Устройство для электрофизиологических исследований Советский патент 1993 года по МПК A61N1/36 

Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться в электрофизиологических исследованиях для электрической стимуляции проводящих нервных путей, нервных и мышечных структур и клеток, других возбудимых образований живых организмов. Кроме научно-исследовательской работы устройство может найти применение в медицинской практике как средство восстановления утраченных функций.

Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерений путем уменьшения поляризационных искажений при сохранении эффективности воздействия на возбудимые структуры тканей и уменьшении вызываемых электрическим стимулом артефактов, полное исключение прохождения тока через биологический объект в интервалах между стимулами и упрощение электронной схемы устройства для электрофизиологических исследований.

Изобретение поясняется фиг. 1-3.

Фиг.1. Схема заявляемого устройства имеет: 1 - генератор, 2 - счетчик, 3 - выходной каскад, 4 - трансформатор на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, 5 - инвертор, 6 - информационные входы, 7 - декодер, 8 - управляющие входы, 9 - блок управления, 10 - блок индикации, 11 - вторичная обмотка трансформатора, 12 - потенциометр, 13 - резисторы.

Фиг.2. Пример конкретной реализации устройства для электрофизиологических исследований, где: 14 - тумблер, 15 - инвертор, 16 - реверсивный счетчик, 17 - кнопочный переключатель, 18 - переключатель, 19 - выход схемы.

Фиг.З. Осциллограммы ответа нервного ствола на стимуляцию короткими биполярными импульсами с выхода заявляемого устройства, где: 20 - ответ в нервном стволе, 21 - сигнал на выходе 19 выходного каскада 3. А, Б, В - разные длительности импульса на входе первичной обмотки трансформатора.

Блок-схема предлагаемого устройства (фиг.1) включает генератор 1, выход которо-. го подключен к входу счетчика 2 и к основел

с

со

О

ел Ј

ному входу выходного каскада 3, выход которого подключен к первому выходу первичной обмотки выходного трансформатора А непосредственно, а к второму выводу через инвертор 5. Информационные входы 6 декодера 7 подключены к выходам счетчика 2, а его другие, управляющие, входы 8 соединены с выходами блока 9 управления. Управляющие выходы декодера 7 подключены к дополнительным входам выходного каскада 3, а его другие выходы к входам блока индикации 10. Вторичная обмотка 11 трансформатора А на ферритовом сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса подключена к электродам, устанавливаемым на биологическом объекте. Регулирование энергией выходного импульса осуществляется потенциометром 12, который одним выводом подключен к источнику питания, а соединенными вместе в общую точку другим и средним выводами подключен к выводам первого и второго резисторов 13, другие выводы которых подключены к соответствующим выводам первичной обмотки выходного трансформатора.

На фиг.2 приведен пример конкретного выполнения устройства для электрофизиологических исследований. Генератор 1 выполнен на инверторах, а включенный в цепь отрицательной обратной связи последовательно с резистором диод позволяет получить значительную скважное ь следования импульсов. Тумблер 14, включенный на одном из входов схемы совпадения на выходе генератора, обеспечивает подачу стимуляции на объект в нужные моменты времени. Счетчик 2 собран по известной схеме, вход которого соединен с выходом генератора 1 через инвертор 15 для согласования моментов приходим пульсов с выхода генератора 1 и выходов декодера 7 на входы выходного каскада 3, который представляет схему совпадения на несколько входов. Декодер 7 содержит реверсивный счетчик 16, выходы которого, являясь другими выходами декодера 7, подключены к входам блока индикации и к схемам совпадения, к вторым входам которых подключены соответствующие выходы счетчика 2. Выходы схем совпадения являются управляющими выходами декодера 7. Другие входы декодера 7 подключены к выходу блока 9 управления, представленного схемой устранения дребезга контактов с кнопочным переключателем 17 установки кода требуемой последовательности импульсов, выходкоторой через переключатель 18 подключается к- входам реверсивного счетчика 16. Выход 19 выходного каскада 3 подключен к первичной обмотке выходного трансформатора на

сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, как показано на фиг.1.

