1-4 ч Противоэлектрод Медь марки АМФ

В случае формирования концевых элементов 4 из цинка:

Электролит

ZnCl₂ 60-120 г/л KCl 180-230 г/л H₃BO₃ 15-30 г/л Блескобразователь А 30-70 г/л Блескобразователь Б 2,5-5,0 г/л Плотность тока 0,5-5,0 А/дм2 Температура 15-30 °С Время покрытия 0,5-4 ч Противоэлектрод Цинк марки Ц0

Предлагаемого устройство может быть использовано в качестве пассивного аппликатора (например, коврика для ног или лежака) или в качестве активного электрода-сенсора для мониторинга физиологических параметров организма – в этом случае металлическую пластину 1, выполняющую функцию сенсорного электрода, подключают к измерительному устройству 5, подключенного по беспроводной связи к компьютеру или смартфону 6. В этом случае устройство работает следующим образом.

Пользователь ложится или встаёт (изделие может использоваться в качестве коврика в ванной комнате) на металлическую пластину 1, электрически изолированную от пола и/или второго устройства с помощью подложки 2. При переносе веса тела с одной электропроводной металлической пластины 1 на другую (например, с ноги на ногу при использовании стоя) на поверхности, испытывающей большую нагрузку, образуется потенциал действия; на ноге с меньшей нагрузкой — потенциал покоя. За счет разности потенциалов образуется знакопеременная ЭДС и переменный ток кожно-гальванического происхождения, которые могут быть измерены измерительным устройством 5, например, в виде портативного мультиметра, подключенного к компьютеру или смартфону 6 для дальнейшей обработки (в т.ч. с использованием беспроводной связи).

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства преобразуют изменение давления тела на концевые элементы 4 из кристаллитов в электрический сигнал, который позволяет измерять вес тела и электрическое сопротивление человека, которое зависит от уровня физической активности (подробнее см. Неборский А.Т., Неборский С.А. Электрокожная проводимость в оценке функционального состояния человека (экспериментально-теоретическое обоснование). Под ред. Р.А. Вартбаронова. - М.: Медицина, 2007. - 224 с.). Такой сенсор может быть использован для ежедневного мониторинга указанных параметров, не затрачивая ни секунды личного времени, поскольку он легко совмещается с привычкой чистить зубы (для этого достаточно положить две пластины 1, образующие измерительные электроды под раковину и получать информацию о своем физическом состоянии на смартфон).

В проведенных исследованиях, при перекачивании на пластинах 1 был получен синусоидальный сигнал – зависимость силы тока от времени. При анализе полученных данных по величине амплитуды этого сигнала были зафиксированы зависимости амплитуды тока от физической нагрузки, увеличения дополнительной массы тела, увеличения температуры ног, увлажнения ног, рефлекса потягивания, неожиданного раздражителя (лед, шум), оргазма и т.д. На основе полученных данных с помощью специализированных программ также может быть проведён анализ в статическом положение состояния биологических тканей и процентное содержание висцерального жира.

Таким образом, за счёт выполнения торцов шипов центрально-симметричными, в ходе изготовления концевые элементы из кристаллитов автоматически формируются шарообразной формы, что позволяет значительно повысить эффективность использования предлагаемого физиотерапевтического устройства при сохранении простоты его изготовления.

Для сравнения эффективности устройства по прототипу и предлагаемого устройства была проведена нижеописанная серия экспериментов.

Используемое оборудование: лежак доктора Редокс с концевыми элементами из меди в конструкции прототипа (модификация I) - 2 шт., лежак доктора Редокс с концевыми элементами из меди в конструкции предлагаемого устройства согласно изобретению (модификация II) - 2 шт., потенциостат «Элинс» P-20X, метроном, хронометр.

Методика эксперимента: Измерения проводились с помощью потенциостата «Элинс» P-20X со скоростью снятия результатов 50 точек в секунду. Пользователь вставал босыми ногами, смоченными в солевом растворе (физ. раствор) на лежак (металлическую пластину 1 с шипами 3) и перекачивался с частой 0,8 Гц в течение 30 секунд. С каждой исследуемой модификации лежака было проведено по 10 измерений.

Полученные данные были проанализированы с использованием математического пакета Deductor Studio, а точнее с помощью аналитического узла данного пакета «Качество данных», который предназначен для проведения профайлинга и аудита данных по объективным критериям: пропуски, выбросы, экстремальные значения. Данные анализа представлены в таблице 1.

Обсуждение результатов: Качество данных оценивается в диапазоне от 0 до 1, где 0 – абсолютно непригодные данные, 1 – абсолютно пригодные. Как видно из таблицы 1, среднее значение оценки качества данных для модификации II ближе к 1, чем среднее значение для модификации I, из чего можно сделать вывод, что при использовании предлагаемого лежака модификации II (устройства согласно изобретению) в качестве электродов для анализа биоэлектрических характеристик человека можно получать данные с наименьшим значением пропусков, выбросов и экстремальных значений. Так же стоит обратить внимание на повторяемость полученных данных, среднеквадратичное отклонение результатов оценки качества данных в 2,23 раза больше для лежака модификации I, это означает более низкую стабильность и повторяемость результатов устройства по прототипу.

Таблица 1

Модификация лежака Номер эксперимента Качество данных Среднее значение Среднеквадратичное отклонение I 1 0,8940 0,9350 0,0415 I 2 0,8500 I 3 0,9473 I 4 0,9692 I 5 0,9597 I 6 0,9652 I 7 0,9451 I 8 0,8913 I 9 0,9682 I 10 0,9602 II 1 0,9583 0,9549 0,0186 II 2 0,9459 II 3 0,9699 II 4 0,9454 II 5 0,9627 II 6 0,9688 II 7 0,9698 II 8 0,9095 II 9 0,9672 II 10 0,9511

Изобретение относится к медицине, а именно к электрод-сенсору с кристаллитами металла для измерения переменного тока, образованного за счет разности потенциалов на поверхности кожи. Устройство содержит металлическую пластину 1, в которой вырублены шипы 3 трапециевидной формы, соединённые с пластиной вдоль основания и отогнутые в одну сторону относительно неё. При этом ширина b меньшего основания шипов соответствует толщине d металлической пластины, из которой они вырублены. Торцы шипов выполнены центрально-симметричными, а на остриях указанных шипов сформированы концевые элементы из кристаллитов металла шарообразной формы. Устройство выполнено с возможностью подключения к измерительному устройству 5, подключенному по беспроводной связи к компьютеру или смартфону 6. Достигается увеличение надежности и безопасности использования устройства, повышение эффективности использования устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр., 7 ил.

1. Электрод-сенсор с кристаллитами металла для измерения переменного тока, образованного за счет разности потенциалов на поверхности кожи, содержащий металлическую пластину, в которой вырублены шипы трапециевидной формы, соединённые с пластиной вдоль основания и отогнутые в одну сторону относительно неё, отличающийся тем, что ширина b меньшего основания шипов соответствует толщине d металлической пластины, из которой они вырублены, причём торцы шипов выполнены центрально-симметричными, а на остриях указанных шипов сформированы концевые элементы из кристаллитов металла шарообразной формы.

2. Электрод-сенсор по п. 1, отличающийся тем, что кристаллиты выполнены из золота, серебра, меди или цинка.