Многоканальный стимулятор Советский патент 1985 года по МПК A61N1/36 

Изобретение относится к медицине, а именно к многоканальным стимуляторам. Цель изобретения - снижение утомдения мышц. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема полосового усилителя; н фиг. 3 - структурная схема регулятор тока; на фиг. - структурная схема порогового амплитудокодового формирователя; на фиг. 5 - структурная схема блокауправления; на фиг,6 .диаграммы миографической активности. Устройство содержит генератор 1 импульсов, сдвигающий регистр 2, в каждом канале формирователь 3 закона амплитудной модуляции и амплитудный модулятор 4, генератор 5 сигналов заполнения, полосовой усилитель 6, пороговый амплитудокодовый формирова тель 7, преобразователь кода 8, кодо импульсный модулятор 9, усилитель мощности 10, а также регулятор 11 то ка, коммутатор 12, контактное уст- ройство 13 и блок 14 управления. Полосовой усилитель содержит дифференциал ьньй усилитель 15, ключ 16 и блок частотно-избирательных фильтров 17. Регулятор содержит блок 18 эмиттерных повторителей, коммутатор 19 сигналов, амплитудный детектор 20, индикатор 21 предельного тока, преобразователь 22 ток - напряжение, схему 23 сравнения, источник 24 опор ного напряжения и регулирующий элемент 25. Пороговый амплитудокодовьй формирователь содержит задатчик 26 порога блок 27 управляющих триггеров, схему 28 вьу5;йяения абсолютной величины сигнала, компараторы 29 - 32, счетчи ки 33, 34 и 35. Bjioi: /правления содержит задатчик 36 чисел, схему 37 сравнения чисел, повторители 38 и 39, блок 40 кнопок управления, генератор 41 опорной час тоты, делитель 42 частоты, коммутатор 43 временного интервала и регистр 44 сдвига. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы производится установка цифровых блоков: регистров счетчиков и триггеров в начальное со стояние, и вводится от блока 14 управления опорное напряжение в пороговый амплитудокодовый формирователь 7 (в задатчик 26 порога), набор чисел в блоке 14 управления в задатчик 36 чисел, соответствующих кодовым комбинациям, а также формируется сигнал управления к пороговому усилит-елю 6, определякиций период изменения миоэлектрической активности. Затем на мьшце оператора укрепляют электроды схема биопотенциалов и электроды миостимуля ции. Задающий генератор 1, настроенньй предварительно на определенную частоту, формирует прямоугольные импульсы, которые поступают на вход реверсивного сдвигающего регистра 2 и преобразуются последним в импульсные последовательности по числу каналов, смещенные друг относительно друга на некоторьй временной интервал в зависимости от выбранной последовательности воздействия на различные нервно-мьшечные структуры. Сигналы с выхода сдвигающего регистра 2 постзшают в каждом канале на вход формирователя 3 закона амплитудной модуляции, который формирует модулирукщие импульсы колокольной формы. Выбор формы модулирующей кривой обусловлен рациональностью колокольной формы с точки зрения приближения к нормальной физиологической функции, формируемой в перехвате Ранвье нервного волокна. Сигнал с выхода формирователя 3 закона амплитудной модуляции поступает на управлякяций вход амплитудного модулятора 4, в котором обеспечивается амплитудная модуляция синусоидальных сигналов частотой 101,5 кГц, поступающих от генератора 5 сигналов заполнения. Таким образом, на выходе амплитудного мрдулятора 4 формируется синусоидальный сигнал, модулированньй по амплитуде импульсами колокольной формы. Сигналы миоэлектрической активности, снимаемые с оператора и усиленные и отфильтрованные в полосовом усилителе 6, поступают в пороговьй амплитудокодовьй формирователь 7, на выходе крторого формируется число в двоичном коде, определяющее вариабельность амплитуды, число пересечений сигналом заданйЬк уровней электромиографического сигнала за выбранный период измерения. Код, характеризующий нервно-мышечное состояние оператора, с выхода порогового амплитудокодового формирователя поступает в преобразователь кода 8, с выхода которого сигнал поступает . на управляющий вход кодоимпульсного модулятора 9. На информационный вход кодоимпульсного модулятора 9 поступает амплитудомодулированньй сигнал с выхода амплитудного модулятора 4/ На выходе кодоимпульсного модулятора 9 формируется стимулирующее воздействие в виде непериодической импульсной последовательности, параметры которой определяются поступающим от оператора электромиографическим (амплитуда) показателем неврно-мышечного тонуса. При изменении информатив ного параметра, поступающего с выхода порогового амплитудокодового формирователя 7 канала обратной связи на вход преобразователя 8 кода, каждый предьщущий код автоматически стирается и по команде от блока 14 управления на выходе преобразователя 8 iкода появляется новый, соответствующий измененному нервно-мьппечному состоянию оператора. С выхода кодоимпульсного модулятора 9 последовательность стимулирующих импульсов поступает на информационный вход усилителя 10, где усиливается до уровня, определяемого сигналом общего для всех каналов регулятора 11 тока. С выхода усилителей 10 пакеты стимулирующих Импульсов поступают на входы коммутатора 12 и далее через контактное устройство 13 к оператору. Принцип работы полосового усилителя 6 (фиг. 2) заключается в следующем Биоэлектрические сигналы, полученные посредством съема, усиливаются дифференциальным усилителем 15 ичерез аналоговый ключ 16 поступают в блок 17 частотно-избирательных фильтров, позволяющих выделить электромиографический сигнал из шумового фона. Сигналы с выходов каждого фильтра поступают на вход порогового амплитудокодового формирователя 7 (блок 27 управляющих триггеров). Управление ключем 16 осуществляется от блока 12 управления, который определяет период измерения электромиографического сигнала .