На фиг.З представлены три осциллограммы ответов 20 в нервном стволе на его

стимуляцию, различающуюся длительно-, стью импульса на входе первичной обмотки выходного трансформатора (луч 21). На луче 20 видны артефакт от заднего фронта импульса и овтет в нерве. Характерно, что вид

0 ответа и его латентный период не меняются при изменении длительности импульса на входе трансформатора. Запуск лучей осциллографа, с экрана которого фотографировали сигналы, осуществлялся передним

5 фронтом импульса с выхода 19 устройства. Устройство работает следующим образом. После включения питания на блоке индикации высвечивается состояние реверсивного счетчика, отражающее код

0 стимулирующей последовательности импульсов. Переключением положения пере- - ключателя 18 (если необходимо) и нажатием кнопки 17 устанавливается код требуемой последовательности следования импульсов

5 на выходе устройства. Выключением тумблера 14 разрешается прохождение импульсов с выхода генератора 1 на основной вход выходного каскада 3 и на вход счетчика 2. При соответствующем сочетании состояния

0 сигналов на выходах счетчика 2 и реверсивного счетчика 16 разрешается прохождение импульса с выхода генератора на выход 19 выходного каскада 3. Каждый импульс меня- . ет состояние потенциалов на концах пер5 вичной обмотки трансформатора, изменяя на противоположное направление тока в ней. Происходит перемагничивание сердечника из состояния О в состояние 1, причем время перемагничивания равно

0t Sw(Htf,-Ho), (1) где Sw - постоянная переключения в эрст мкс, Но величина поля, близкая к коэрцитивной силе, Нт - величина магнитного поля, тождественная AW. Во вторичной

5 обмотке трансформатора при этом наводится ЭДС (в вольтах)

лe WDb,. (2) где Л/Вых - число витков выходной обмотки, В - магнитная индукция, S - площадь попе0 речного сечения сердечника в кв.см, t - время перемагничивания сердечника.

В момент окончания импульса вновь меняются уровни потенциалов на концах первичной обмотки трансформатора и в

5 соответствии с формулами 1 и 2 во вторичной обмотке трансформатора вновь генерируется тождественная ЭДС, но противоположного знака. Таким образом на стимулирующих электродах формируется напряжение только в моменты переключения состояния сердечника из одного в другое. Изменение исходных потенциалов на концах первичной обмотки (О на одном и 1 на другом) на противоположные и последующий возврат к исходному состоянию обеспечивают полную идентичность отрицательного и положительного импульсов на выходе вторичной обмотки трансформатора. Перемещением движка потенциометра 12 изменяем возможные уровни потенциала на концах первичной обмотки трансформатора и, в соответствии с формулой 1, время переключения сердечника из одного состояния в другое, что приводит к измене- . нию уровня ЭДС (формула 2) на выходе вторичной обмотки.

Осциллограммы на фиг.З показывают; что возникающей во вторичной обмотке ЭДС достаточно для возбуждения активности в нервном стволе. Специально проведенное исследование с изменением длительности импульса на входе первичной обмотки трансформатора показало, что возбуждение осуществляется импульсом, полярность которого совпадает с направлением отклонения регистрируемого ответа. Латентность и форма ответа не меняются при изменении длительности воздействующего на первичную обмотку трансформатора импульса (осциллограммы, А, Б, В). Артефакт от переднего фронта импульса в отрицательном направлении не виден, но тождественен первому отклонению луча 20 вверх на осциллограммах, соответствуя длительности и амплитуде воздействующего на нерв импульса. Максимальный ответ в нерве достигается при расстоянии между парами стимулирующих импульсов 80-300 мкс, т.е. длительности импульса на выходе 19 выходного каскада 3. На представленных осциллограммах (фиг.З) длительность импульса (луч 21) на входе первичной обмотки трансформатора составляла для А - 380 мкс, для Б - 640 мкс, для В - 1100 мкс.

Устройство для электрофизиологических исследований испытано при стимуляции не только нервных стволов, но показана его эффективность в экспериментах при раздражении мозговых структур, стимуляции мышц, стимуляции спинного мозга через эпидурально вживленные электроды, при стимуляции биологически активных точек (точек акупунктуры).

Достоинства устройства заключаются в отсутствии значительных артефактов от раздражения, что обеспечивает уменьшение поляризующего действия стимулирующего тока как на электровозбудимые структуры, так и на вход регистрирующей аппаратуры, позволяя значительно повысить точность проведения нейрофизиологи- ческих исследований. Уменьшение поляризационных влияний способствует более локальному возбуждению отдельных обра- 5 зований мозга, что важно для выяснения их связей и функции в ЦНС, и делает возможным применение множественной стимуляции в огранических объемах мозга.

Преимущества предлагаемого нами

0 трансформаторного выхода на феррмтовом сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса заключаются в уменьшении габаритов и веса выходного узла. Вес примененного в заявляемом устройстве

5 изолирующего трансформатора вместе с обмотками не превышает 3 Г, осуществляя эф- фективную стимуляцию возбудимых структур, т.е. вызывая сокращение мышечных волокон, появление распространяю0 щихся потенциалов действия в нерве, возбуждение нейронных структур мозга.

Уменьшение габаритов выходного трансформатора - в нашем случае использовался ферритовый сердечник диаметром

5 10 мм и высотой 5 мм, что значительно меньше размеров выходных трансформаторов и изолирующих блоков, приводит к снижению веса и габаритов всего устройства. Кроме того стимулирующие импульсы положитель0 ной и отрицательной полярности получены при использовании одного источника питания без применения дополнительных преобразователей. Источника напряжения в пять вольт достаточно для получения ЭДС

5 во вторичной обмотке до 40 вольт. По существу исчезает артефакт раздражения, так как короткие импульсы, даже значительной амплитуды, не запирают вход усилительной аппаратуры. Применение трансформатора на сердечнике с прямоугольной петлей гис0 терезиса позволяет осуществлять множественную одновременную стимуляцию, используя несколько (десятков) выходных каскадов с различными законами следования последовательностей импульсов.В час5 тности, тестиразрядные счетчик 2 и реверсивный счетчик 16 обеспечивают 64 различных последовательности следования импульсов на выходе устройства.

Малые габариты и малое потребление

0 энергии от источника питания способствуют миниатюрному исполнению устройств для электрофизиологических исследований, что важно для вживляемых или индивидуально используемых многоканальных электрости5 мулирующих средств, в частности, при усложнении физиологических экспериментов по изучению механизмов переработки информации в ЦНС, при нарушении двигательной деятельности, при разработке

устройств непосредственного ввода информации в нервную систему в случае замещения (протезирования)утраченной функции, например, органов зрения или слуха. Формула изобретения 1. Устройство для электрофизиологических исследований, содержащее последовательно соединенные генератор, счетчик/ декодер и выходной каскад, и трансформатор, один вывод первичной обмотки которого подключен к выходу выходного каскада, а вторичная обмотка подключена к электродам, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерений путем уменьшения поляризационных искажений, оно содержит инвертор,

вход которого соединен с выходом выходного каскада, и выход подключен к другому выводу первичной обмотки трансформатора, блок управления, выходы которого соединены с другим входом декодера, и блок индикации, входы которого подключены к другим выходам декодера, причем магнито- провод трансформатора выпблнен с прямоугольной петлей гистерезиса.

2. Устройство по п. 1, от л и ч а ю щ е е- с я тем, что, с целью регулировки параметров электростимулов, оно содержит потен: циометр и два резистора, одни выводы которых подключены к выводам первичной

обмотки трансформатора, а другие - к потенциометру.

ЯП

г

Использование: устройство для элект- рофихиологических исследований относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано для электрической стимуляции проводящих нервных путей. Сущность: устройство содержит генератор 1, счетчик 2, выходной каскад 3, трансформатор 4 на магнитопроводе с прямоугольной петлей гистерезиса, инвертор 5, декодер 7, блок 9 управления, потенциометр 12 и резисторы 13. Импульсы с выходного каскада 3 и инвертора 5 перемаг- ничивают магнитопровод трансформатора 4 за короткий промежуток времени. После насыщения магнитопровода трансформатора 4 электроды оказываются замкнутыми через активное сопротивление обмотки 11.1 з.п. ф-лы, 3 ил.

20

/ Дл/ ц 4

-ft