Регулятор тока (фиг. 3) работает следующим образом.55

Сигнал по току от стимулирующих электродов контактного устройства 13 поступает через блок 18 эмиттерных

вующие этим операциям. Импульсы поступают в первьш счетчик 33 пересчетных положительных уравнений 33 (или отрицательных 34) и далее в третий счетчик 35 полного числа пересчетных уровней. Счетчики 33 и 34 снабжены регистраторами, фиксирующими измеряемые значения. повторителей в коммутатор сигналов 19, каждый канал которого управляется соответствующим сигналом от блока 14, управления. Таким образом, сигналы по току подключаются поочередно к амплитудному детектору 20, сигнал с выхода которого поступает на индикатор предельного тока 21, отображающий визуально пороговые перегрузки по току, и на вход преобразоватепя 22 ток - напряжение. Напряжение с выхода преобразователя ток - напряжение 22 подается на вход схемы 23. сравнения, где сравнивается с эталонным сигналом, задаваемым источником 24 опорного напряжения. Сигнал с выхода схемы 23 сравнения через регулирующий ,элемент 25 воздействует на усилитель 10 и управляет изменением плотности стимулирующего тока j, зависящей от мощности импульса Р, удельного сопротивления подконтактной области К и изменения эффективной площади контакта S 30303 по формуле 1 ГР Принцип работы порогового амплитудокодового формирователя 7 заключается в следующем. При поступлении на его вход измеряемого сигнала на выходе блока 27 управляющих триггеров в зависимости от знака сигнала формируется импульс, поступающий на входы начальной установки счетчиков 33, 34 и 35 и к схеме 28 выделения абсолютной величины, на выходе которой формируется абсолютная величина входного сигнала, поступающего на информационные входы компараторов 29 - 32. На. эталонные входы компараторов под- йтся пороговые сигналы от задатчика 26 порога. Блок 19. управления формир, импульсы опроса компараторов. ЕСЛИ, например, три компаратора отмечают превосходство измеряемого сигнала над уровнем 1, 2 и 3 в положительной (отрицательной) полуплоскости, то формируются три импульса, соответстБлок 14 управления (фиг, 5) работает следующим образом. Переключателем блока 40 кнопок . управления .устанавливается требуемый временной интервал измерения сигналов миоэлектрической активности оператора. По команде Вкл,ГИ запускается генератор 41 опорной частоты, на выходе которого формируется сигнал, поступающий к делителю 42 частоты и далее с первого выхода делителя 42 частоты на коммутатор 43 задания временного интервала, уйравляющего ключом 16 полосового усилителя 6 (запирающего ключ 16 после отсчета количества импульсов, соответствующих заданному интервалу измерения), На втором выходе делителя 42 частоты формируется сигнал опроса, которьй через регистр сдвига 44 передается к компараторам 29 - 32, Одновременно с генератором 41 опорной частоты сигнал от блока 40 кнопок управления поступает к задатчику порога полосового усилителя 7, По командам Per,тока и Задание чисел включаются регулятор 11 тока и задатчик 36 чисел, соответствующий кодовым комбинациям стимулов в норме, при гиподинамии, при гиперкинезе. Набор чисел с выхода задатчика 36 чисел сравнивается в схеме 37 сравнения чисел с числом пересеченных уровней, поступающим от третьего счет чика 35. Сигнал с выхода схемы 37срав-,нения чисел через повторители 38 и 39 поступает к регулятору 11 тока и преобразователю 8 кода. Условия АКИМ для системы с обратно электромиографической связью может быть записано в виде u;(t) Up i дчи/ - uj, L - М AU(t) sin(cOot+% t;; E. ь вузы где Ug, ы. амплитуда, частота и начальная фаза носителя соответственно;коэффициент глубины модуляции U(t) информационная компонента;импульс длительности стимупирующего импульса и паузы соответстве JL - мера количества информации, определяемая как I nlogm, поскольку отношение длительности стимулирующего импульса к длительности паузы определяетая количеством информации в электромиографическом сообй ении о состоянии нервно-мьшечного аппарата, поступающей по каналу обратной связи и зависит от длины сообщения (длительности неизменного состояния п и разнообразия элементов m в сообщении о состоянии. Для кодирования управляющего воздействия использован двоичный четырехзначный код с числом возможных комбинаций N 16, Каждому электромиографическому сообщению соответствует комбинация, задаваемая кодовой таблицей: 0000, 1000, 0100, 1100,,.. 1111, На фиг. 6 показаны диаграммы миоэлектрической активности оператора в норме (Йм1), после трех суток гиподинамии (Им2), при гиперкинезе (ИмЗ) и соответствующие им последовательности стимулирующих импульсов Uc1,Uc2, Uc3, Для стимуляции НМЛ в норме использована сравнительно нечастая (код 1010) импульсация амплитудной порога и числом посыпок не более 10-12, чтобы не вызвать утомления мьшзц. Цель стимуляции в норме - предотвращение снижения НМТ у операторов, находящихся в условиях пониженной физической нагрузки. При гиподинамии, характеризующейся в начальной стадии снижением амплитуды при несущественном изменении частоты миоэлектрической активности, необходимо интенсифицировать воздействие и использовать стимуляцию (код 1101) с амплитудой А2 А1, А2 (1,5-2) и порога в зависимости от степени снижения нервно-мьщгечного тонуса, В процессах восстановления нервно-мьшечного тонуса возможно нарастание амплитуды А2 до (3:6-4) U порога с последующим приближением к амплитуде стимуляции в норме, рав-, ной А1, При гиперкинезе стимулирующая импульсация уреженная код 0100) с амплитудой A3 А1, A3 (3-3,6) U порога, приближающейся в процессе восстановления нервно-мьшечного тонуса к А1. Таким образом, выходной

сигнал электромиостимулятор а представляет собой непериодическую импульсную последовательность, параметры которой определены поступающей от оператора электромиографической информацией.

Количество информации, заключенное в последовательности из М двоичных элементов импульсации, определяется по формуле

I .T fT logfT, -н (1 - fT,) + 4Ц.(1 if TO) logd - Т„)0 ,

где f - средняя частота импульсации;

TQ- длительность элементов кода;Т - время передачи сообщения.

Основным техническим преимуществом предлагаемого стимулятора по сравнению с базовым устройством является наличие электромиографической обратной связи, осуществляемой при помощи блока преобразования элек ромиографйческого сигнала, амплитудного анализатора и блока управления с их связями, что расщиряет функциональные возможности и обеспечивает поиск оптимальной структуры стимули- рующего сигнала.

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СТИМУЛЯТОР, содержащий генератор импульсов, сдвигающий регистр, последовательно соединенные коммутатор и контактное устройство, а,также ряд каналов, включающих последовательно соединенные генератор сигналов заполнения и амплитудньй модулятор,формирователь закона амплитудной модуляции, подключенный к выходу сдвигающего регистра и входу амплитудного модулятора, а также усилитель, соединеннигй с коммутатором,. отличающийся тем, что, с целью снижения утомления мьщ1ц, он снабжен регулятором тока и в каждом канале последовательно соединенными полосовым усилителем, пороговым амплитудокодовым формирователем блоком управления, преобразователем кода и кодоимпульсным модулятором,- подключ енньм к входу усилителя и выходу амплитудного модулятора, причем блок управления соединен с пороговым амплитудокодовым формирователем, формирователем закона амплитудной модуляции, полосовым усилителем и регулятором тока, вход которого соединен с контактным устройством, а выход - с усилителями, пороговьй амплитудокодовый формирователь подключен к преобразователю кода, а генератор импульсов со(О единен со сдвигающим регистром. (Л 2. Стимулятор по п. 1, отл и- чающийся тем, что регулятор тока содержит источник опорного напряжения, индикатор предельного тока и последовательно соединенные блок эмиттерных повторителей, ком мутатор, амплитудный детектор, преСХ) образователь ток-напряжение, схему сравнения и регулирующий элемент, причем амплитудный детектор соединен с индикатором предельного тока, а источник опорного напряжения подклю чен к схеме сравнения.

От оператора -

/ 5лонд 7

От o/70f a /4 Фиг. 2

QtTT /4- на на/гo81,2 ... /7

От(

/ J CОт SjTff a /42A

J

Сигнал ffopaaoBbfx

- rrepeгрдзоК

/ fO

25

Фие. 3

Сигналы пороговых nepe3p j3Of

KSnOHgl

Сигналы пороговых пере ер да он

К HOMMymafTto yfd 5ло(а //

К 8

ч.

о